基于GB27607机械压力机电气安全系统的集成控制.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 5 0 6 0 0 7 7 0 2 基于 GB 2 7 6 0 7机械压力机电气安全系统的集成控制 邵 光存 李 海 明 杨帅 王 学军 郭来平 z 姜新 军 1 济 宁科 力 光 电产业 有 限责任 公 司 山东济宁 2 7 2 0 0 0 2 济 南铸造锻 压 机械 研 究所 有 限公 司 山东济 南 2 5 0 3 0 6 摘 要 随着 社 会发 展和 进 步 国家对 安全 生 产 的重视 程度 和 要 求越 来越 高 2 0 1 1年 GB 2 7 6 0 7机 械压 力 机 的安全 技 术要 求 出台 本 文依 据 国家标 准 研 究 一种 集 成控 制 系统 监 控机 械压 力机 的安全相 关设 备 为压 力机 制 造 商提供 一 种安全 的控制 方案 提高 压机 安全 性 保 护 操作 者人 身 安全 实现 安全 生产 该集 成控 制 系 统 的 功 能 安 全 满 足 I E C 6 1 5 0 8的 S I L 3和 I S O 1 3 8 4 9的 P L e 关键 词 机械 压力 机 电气安全 系统 G B 2 7 6 0 7 集 成控 制 系统 安全 生产 功 能安全 中 图 分 类 号 T H1 8 8 2 TG3 1 5 5 文 献 标 识 码 B DOI 1 0 1 6 3 1 6 0 is s n 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 5 0 6 0 2 1 机械 压力 机是 用 曲柄 连杆 或肘 杆机 构 凸轮机 构 螺 杆机 构传 动 的锻压 机 械 通 过对 坯 件施 加 强大 的压 力使 其发 生 变形 和断 裂来加 工 零件 是 机 械工 业 中量大 面广 的工 作母 机 具 有生 产效 率 高 易 于实 现机 械化 自动化 等特 点 同时 机 械压 力机 操 作 时 存 在 冲压 挤 压 等危 险 因素 如 果 在设 计 制 造 和操 作过 程 中 风 险评 估不 充 分或安 全 措施 不够 全 面 将 给操 作 者带来 巨大伤 害 1我 国 机 械 压 力 机 安 全 生 产 现 状 为 保 障操作 者人 身安 全 2 0 1 1年 GB 2 7 6 0 7机 械 压力 机 安全 技术 要求 标准 发 布 标准 从压 力机 设计 工作 危 险 区域 防 护 控 制 系统 维 保 和 其他 危 险 等 5 个 方 面 提 出机械 压 力机 的基 本安 全 要求 但 2 01 4 年 国家公 布 的机械 压 力 机 产 品 质量 监 督抽 查 结 果 参 与抽 查 的 6 0家企 业 6 0批 次产 品 竟 然 发现 5 1家 企 业生 产 的 5 1批次 产 品不符 合标 准要 求 2 3 分 析其 中原 因 主要 是 企业 和操 作者 对 安全 生 产 的重 视 程 度 或对 功 能 安 全 的理 解 不 充 分 早 在 1 9 9 6年美 国率 先 实 施 过 程 5 1 2 业 仪 表 系 统 的安 全 标 准 2 0 0 0年 国 际 电工 委员 发 布 了功能 安 全 标 准 I EC 6 1 5 0 8 2 0 0 3年发 布 了适用 于石 油 化工 等 过 程2 1 2 业 的标 准 I EC 6 1 5 1 1 并 成为美 国国家 标准 我 国直到 2 0 0 6年才 等 同采 用 I E C 6 1 5 0 8和 I E C 6 1 5 1 1 发 布 国家 标 准 GB T 2 0 4 3 8 和 GB T 2 1 1 0 9 仅 为 推荐 性 标 准 而非 强制 性标 准 且 尚未发 布 与标 准相 应 的应 用指 南 或指令 某 种程 度 上 限制 了功能 安全 标 准在 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 9 作 者简介 邵光存 1 9 8 2 一 男 工程师 从事机械 安全 防护相关领域 研究 我 国的实施 步 伐 本 文基 于 国情 和 GB 2 7 6 0 7的安 全要 求 按 照功 能 安 全理 念 从 风 险评估 安 全 完整 性 等 级和 安全 生命 周期 三方 面 提供 一个 经 济可靠 的机 械压力 机 安全保 护 方案 2控 制 系 统 设 计 方 案 用 于机 