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安全元件在新沖壓線上的應用

知識百科

          建于20世紀八九十年代的老沖壓生產線 ， 基本全都是采用人工手動操作 ， 人身及設備安全得不到充分的保障 。 為適應越來越高的產能需求 ， 上汽通用五菱（SGMW）于2006年在柳州工廠新建了一條自動化沖壓線 。 該沖壓線由1臺22500kN、3臺10000kN的壓力機以及7臺自動化機械手組成 。 整線長約80m ， 寬約20m ， 地面上高度約11m ， 地下深度約6.5m 。 這是一個具備最高安全等級的沖壓車間 ， 應用了很多典型的安全元件和系統 。 而在青島分公司的生產建設上 ， 我們還引入安全PLC和安全I/O 。
雙手按鈕——將危險制約在源頭的設計理念
雙手按鈕主要用來控制壓機的滑塊運動 。 在生產線調試階段或者手動運行壓力機時 ， 需要使用雙手按鈕進行操作 。
 
生產的初始階段 ， 由于產品質量及人員培訓等方面的制約 ， 安全生產得不到有效和嚴格的實施 。 很多操作人員為了圖方便 ， 往往采取各種各樣的“詭詐”手段 。 例如 ， 將其中一個按鈕固定閉合 ， 只操作另一個按鈕 ， 另一只手用來輸送板料等 ， 這種操作方式存在著較大的安全隱患 。 為避免這種情況 ， 項目技術人員從多年的項目運作及生產中總結出經驗教訓 ， 認識到設備的選型是關鍵 。
基于這個出發點 ， 在選擇雙手按鈕時我們選擇了羅克韋爾800P-F2CAV系列的產品 ， 而不是簡單地選用兩個按鈕進行組合 。 該系列的雙手按鈕不僅具有特殊的殼體結構設計 ， 而且配套采用安全監控模塊（又稱安全繼電器） ， 組成一個安全的雙手控制系統（見圖2） 。 在危險場所 ， 特別是手工送料的機器、沖壓設備以及帶切割刀具的機器等 ， 只有在雙手按鈕同時按下去 ， 并且時間差應該不小于0.5s時 ， 裝置才進行有效操作；如果時間差超過0.5s ， 必須兩個手都松開后才可以再次使用 ， 從而確保操作人員的雙手離開危險區域 ， 免受傷害 。
 
雙手按鈕的2個常開和2個常閉總共4個信號觸點連接到安全監控模塊 ， 由安全監控模塊對雙手按鈕的狀態進行判斷 。 當且僅當兩個按鈕在0.5s內同時按下時 ， 安全監控模塊才會有輸出 ， 該系統才能夠啟動機器動作；任何一個觸點的故障 ， 均可以被監控判斷；當任何一只手離開按鈕 ， 安全裝置就立刻停止輸出 ， 切斷動力源 ， 從而實現人員保護的目的 。 任何一只按鈕的提前或推遲工作 ， 都不會出現危險（見圖3） 。
 
切斷危險的源頭 ， 避免任何誤操作可能帶來的風險 ， 是項目技術管理的重要原則 。 雙手按鈕的這種操作理念同樣也適用在寸動、微調等運行模式上：同時按下按鈕 ， 壓機動作；同時釋放 ， 壓機停止；若一只手突然釋放 ， 壓機急停 。
安全保護系統MPS——安全生產及維護兼顧的設計理念
從手動線到自動線的過渡 ， 從簡單的人力生產到高度自動化的飛躍 ， 絕非一朝一夕之功 。 在自動線設計之初 ， 考慮到安全與生產的同時維護需求 ， 我們引入了MPS能量控制理念 。 MPS即能量監控及鎖定系統 ， 現場的MPS操作盒如圖4所示 。
首先 ， 我們將壓力機所涉及的動作分為主要動作和次要動作 。 所謂的主要動作即可能引起人身重傷或死亡的動作 ， 如壓力機滑塊的下壓動作和機器人的軌跡運動等 。 次要動作即對人身傷害輕微或不構成傷害的動作 ， 如氣閥的動作、機器人真空吸盤的動作等 。 通過控制主、次要動作的電源或邏輯程序以期達到安全的目的 。
引入MPS能量監控系統后 ， 無論是在生產節拍提升亦或是在人員保護上都有明顯的改善 。 操作人員想進入模腔區域 ， 它就必須將主要動作禁止 。 在沖壓自動生產線上 ， 它就意味著選擇POS1（位置1 ， 見圖4）停止滑塊動作 ， 打開柵欄門 ， 鎖定機器人動作 ， 關閉廢料門 ， 安全指示燈亮（圖4所示綠色柱燈）后 ， 方可進入區域執行維修任務 。
 
