安全控制在锻造压机上的应用

文/丁耀林，韩泓·太原重型机械(集团)有限公司技术中心

安全控制在锻造压机上的应用

文/丁耀林，韩泓·太原重型机械(集团)有限公司技术中心

锻造压机具有液压动力系统传动平稳可靠，速度、行程与温度等参数控制精度高，在有效工作行程内锻造频次高等优点，在不同材质的锻件成形中得到广泛的应用。近年来快速锻造液压机和自由锻造液压机得到快速发展，因此，对液压和电气的自动化控制水平也提出了更高的要求。

随着电子技术的快速发展，各种安全控制系统已经开始应用在生产制造行业，为实现高效的工业自动化提供了更为便利的条件。在发达国家，工业设备上已经普遍使用各种安全控制系统。欧美国家的设备，一般都具有较高的安全等级，而安全控制系统在我国还处于起步阶段，许多设备没有相应的安全保护措施，容易造成工厂事故。

随着国家对安全生产重视程度的日益提高，社会越来越重视设备的安全性。在锻造压机上应用安全控制技术，可以提高锻造压机的自动化程度，改善工人的生产条件，提高锻造压机设备的安全性。

安全控制方案

安全控制系统作为锻造压机的安全保护手段，必须保护压机的设备安全和操作检修人员的人身安全，严格避免压机运行状态的不安全性。一旦压机由于操作失误等人为原因而导致危险或者设备本身出现故障而导致危险时，锻造压机的安全控制系统需要立即输出正确的控制信号，安全关闭压机的相关装置，使压机安全停机，避免危险的发生或者事故的扩散。

锻造压机中滑块等机构的动作会对现场操作、维修、调试人员造成伤害，同时，在生产过程中突发的意外情况也会对设备造成严重的损毁。所以必须采用安全装置来终止机器的非正常工作状态，以减少事故损失，降低锻造压机的风险。设计中使用急停按钮，以确保在危险情况下，停止危险动作。使用带联锁的保护装置和安全光电设备安全地把操作人员与危险区域隔离，并且确保维修人员在锻造压机安全停止的条件下，进行危险区域内的操作。根据不同需要使用安全监控，确保调试人员在安全运行的条件下进行现场调试。设计采用安全模块控制以上安全功能，以避免控制回路中的故障导致安全功能的失效。当操作或维修人员一旦进入危险区域或设备出现危险工况时，所有的危险动作都将被停止。

锻造压机设计采用合理的安全控制方案，通过设计消除危险隐患，减少引起危险的因素，降低风险。在锻造压机安全设计方案中应用了安全的3D设计原理并且符合相应的安全标准。安全的3D设计原理是指Duality、Diversification和Diagnosis。

Duality（冗余）是指一路故障发生，另一路可以把系统带到安全状态。具体设计采用并行输入，串联输出的设计方法。

Diversification（多元法）是防止两路同时出现同样的故障的保护方法。具体设计使用一个常开，一个常闭的组合，或者同时使用一个高、一个低两路输入到安全装置中。

Diagnostics（监控诊断）是指安全装置的自检。具体设计要求故障发生时，系统进入安全状态，不允许系统在故障排除前被启动。

锻造压机使用安全PLC进行安全控制，在设计时使用3D的组合，确保一个故障发生时，系统可以正确的反应。安全可编程控制器的CPU采用冗余的多处理器结构，各个处理器之间保持相互监控状态，一旦发现有不一致的情况，控制器立刻切换至安全保护状态，并且发出报警信息；安全可编程控制器对内部的RAM、EPROM、输入输出寄存器等元件同时进行实时监控，并且对输入信号和输出被控元件采用特殊的测试脉冲进行检测，一旦出现不安全隐患，控制器立刻切换至安全保护状态。

