安全继电器在工业生产过程中的分析与应用.pdf

安全继 电器在工业生产过程 中的 分析与应用 费国葛 自江马矜 上海振华重工 电气有限公 司 上海2 0 0 1 2 5 摘要 对安全继电器在工业生产过程中的分析与应用进行 了研究 尤其是在港 口机械 起重机械等 重型机械领域的应用 对安全继电器进行功能分析和市场应用分析 通过安全等级的分类 结合实例分析 和本公司具体项 目上的实际应用 并与普通继电器进行对比 验证了安全继 电器对设备本身及操作人员的 保护功能 关键词 安全继电器 安全等级 分析 中图分 类号 T M5 8 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 6 0 0 0 1 0 7 Ab s t r a ct Re s e a r ch o n a n a ly s is a n d a p p lica t io n o f s a f e t y r e la y in in d u s t ri a l p r o d u ct io n p r o ce s s is d o n e in t h e p a p e r e s p e cia lly it s a p p lica t io n in h e a v y t y p e ma ch in e r y fi e ld s u ch a s p o r t ma ch in e ry h o is t in g ma ch in e ry e t c T h e f u n ct io n a n a ly s is a n d ma r k e t a p p lica t io n a n a ly s is are p e r f o r me d f o r t h e s a f e t y r e la y w h ich is co mp a r e d w it h t h e o r d in a ry r e la y t h r o u g h cl a s s i f i ca t i o n o f s a f e t y le v e ls i n s t ance a n al y s i s a n d a ct u al a p p l ica t i o n in s p e ci f i c p r o j e ct s o f t h e co m p a n y p r o v i n g t h e p r o t e ct io n r o le t h e s afe t y r e la y is p la y e d in b o t h t h e e q u ip me n t it s e lf a n d t h e p r o t e ct io n o f o p e r a t o r s Ke y wo r d s s a f e t y r e la y s afe t y le v e l a n al y s is 0引言 1 功能分析 随着工业生产过程 中安全生产 问题 的不断产 生 工业生产安全 日益受 到人们 的重视 在经常 涉及人和机械设备安全 的港 口机械 起 重机械领 域显得尤其重要 工业生产安全 的核心 问题就是 防止在工业生产过程 中发 生人员 伤亡及财产损失 事故 随着近 2 0年来 系统安全理论的诞生 和不断 发展 新 安全技术 的不断 出现 许多先 进 的安全 生产管理方法 的应用 使工业生产安全 问题 的研 究达到了一个新 的阶段 工业生产安全 主要指机 械安全 机械安全是一项 复杂 的系统工程 需要 考虑的因素很 多 比如机械设 备特点 工艺操作 特点 安全 设计 理 念 人 为 因素 等 一 般来 说 安全控制系统应该包括安全输入设备 如紧停按 钮 安全门限位开关或联锁开关 安全光栅或光 幕 双手控制按钮等 安全控制电气元件 如安 全继 电器 安全 P L C和安全 总线等 和安全输 出 控制 如主 回路中的接触器 继 电器或阀等 其 中 安全继 电器是在应 用 中值得重点关 注的核心 产品 起重运输机械 2 0 1 3 6 所谓安全继 电器 并不是没有故障的继 电器 而是发生故 障时做 出有规则 的动作 它具有 