例如 ， 當生產時間過長時 ， 模腔中就會有金屬屑粘在模具上 ， 即便是這些小的金屬屑也是生產質量所不允許的 。 傳統的解決方法是 ， 停止生產線或停止壓力機 ， 操作人員進入壓力機模腔 ， 將金屬屑清除干凈 ， 然后重新啟動壓力機 ， 恢復生產 。 這樣做確實是出于對安全的考慮 ， 但是對于400多千瓦的主電機來說 ， 多次重啟不僅影響使用壽命 ， 而且耗費生產時間 。
在此 ， 我們對SGMW柳州自動化沖壓線改造前后的生產數據進行對比 。 X月份停線數據：30次/班 ， 每次3min ， 清潔模腔的時間占到一半 ， 大概十幾次左右；按每班約17次用于清潔模腔 ， 若停主電機 ， 所需時間：3×17=51min；引入MPS改造后 ， 若不停主電機 ， 清潔模腔所需時間：1×17=17min；每班節約時間：51-17=34min；每天三班共節約時間：34×3=102min 。
在汽車生產廠 ， 一個小時可能就意味著70臺車 ， 僅僅清潔模腔一項就節約生產時間將近兩個小時 ， 極大地提高了產能 。
若要選擇執行其他MPS任務 ， 如示教機器人等 ， 也可以選擇使用POS2（位置2）、POS3（位置3）等 。 當然 ， 也可以配合使用其他的狀態顯示屏 ， 如滑塊鎖緊顯示LED板 。 通過這種直觀的安全狀態顯示 ， 更好地保障了進入危險區域的人員的安全性 。
安全PLC及I/O模塊——引入最先進的安全控制產品的設計理念
2007年是SGMW進行安全設備升級的一年 ， 這在青島分公司的生產線建設上得到了完美體現 。 與柳州生產線不同 ， 由于安全PLC和安全I/O的引入 ， 安全繼電器由于其繁瑣的接線及安裝幾乎在一夜間就被淘汰了 。
以AB的安全PLC為例 ， 安全PLC系列logix5561&5562通常都會有一個安全的伴侶Logix55LSP ， 該類型的PLC既可以連接安全I/O ， 又可以連接普通的非安全等級的I/O ， 如西門子的IP20 。 與AB的常規產品不同 ， 安全PLC是具備特定SIL等級的安全控制器 ， 它利用各種水平的冗余機構 ， 提供給系統以整體安全性 。 其安全控制架構如圖5所示 。
 
PLC安全系統包括安全I/O ， 它幫助我們從柳州項目中硬接線安全繼電器的傳統方式中解脫出來 ， 取而代之的是更為靈活 ， 能夠實現編程功能的控制器 。 青島項目就是通過采用安全網絡DNET和ENET ， 將安全I/O進行分布配置 ， 不但節省了布線、安裝成本和項目時間 ， 而且確保標準控制系統和人機界面隨時獲取診斷信息 。 智能化的安全I/O模塊和傳統的I/O模塊根本的不同點在于安全I/O能夠自行監控接入其中的安全回路 ， 實現了現場設備Field級別的診斷功能 。
安全I/O的輸出端帶有的測試脈沖能在外部的輸入回路接通時進行內部回路檢測 。 使用這種功能 ， 當兩個輸入之間或者輸入和電源（＋）之間發生短路時 ， 安全I/O模塊就能夠自行檢測得到 。 比如 ， 當模塊有輸出時 ， 在每個周期為648 ms時 ， 測試脈沖能夠自動斷開470us；當檢測到有故障時 ， 輸出數據和輸出的安全狀態指示自動斷開 。 安全測試脈沖如圖6所示 。
【安全元件在新沖壓線上的應用】該配套安全系統所帶有的程序鎖定功能 ， 更是方便了項目結束后的程序管理 。 當編程結束 ， 設備調試完畢后 ， 技術人員可以對完成的程序進行鎖定 ， 只有擁有管理權限的人才可以通過密碼保護進行必要的程序修改和維護 ， 結束了一個維修工和一臺電腦修改生產程序的時代 。
 
結語
使用安全的元器件保障生產安全 ， 不僅是為了避免造成人身傷害和財產損害 ， 更是為了保證生產經營活動的順利進行 ， 對防止和減少生產安全事故 ， 促進制造業的健康發展具有積極的意義 。
在此 ， 我們只介紹了雙手按鈕、安全保護系統MPS以及安全PLC及I/O模塊 。 除此之外 ， 沖壓生產線上還應用了很多的安全元件和系統 ， 如急停按鈕、安全地毯和安全光幕等 。 在實際生產中 ， 這些安全產品在保護人身和設備安全方面所起的作用不可估量 。