安全控制系统的硬件配置

锻造压机控制系统方案为主控制系统采用德国SIEMENS公司的S7-400系列PLC，网络通信采用通讯协议，分别为以太网EtherNet、控制网PROFIBUS-DP。主控制系统与上位机通过以太网EtherNet协议通讯；锻造压机自动控制系统内部通过控制网PROFIBUS-DP协议通讯；主控制系统与安全控制系统通过控制网PROFIBUS-DP协议通讯，如图1所示。

锻造压机的安全控制系统由三部分组成：安全输入信号、安全输出元件和安全控制器。安全控制系统的安全输入信号为锻造压机各区域设置的急停按钮信号、各区域安全门开关信号、安全光栅信号和安全控制继电器的反馈信号等。这些安全输入元件信号通过双回路线路连接到安全控制器。安全控制系统的安全输出元件为控制锻造压机各区域供电的接触器和继电器。当锻造压机出现不安全因素时，安全控制系统控制器立刻切换至安全保护状态，根据预设的逻辑判断，输出安全控制信号，切断相关负载和相应区域的控制器电源。安全控制系统的安全控制器是安全控制系统的CPU，执行的功能是采集安全输入信号，根据逻辑控制要求，控制安全输出元件。

锻造压机采用Pilz公司开发的PNOZ可编程安全控制器。PNOZ安全控制器是Pilz公司开发的通用型可编程安全控制器，主要应用于要求复杂逻辑的安全应用场合，能够提供更高的安全功能。锻造压机的安全控制系统安装有CPU模块一块、接口模块一块、数字量输入模块一块和数字量输出模块三块。锻造压机的安全PLC的CPU选用PNOZ M1P安全控制器，该安全控制器具备相当高的安全可靠性，在自身出现缺陷的情况下，依然能够检测安全输入信号，并及时做出合理判断和应对。安全控制器PNOZ M1P本身带有20个标定的安全输入，4个标定的安全输出，2个脉冲测试源。安全PLC的接口模块选用PNOZ MC3P，支持标准安全通信的PROFIBUS-DP网络连接端口。安全PLC的数字量输入模块选用PNOZ Mi1P，数字量输出模块选用PNOZ Mo4P。

图1 锻造压机控制系统示意图

安全控制系统程序设计

PNOZ M1P安全控制器使用的编程软件为PNOZmulti Configurator。PNOZmulti编程器是一个图形工具，用于对PNOZmulti模块化安全系统进行配置和编程。安全回路模块在配置界面上表示为图标，可以快速方便地用拖放的方法创建安全回路。完整的安全回路通过芯片卡或直接从PNOZmulti编程器传输到PNOZmulti模块化安全系统的基础模块。硬件包括一个基础模块和最多8个扩展模块。

根据锻造压机安全控制系统要求，安全控制程序可以分为控制电源程序、急停控制程序、控制继电器程序、控制阀电源程序、报警程序、安全门程序、与主控PLC联络程序和与操作机联络程序等程序模块。

锻造压机安全控制系统的安全输入信号和安全输出信号通过PROFIBUS-DP网络协议，由PNOZ安全控制器与S7-400通讯，在S7-400做相应控制。S7-400通过Ethernet网络协议与上位机通讯，在上位机屏幕显示安全控制系统的相关信息。

结束语

对于锻造压机这种安全功能数量较多且较复杂的设备，其安全控制系统采用PNOZmulti模块化安全PLC，安全输入信号采用双回路的电气元件，同时采取自反馈检测和监控等安全措施，对锻造压机的生产提供高度可靠的安全保护手段，最大限度地避免机器的不安全状态、保护生产装置和人身安全。实践证明，锻造压机安全控制系统设计合理、可靠，为锻造压机的生产提供了强有力的技术保障，具有广阔的市场前景。

丁耀林，锻压所副所长，高级工程师，主要负责锻压设备的电气设计、调试工作，主持完成了太重轨道交通公司的火车轴生产线技术改造项目和快速镦锻压机的控制系统开发与应用项目，获得机械联合会科技进步一等奖，山西省科技进步二等奖。