强制 导 向接点结构 万一发生接点熔结现象 时也 能确 保安全 这 一点 同常规继 电器 完全不 同 它是专 门为条件苛刻 的任务或安全相关 的应用而设计的 继 电器 在其失效 时不 会对人员安全或过程安 全 带来危险 在 一台安全继电器根据要求达 到了特 定 的可靠性或故 障概率 等级 时 就意味着 它具有 自诊断能力 可 以监测各个方 面的硬件状态 执 行状态 和系统 状态 此外 安全继 电器还必须 能 够执行标准机构 例如 T U V F M等 认证的必须 的故障安全动作 而这些故 障安全动作都 是根据 特 定 的 原 则 设 计 并 满 足 国 际 安 全 标 准 如 I E C 6 1 5 0 8和 E N 9 5 4 1等 中定义的要求 安全继 电器 的基本功能 1 检测功能 可以确认与安全相关的请求 例如按下 紧停按钮 2 评估功能 确认与安全相关 的请求 并且 安全地启动响应 例如关闭启动回路 3 关闭功能 关闭潜在 的危险 例如关 闭下 1 游接触器的电源 4 自锁功能 当安全继电器出线故障信号 时 不会 自动复位 需要确认安全后 手动复位 例如按下 紧停按钮 后 安全继电器输出信号 拔出 紧停按钮 后 安全继 电器不会 自动复位 需要手动复位 5 扩展功能 可以根据需要增加扩展模块 增加触点 以达到和主触点一致的安全等级 6 稳定工作功能 触点组拥有 1 0 0 0万次以 上的可靠机械寿命 普通的安全继 电器 的结构 见图 1 A 1 A 2是 这个 继 电器 的线 圈 部分 Y 1 1 Y1 2是 通 道 一 Y 2 1 Y 2 2是通道二 Y 3 3 Y 3 4是复位通 道 1 3 1 4 2 3 2 4 3 3 3 4是常开触点 4 1 4 2 5 1 5 2是常闭触点 图中可 以看 到 所有常开触点 和常闭触点都是由2 付触点来控制 同时通断 图 1 普通的安全继电器的结构 安全继 电器 和普 通继 电器 的最显著 的 区别 强制导向接点机构 其主要 目的就是在任意一个 输 出信号通道 内不让继电器内部的 2个接点 这 2 个接点属 于同一个输出信号 例如 图 1的 1 3 1 4 中的2付 触点 处 于同时动作状态而具有强制导 向的机构 当其 中的一个接点发生故 障时 熔 著 时 线圈在无激磁状态下 另一个接点必须保持 0 5 m m以上的间隔 此称之强制机构 即使是在 故障或磨损 的的情况下也要保持如上关 系 而普 通继电器 的触点动作 完全受制于线圈的通电情 况 当输入 的接线短路或 电线外皮破损而引起 的 接地的可能性存在时 必须预防 因此而引起 的触 点突然动作 机器突然启动 在一个冗余电路中 内部控件 的运行将受到监控 如果安全继 电器 出 现故障 它将始终被切换到断 电位置 并 因此处 于安全状态 如被检测到故障 则该安全继电器 一 2 一 无法再被开启 安全继 电器在硬件上就具有 了最 基本的安全功 能 通过 多个安 全继 电器 的组合 便可构造复杂的安全系统了 有安全继 电器 的系 统 才是硬件 安全 的系统 安全程度会 很高 再 通过安全继电器的冗余 自检 互检设计 即可 实现一整套非常安全的系统 2 市场应用分析 安全继电器作为安全 产品家族 中的一员 其 应用也 日渐广泛 据统计 进入 中国大陆地 区的 安全继 电器 以国外产品为主 而且最近几年大 陆 企业尚不会涉及该产品 而 目前进人大陆市场 的 安全继 电器 品牌 日渐 增多 市场竞 争逐步 增大 随着大陆安全继 电器产 品市场规模 的不 断扩大 国产化趋势 比较明显 2 0 0 6年至 2 0 0 7年大陆安全 继电器产 品的市场增速非常快 并且在未来 的几 年里保持了较高的增长势头 2 0 0 7年至 2 0 1 1年的 年复合增长率可 能达到 4 4 3 如此快 的增 长速 度使得大陆安全继电器市场规模 由 2 0 0 7年的 1亿 多元增长到 2 0 1 1年的 4 5亿多元 安全继电器 目 前的主要应用集 中在机械设 备制造 汽车 2大领 域 约占总销售额的 7 9 9 3 其中 机械设备制 造领域约 占大陆试产规模 的 5 7 6 0 是安全继电 器最重要 的 也是最有潜 力的细分应用领域 机 械设备制造 中应用较多 的是港 口机械 起重机械 