械 压力 机 电气 安 全 的控 制 系统 采 用 I S O 1 3 8 4 9 1指定 的 4类结 构 两独 立输入 单元采 用冗 余 方式接 收外部设 备信号 两控制 单元独 立进行 逻辑处 理 分 别输 出控 制信号 图 1 急停 安全光 幕 双手 按钮 等安全相关 功能部 件的工 作状态 通过输入 电路 传 送 到控 制 单 元 控 制 单 元根 据 压 力 机特 性 和 G B 2 7 6 0 7的要 求 采 用失 效断 言技术 判 断安全 设备 的状 态 输 出安全 控 制信 号 控 制 双联 阀和 急停 工作 并检 测受 控设 备 的状 态 防止机 床发生危 险失效 安 全设 备 的工作状 态 通 过安 全输 出控制 机床运 行 控 制单元 由主控制 核和从 控制 核组 成 两控 制 核 组成 功能 相 同的双核 系统 每个 控制 核包 括控 制 模 块 输入模 块 功 能模 块 输 出模 块 测 试模 块 和 内 核通信 模块 6部分 如 图 2所 示 主控制 用于检 测 主控制 核输 出 的测 试信 号 两控制核 配合工作 采用 I S 01 3 8 4 9中性能 等级 P L e推 荐 的技术 将 外部 压力 机 安 全设 备 机 床 电气 布线 控制 系统输入 电路和控 制核组成 闭环 的输 入信 号链 控 制核与控 制系统输 出电路 和压 力机安全 控制 从控制 图 2 F P G A内部功能结构框图 2 1 1 主控 制核设 计 方案 主控制 核产 生系 统的工 作指 令 控 制外 围电路 输 出周期性 检测信 号 检测 外部设 备和 机 床 电气 的 布线状 态 形 成 闭合 的检测信 号链 根 据返 回的检 测 信号 和设备 特性 判断 压力机 的安 全状 态 控 制压 力 机制 动 电路 工作 防止 发生 冲压危 险 主核控 制模块产生 系统工作指令 协调 内部各模 块 工作 测试模 块接收工 作指令 依次输 出外 部和 内 部 测试信号 逐 点检测外 部设备 和内部 电路 的工作状 态 形成控制 核 压力机 安全设备 布线和控 制系统 内 部 电路 的闭环信 号链 输入 模块根据测试信 号依次判 断每个输入信号 的正确性 将输人 信号状态发 送到功 能模块 功能模块根据 每个 压力机设备 的特性处理输 入 信号 如 根据 G B F F 1 9 6 7 1中 l l I C类 型处理 双手装 置 的功 能逻 辑 监 控双 手信 号 的一 致性 采 用失效 断 言技术 判断 双手 装置 的启动 条件 对 于安 全光 幕信 号 检 测输入 信 号安全 性 的同时 结合 压力 机工 作状 态 处 理安全 光幕 信号 压力 机 回程期 间 启 动安 全光 幕 抑制功能 上死 点位置启 动安全光 幕 的 自动复位功 能 在保证安全 的前提 下提高压力 机工作效 率 输 出 模 块根据功 能模 块处理结 果 控制外 部开关装 置 的工 作 状态 并在 控制 信号 中调制 动态 检测 信号 周期 性 检 测外部开关装 置 的受控 状态 形成 输 出和反馈 的 闭 合 信号链 内核 通信模块 将主控制 核的指令 信息 输 入 信 号状态 输入 设备 处理 状态 输 出状态 和故 障检 测状 态等信息实 时发送 到从控制核 接收从控 制核发 部 件 组 成 闭环 的输 出信 号 链 两控制 核之 间采 用失效 断 言技 术和 动态检 测方 法 形 成 闭环 监控信 号链 两 控制核 组成 独 立 的双通道 对 每个安 全输 出 可 控 可 寻 址 通 过 两 核 之 间 的 动态 监控 实现 l o o 2 D结构 控 制核设计 过程 中 采用功 能安全标准 强烈推荐 的模块 化方法 和半形式4 ET y 等措施圈 保 障系统安全 2 2输 入单 元设计 方案 输 入 单元 采 用光 电隔 离方 式 并行 接 收 急停 安 全 门 光幕 凸轮 超 程 模 式 双 手 等安 全设 备 的状 态信 号 将 外部 设备 状态转 换 为 内部 逻辑 电平 后 内 部检 测 电路按 照测试 模块 的输 出时 序 逐 路 检测输 入 电路 的正确性 通过 外部 测试 和 内部 检测 方式 动 态监 控压 力机设 备 和输入 电路 的合 法性 采 用冗余 方式 将每 个输入 信 号分别 发送 到两控 制核 2 3 输 出单 元设计 方 案 输 出电路采 用推 挽结 构输 出控 制信 号 利用 开 关管 交越 特性反 馈输 出 电路 的工 作 状态 