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通信技术

机械制造业控制系统的安全自动化技术和应用

点击: 57    发布时间: 2021-01-04 10:57

第一章  绪论

安全,按照一般的概念,就是没有危险、不受威胁,不出事故。如果这样来定义的话,安全是不可控制的,因为这是一个绝对安全的概念,而绝对的安全是不存在的。所以,在IEC 61508中,给安全做了如下的定义,安全是不存在不可以接受的风险[fll这样,安全问题就转化为风险问题。如此一来,安全就是可以控制的了,因为风险是可控的。

机械的安全性就是机械安全使用说明书规定的预定使用条件下执行其功能和在运输、安装、调整、拆卸和处理时不产生伤害或危害健康的能力。

任何一台机械都有风险,会导致危险。这些风险和危险都会导致事故的发生、对人员造成伤害。分析表明,事故的发生主要与人的不安全行为和物的不安全状态两个因素有关。人的不安全行为是指人的违章、违规操作。而物的不安全状态则是指机械本身的安全失效,诸如安全防护失效、控制系统中的相关安全部件失效、机械制造结构不合理等。我们可以通过严格的生产规章制度、安全培训、采用安全劳防用具等手段来减少人的不安全行为。物的不安全状态则可以通过合理的设计、正确的风险评估与分析、安全自动化控制系统的正确实施等措施来消除。

在国内,当发生一起事故的时候,人们往往关注的是人的不安全行为,很少去考虑机械本身的不安全状态。一台安全的机械,甚至是在发生人的不安全行为的时候,也不会导致事故的发生。有这样一个真实的事故,发生在某纸包装有限公司的平压压痕切线机操作线上。切线机的压架和压板有如一张硕大的“虎口”开开合合,不断吐出压制好的包装纸。在操作工程中,恰好有纸掉入压架合压板之间。一个操作员工急忙踩住机器脚刹,探身把头和手一起伸入机器里进行调整。但是该员工穿的是凉托,导致脚下打滑,松开了制动的脚刹,致使压架上翻,头部和右手同时被切线机压住。该员工最终丧命“虎口”。当对这个事故进行分析的时候,人们往往关注的是操作人员的违章操作的不安全行为。如果,我们采用了正确的、合理的安全控制系统(如安全栅栏或者安全光电保护装置和安全控制装置),这起事故就不会发生。

当我们能够关注机械本身的安全性能的时候,其安全功能应该由安全自动化控制系统来实现。安全控制系统的正确设计会影响到机械的安全性能。以我们日常生活中最常见的电梯为例,这台机械就会导致轿箱门或层门夹人的危险。当乘客被门夹住,而电梯启动运行的话,危险事故将会发生。为了保护人员安全,必须控制并降低风险。因而,电梯生产商通常采用了光电开关或门限位开关感应乘客所处的位置,并通过机械式门开关判断门是否关闭。如乘客被夹或站立于轿箱和楼层之间,并且导致门无法关闭,光电开关或限位开关信号以及机械式门开关会将信号传至控制系统,控制系统则不会使电梯运行。通过这些安全功能的实现,从表面看来风险被降低了,危险被消除了。但是,风险是否被降得足够低是我们需要考虑得问题。因为很多时候我们都会忽略整个控制系统中的风险。这些风险包括诸如触点粘连[[4]、电缆短路等。这些故障是由开关信号、控制模块或触发装置失效导致的功能失效,从而导致危险的出现。所以,安全控制系统的可靠性是衡量该台机械是否符合安全要求的重要依据。本文就对机械的安全自动化控制系统加以分析。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章  安全控制系统概念

 

2.1何为安全控制系统

所谓的安全(控制)系统,是在开车、停车、出现工艺扰动以及正常维护、操作期间对生产装置提供安全保护。一旦当工厂装置本身出现危险,或由于人为原因而导致危险时,系统立即做出反应并输出正确信号,使装置安全停车,以阻止危险的发生或事故的扩散。它包括了现场的安全信号,如紧急停止信号、安全进入信号、阀反馈信号、液位信号等,逻辑控制单元和输出控制单元。无论在机械制造领域还是在流程化工领域,安全控制系统是整个系统运转中不可或缺的一部分。

常见的安全输入设备包括由紧急停止设备、安全进入装置(安全门开关或联锁装置)、安全光电设备(安全光幕、安全光栅、安全扫描仪)。安全逻辑部分常采用安全继电器、安全PLC和安全总线系统。

2.2安全逻辑控制设备

逻辑控制设备是整个安全控制系统中最重要的一部分。它需要接收安全信号,进行逻辑分析,可靠的进行安全输出控制。现代自动化安全控制领域中,安全系统的控制元器件有安全继电器、安全Plc和安全总线控制系统。

2.2.1安全继电器

安全继电器,或者称为安全继电器模块,是最简单的安全逻辑控制元器件。其特点是采用了冗余的输出控制和自我检测的功能,实现了对输出负载的可靠控制。

2.2.2安全可编程控制器

安全可编程控制器采用了多套中央处理器进行控制,并且这些处理器来自不同的生产商。这样的控制方式符合了冗余、多样性控制的要求。这是安全PLC与普通PLC最根本的区别。当一定数量的处理器出现故障后,完好的处理器依然执行安全功能,切断所有安全输出使系统停机。导致系统停机的处理器的故障数量取决于不同的系统。如,1002系统((21的系统),一旦一个处理器出现故障,系统立刻进入故障安全状态;又如,2003系统((32的系统),当一个处理器出现故障,系统并不会停机。系统只有在2个处理器同时出现故障的情况下才会导致系统停机。前者我们通常成为2重冗余系统,安全可靠性较高、可用性较低;后者我们通常成为3重冗余系统,其安全可靠性和可用性较高,但相比前者成本高。