橡塑机械 包装 机械 玻璃机 械 数控机床 等领 域 在汽车及其上游零部件生产企业中也有较大 比 重的应用 从全球范围看 实践证明已经采用安全 继电器的行业包括港口 起重 汽车 机床 机械 船舶等行业 以及过程工业中的石化 炼油 电厂 锅炉控制和燃烧控制 高压应用等 此外 它还可 以在一些远程遥控 无人值守以及维护费用十分 昂 贵的应用场合 例如大型储罐区 一显身手 3 安全等级分类 根据9 8 3 7 E G机械指令的规定 每台机器均 需遵守适用 的指导方针和标 准 并需采取相关措 施 以将人员风险控制 在最低 限度 首先 应 由 项 目工程师基于 E N 1 0 5 0 风险评估指导方针 执 行风险评估 例如 机器 的周 围环境条件需被 列 入考虑范围 然后 应对任何总体风险进行评估 如图2 表 1 起重运输机械 2 0 1 3 6 类别 Bl 1 l 2 l 3 J 4 S l o o o o o s 2 l o 一P 1 o B 1 4 控制器安全相关性部件的类别 参考点的 首选类别 可能需采取附加措施的类别 针对特 定风险可能采取的过度措施 图2 风险等级评估 表 1 风险等级评估表 F暴露于危险中的 P防止危险的 S损伤的严重程度 频率和 或期限 可能性 S 1轻微损伤 F 1 从很少到经常 P 1 特定条件 通 常 可 逆 转 以 或短暂的暴露 下可能 的 期 限 s 2严重损 伤 F 2从频繁到不断 P 2几 乎 不 通常不可逆转 以 或较长的暴露 可能 的 期限 此外 风险评估应基于流程和结论的追溯而 执行 而且还须指明存在的危险和用于降低风险 的可行技术措施 完成风险评估之后 应借助于 E N 9 5 4 1 标准 以指定安全电路设计和实施的依 据类别 根据 E N 9 5 4 1 标准 安全等级应分 B 1 2 3 4共 5个等级 见表 2 最高的安全等 级为 4 在采用安全防护措施减少风险之前 必须 确认机械的危险等级 只有确认了这台机械的危 险等级之后 才能够得到安全 防护措 施所要 求 的 安 全 等 级 该 机 械 安 全 等 级 必 须 与 危 险 等 级 一 致 在等级 2 3和4中 主要是通过电路结构上 的设计来达到对安全功能 的要求 在设计 电路时 应采用工作极其安全可靠 的元器件 可 以不考虑 这种元器件本 身故 障发生 的可能性 目前 绝大 多数的工业机器都应使用等级 3或 4的安全保护措 施 特别是 一些极其危险 的工业机器 如切 纸机 械 冲压机械 注 塑机械等 必须使用 等级 4的 安全保护措施 表 2 安全等级的类别 类别 不适用于任 要 求 概 要 系 统 响 应 安全实现原则 何特定等级 控制器的安全相关性部件 和 或它们的 保护装置 以及它们的部件都应依据适用 故障的出现会造成安全功能 主要特点在于部件的 B 标准而设计 制造 选择 组装 和组合 丧失 选型 以此减少预期的外部影响 需满足 B类的要求 亦应实施经验证的 故障的出现会造成安全功能 1 丧 失 但 它 的 出现 概 率小 于 部件和安全原则 B类 需满足 B项的要求 亦应实施经验证 的 在 2次定期测试之 间如出现 2 安全原则 机器控制系统需对这些安全功 故障 则将导致安全功能丧失 能进行定期测试 而这一情况将被该测试检测到 需满足 B项 的要求 亦应实施经验证的 单一故障出现时 机器将 始 安全原则 此外 还需实施安全相关性部 终保持安全功能 此时将检测 3 件 以防其中任何部件的单一故障造成安 到一些 而非所有故障 而未 主要特点在于系统结构 全功能丧失 并尽量在合理 的可行范 围内 检测到的故障经过积累也可导 检测独立故障 致安全功能丧失 需满足 B项 的要求 亦应实施经验证的 安全原则 此外 还需实施安全相关性部 件 以防其中任何部件的单一故障造成安 故 障出现时 机器将始终保 4 全功能丧失 并在下一个安全功能激活之 持安全功能 可实现故障的早 前或激活期间检测独立故障 而且 即使 期检测 以防安全功能丧失 无法实现上述 目的 积累的故 障也不会造 成安全功能丧失 起重运输机械 2 0 1 3 6 一3 一 全球各 国针对安全 的要求 日益提高 欧洲 自 1 9 3 3年开始施 行欧洲 统一 规格 E N规格 E N 规格是为用来 制定 