通 过交 越 特性 反馈 输 出状 态 可有 效避 免 电路故 障引 起调 制 和反 馈信 号短路 导致 的危 险失效 两控 制核 独立 控 制输 出单元 的工 作状 态 依次输 出每个输 出通道 的 活性 检测 信号 交越 产生 的反馈 信 号依 次输 出 到两 控制 核 两控制 核采 用失 效断 言技术 判 断反 馈信 号 的正 确性 为满足 P L e系统 的要求 采 用动态 检测 技 术监 控每个 输 出通道 的状 态 同时 采用 双通 道输 出 急 停 安全 阀 等 安全 控 制 设 备 的 驱 动信 号 通 过 E DM 功 能监控 安 全 阀等设 备 的开关 状 态 实 现输 出 控制 的 闭环监控 3结 语 本 文 设 计 的安 全 控 制 系统 将 急 停 光 幕 双 联 阀 等机械压力 机所有 电气安全 相关部件集 成控制 根据 压力机控制 系统 的工 作指令完 成 冲压工 作 保证 压力 机原有 工作特性 的基础上 对压力机 的安全输入 设备 和安全控 制设备进行 闭环监控 实现危 险操作 区域 的 全 方位 防护 使 机 械压 力 机 电气 控 制 系统 满 足 GB 2 7 6 0 7的安全要求 安全控 制系统性能 等级达到 P L e 安全完整性 等级为 S I L 3 获得 国际和 国家权威机 构 的 文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 21 2 0 1 5 0 6 0 0 7 9 0 4 PRoF I NET 总 线 技 术 在 西 门子 TI A 博 途 软 件 中 的 应 用 王斌 曲杰 张 国旭 张明 王宁 朱煜 济 南铸 造锻 压机 械研 究所有 限公 司 山东济 南 2 5 0 3 0 6 摘要 P ROF I NE T总线 技术是 P ROF I BUS国际组 织创 新 的基 于工 业 以太 网的开 放标 准 同时也 可 以采 用 网关结 构来 集 成 P r o fi b u s设备 到 T 业 以太 网上来 降低 了产 品升级 的成 本 此技 术 的 出现标 志 着现 场 总线 技 术 有 了重 大革 新 本 文 结合 S I MAT I C s 7 1 2 0 0 P L C和 S I NAMI C S 1 2 0驱 动 系统 详 细 阐述 了 P ROF I NET总 线技 术在 T I A博 途软 件 中的应 用 关 键 词 P ROF I NE T T I A博途 S 7 1 2 0 0 P L C S 1 2 0驱 动 系统 中图 分类 号 T P 3 3 6 文 献标识 码 B DOI 1 0 1 6 3 1 6 j is s n 1 6 7 2 01 2 1 2 01 5 0 6 0 2 2 0前 言 P ROF I NE T 由 P ROF I B US国 际 组 织 P ROF I BUS I n t e ma t io n a l P I 推 出 是 新 一代 基 于 工业 以太 网 技 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 0 作者简介 王斌 1 9 8 8 一 男 助 理工程师 从事电气系统设计研发 术 的 自动 化 总线标 准 用 于实现 工业 以太 网的集 成 和一 体化 的 自动控 制解 决方 案 它可 以应 用 在基 于 工业 以太 网通 信 的分散 式 的现 场级设 备 和需 要苛 求 时 间 的应 用集 成 以及 基 于组件 的分 布 式 自动化 系 统 集 成 中 P ROF I NE T是 一 种 基 于 工 业 以 太 网 的 自 动化 通信 系 统 也 是一 套全 面 的 以太 网标 准 可 以在 功能安 全认证 系统 的诊 断覆盖 率 DC 9 9 9 9 危险 失 效概率 P F H 1 1 5 x l O s 单 通 道危 险失 效 时间 MT T F a 8 3 6年 其 功能 特性 和安全 特性 都达 到世界 先进 水 平 安全输 出电路 部分获得 国家发 明专利 同时 本 文设 计 的安全控制 系统立 足 国情 在提 高机械 压力机 电气系统 安全性 的 同时 实现标 准化 生产 节 约成本 促 进工业 安全 和功 能安全 事业发展 参 考文 献 1 郭来平 周 敏 机械压力机安全生产现状及应对策略 J J 现代职 业安全 2 0 0 6 6 3 1 1 8 2 8 3 2 机械压力机产品质量国家监督抽