欧洲境 内有关机器基本 安全之 技术准则 而 自 1 9 9 5年起 此项规格 已成为 C E 认证的必要条件 其 中的安全概念也 已导入 为国 际标准 I S 01 2 1 0 0国际基本安全规格 中 而其 中有 关紧急开关的动作保护装置更是机器安全 防护重 要的一环 而 正可以利用安全继 电器模块 的安全 保护装置 让 紧急停止有双 回路保护及复归 时手 动确认功能 来预防因机器操作人员 的犯错 或是 机器故障所引起的危险事项 4 实例分析 以西门子 的安全继 电器 产品为例 图 3是输 入信号为单一 动作信号 时的应用 例如起重 机上 的 运行禁止 信号 图 3 输入信号为单一动作信号时的应用 图4是输入信号为同时动作的 2个信号时的应 用 例如起重机上的 紧停按钮 信号 图4 输入信号为同时动作的2 个信号时的应用 图5是输入信号为同时动作的 2个信号时 输 出信号 比较多 扩展模块 的应用 例 如起重机上 的 紧停按钮 信号 需要去控制 比较多 的下游 接触器 图5中右下角的 K 4 K 5 K 6 图5 输入信号为同时动作的2 个信号时 扩展模块的应用 图6 是输入信号为同时动作的2 个信号时 而 输 出信号需要延时断开 的应用 例 如 起重机上 的 紧停按钮 信号需要去控制驱动器 主回路的 主接触器 由于主接触器不宜 带载进行分断操作 需要增加延时断开 l I 图 6 输人信号为同时动作 的 2个信号时 需要延 时断开 的应用 图7是输入信号为同时动作的2个信号时的应 用 输人的信号可以是按钮 也可以是限位等外 部信号 必须为干触点 通过分析多种应用情 况可 以看 出 不管有多 少个输入信号 只需要不断地沿着 Y 1 1 一Y 1 2 一 Y 2 1 一Y 2 2的方 向串联 都 能达到 相 同的安全等 起重运输机械 2 0 1 3 6 图 7 输入信号为同时动作的2个信号时的应用 级 故障复位部分 只需要不断 的沿着 Y 3 3 一Y 3 4 的方 向 将常 闭的反馈 信号 串联起来 就能 达到 故障 自锁保持 手动复位的安全等级 见 图 8 图 8 输人信号的扩展 5 具体项目应用 以上海振华重工 集 团 股份有限公 司 自主 设计制造 的德 国岸边起 重机项 目为例 分析安全 继 电器在岸边起重 机上的实际应用 德 国岸边起 重机项 目安全继 电器使用配置见表 3 由配置清单 可见 在起重 机控制系 统 中 所 有 的 紧停 控 制 回 路 使 用 了 西 门子 安 全 继 电器 3 T K 2 8 2 5 1 A L 2 0 扩展模块 3 T K 2 8 3 0 1 A L 2 0的 组合形式 如图 9紧停按钮回路 图 1 0起 升紧急停车 回 路 达到的 E N 9 5 4 1 中的最高类别 4级 保 证了起重机紧急停车 回路 的安全 可靠 同时复位 回路采用 了手动复位启动检测的设计 保证了在故 起重运输机械 2 0 1 3 6 表 3安全继 电器使用配置 安全继电器 扩展模块 手 自动 型号 复位 3 T K 2 8 2 5 3 T K 2 8 3 0一 紧停控制回路 手动复位 1 AI 一 2 O lAL 2 0 3 T K 2 8 2 5 3 T K 2 8 3 0 起升紧停回路 手动复位 1 AL 2 0 1 AI 20 3 T K 2 8 2 5 3 T K 2 8 3 0一 俯仰紧停回路 手动复位 1 AI 20 lAL 2 0 3 T K 2 8 2 5 3 T K 2 8 3 0 小车紧停回路 手动复位 1 AL 2 0 1 AI 20 起升超速回路 3 T K 2 8 2 4 1 A L 2 0 无 自动复位 起升超程回路 3 T K 2 8 2 4 1 A L 2 O 无 自动复位 起升挂舱回路 3 T K 2 8 2 4一lA I 2 O 无 自动复位 俯仰超速回路 3 T K 2 8 2 4 1 A L 2 0 无 自动复位 俯仰超程回路 3 T K 2 8 2 4 1 A I 2 O 无 自动复位 小车超程回路 3 T K 2 8 2 4一lA L 2 0 无 自动复位 札 0申 一 I 2 申 8 3 0 一 I A L 2 0 譬 一 平 图 9 紧停 按钮 回路 f 一一6 J A1 一 8 申 3 0 1 A L 2 0 图 lO 起升紧急停 车 回路 障发生后 安全继 电器 状态 的 自保持 只有通过 专业检测 人员排除相关故 障后复位 才能将安全 继电器复 位到正常状态 这加强 了紧停 回路 的安 全 从根本上杜绝了由于常规继电器故障 外部 一 5 一 短路等紧停 回路器件故 障而造成 的起重机无法停 止的事件 发生 最大程度地保证 了机上相关人员 及设备的安全 同时 各机 构的 紧停 回路 超 程 回路 挂舱 回路 和 超 速 回 路 使 用 了 西 门子 安 全 继 电 器 3 T K 2 8 2 4 1 A L 2 0的形 式 达 到 了 E N 9 5 4 1 中的类别 2级 以俯 仰超速 回路 和超程 回路为例 图1 1 由于这些分机构相关停止回路限位对于 各机构控制系统而言非常重要 关 系到起升 小 车 大车机构停车 回路 的正 常工作 所 以同样采 用了安全继 电器 的设计标准 同时 由于这些外 部限位的需要在动作后 自动复位 结合相关 的工 况 采用 了 自动复位启动检测 的设计 保证 了限 位状态的及时反馈 各个机构 的停车 回路分别 串 人对应的各个机构紧急停车 回路 以保证机构 紧 急停车 回路 的正常动作 保证机上相关人员及设 备的安全 3 T K2 8 2 4 l 幸i 3 T K 2 8 2 4 l A 显 图 l1 俯仰超速回路和超程回路 6与普通继电器的对比 安全继电器停止控制 回路和 常规继 电器起 重 机紧停控制 回路 的优缺点 比较见表 4 图 1 2是常 规继电器用于紧停 回路的控制 表 4 优缺点 比较 优 点 缺 点 控制回路安全可靠 最大程度了保证了设备的安全性 控制回路相对复杂 对维修人员有较高的要求 安全继 从硬件回路和软件回路分别接线提高了设备的安全性 电器控 符合相关国际安全标准强制要求规范 对控制回路设计要求较高 制 回路 控制回路采用串并联相结合 的模式 分担了由于器件 器件价格成本相对较高 问题产生安全事故的隐患 控制回路的可靠性不够 容易发生由于器件烧熔 等器件故障导致的安全事故 控制回路简单 常规继 由于软硬件的控制触点都从常规继电器引出 容 电器控 易发生不同电压等级混用的情况 制回路 不完全符合相关国际安全标准强制要求规范 器件价格成本低 控制 回路采用串接模块 容易 产生 由于 电压 压 降 和器件故障使控制回路无法正常工作的情况 R三 l 一 一 一 一 图 l2 常规继电器用于紧停回路的控制 一 6 一 图 1 3是常规继电器用于机构停止回路 的控制 如 运行禁止 皿 图 l3 常规继电器用于机构停止回路的控制 起重运输机械 2 0 1 3 l6 图 1 4是常规继 电器用于机构保护性 限位 回路 的控制 如超速开关 极限限位等 BOOM B00M U P B00M DOWN OVE RS P EE D OVER TR AVE OVE RT RA VEL R EL AY RE LA Y R EL AY 图 1 4 常规继电器用于机构保护性限位回路的控制 根据 图 l2常规 继 电器 紧停 按 钮 控 制 回路 图 1 3常规继 电器起升 紧停控 制 回路 图 l4常规 继 电器起升超速 超 程控制 回路 以及 图 8安全 继 电器紧停按钮 回路的接线说 明 图 9安全继 电 器起升紧 急停 车 回路 图 l0安 全继 电器俯 仰超 速 回路 超程 回路 的 比较后得 出了比较结果 详 见表 4 根据以上分 析不难得 出 安全 继 电器具有 安 全可靠 符合标准规范等优点 虽然其控制回路 设计复 杂 对 设计及 维 修人员 要求 较 高 但 是 随着安全继 电器的推广使用 以及相关人员熟悉程 度的提高 这些问题也会得到相应 的解决 同时 由于在设备生产使用中 对于安全要求的不断提 高 安全继 电器逐 步的推广使用必将得到市场 的 广泛认可 7 总结 由于 目前安全继 电器产 品在技术上 比较成熟 产品功能的标准化 应用场合的多样化 安全继 电器等安全设 备 已经普及 到众多行业 的设计标 准 中 进入2 0 1 3 年 随着中国经济形势和出口形势 的恢复 随着 安全继电器 的下游 应用行业 比如 港口 起重 机械制造和汽车等行业将会实现的 高速增长 安全继电器也将被更广泛的应用 作 者 费