基于安全继电器的悬臂式掘进机安全控制系统

刘国鹏

（中煤科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

安全功能在工业设备上的使用在发达国家已十分普及，例如，在欧洲有强制的安全标准，达不到相应安全等级的设备不能投产；在美国则依靠高额的事故赔偿来强制设备的安全性。在这方面我国还处于起步阶段，随着国家对此重视程度的提高，设备的安全性正得到越来越多的重视[1]。

悬臂式掘进机作为煤矿巷道掘进施工的主要设备，其高可靠的安全性能直接关系到操作人员和设备本身的安全以及施工的质量和进度。因此在掘进机控制系统的设计阶段，对安全方面的考虑就显得非常重要。设备的安全性能由机械安全防护和电气安全控制两方面组成。机械安全防护在此不过多介绍，本文主要介绍最常用的电气安全控制器件安全继电器在掘进机安全控制系统中的应用。

1 电气安全控制系统的组成

安全控制系统必须提供一种高度可靠的安全保护手段，最大限度地避免设备的不安全状态，保护人身安全和生产设备，防止恶性事故的发生以减少损失。系统在开机、停机、出现工艺扰动以及正常维护操作期间应对设备提供安全保护，一旦设备出现危险，系统立即做出反应并输出正确信号，使设备安全停机。安全控制系统由安全输入元件（如紧急停止按钮、安全门开关、安全光栅等）、安全控制模块（如安全继电器、安全PLC等）、被控输出元件（如主接触器、电磁阀等）三部分组成[1～3]，如图 1所示。

图1 安全控制系统的组成

要使设备达到相应的安全等级就离不开必要的安全元件和安全线路，这些元件通过线路（一般是双回路）连接到安全控制的核心，对安全功能进行监控。具有安全要求的设备中，普通的继电器或者PLC被广泛地作为控制模块。从表面看来，这样的设备在一定条件下也能够保证安全性。但是，当普通的继电器和PLC由于自身缺陷或外界原因导致功能失效时（如触点熔焊、电气短路、处理器紊乱等故障），就会丢失安全保护功能并引发事故。而对于安全控制模块，由于其采用冗余、多样的结构，加之以自我检测和监控、可靠电气元件、反馈回路等安全措施，保证在本身缺陷或外部故障的情况下，依然能够保证安全功能，并且可以及时地将故障检测出来。从而在最大程度上保证了整个安全控制系统的正常运行，保护了人和设备的安全。

2 安全继电器的特点及结构

目前使用最多的安全器件就是安全继电器，其并不是指没有故障的继电器，而是发生故障时会做出有规则的动作。安全继电器的安全线路一般使用双回路控制，即使有一条线路发生短路，依然能防止设备在不满足要求的状态下运行。普通继电器在长时间电弧的作用下有可能发生触点的粘连，而安全继电器由于其特殊的结构，能保证在回路不满足条件的情况下触点强制断开，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。

2.1 安全继电器的特点

安全继电器具有以下基本功能[4]：

（1）检测功能。可以确认与安全相关的请求，例如按下“紧急停止按钮”。

（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“紧急停止按钮”后，安全继电器输出信号，拔出“紧急停止按钮”后，安全继电器不会自动复位，需要手动复位。

（5）反馈功能。当安全继电器出现故障信号时会将自身状态反馈给PLC，PLC可以将其状态显示在人机界面方便用户判断操作。

（6）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。

（7）稳定工作功能。触点组拥有1000万次以上的可靠机械寿命。

2.2 安全继电器的结构[4～5]

本文以菲尼克斯PSR系列安全继电器PSRSCP-24UC/ESA4/3×1为例说明安全继电器的结构，其结构图如图2所示，该继电器的安全级别为4级。

图2 安全继电器的结构

A1、A2是继电器的线圈部分，24VAC/DC供电；S11、S12是输入通道一，S21、S22是输入通道二，K1和K2分别为输入通道一、二接通的信号指示灯；S33、S34是复位通道，可以手动或自动复位；13－14、23－24、33－34是三组常开触点，41－42是常闭触点，都为不带延时动作触点，图中可以看到，所有常开触点和常闭触点都是由两组触点来控制，同时通断。

安全继电器和普通继电器最显著的区别就是强制导向机构，其主要目的就是当出现故障时在任意一个输出信号通道内不让继电器内部的两个触点处于同时动作状态而具有强制导向机构。当其中的一个触点发生粘连故障时，线圈在有激磁状态下，另一个触点仍然必须保持0.5mm以上的间隔，此称之为强制机构。而普通继电器的触点动作，完全受制于线圈的通电情况，必须预防因输入的接线短路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。如果安全继电器被检测到故障，它将始终被切换到断电位置使机器处于安全状态。

3 悬臂式掘进机安全控制系统

3.1 掘进机对安全性的需要

悬臂式掘进机是集截割、行走、装运、喷雾和除尘等功能于一体的综合掘进设备，其作业线主要由掘进机与后配套设备组成。掘进机把煤或岩石截割破落下来，再通过转运机构把破碎的料渣转运至机器尾部卸下，由后配套转载机（二运）、皮带机或矿车运走。整个生产过程需要掘进机司机、二运机尾操作工和皮带机头操作工三人共同完成。掘进机司机可以控制油泵、截割和二运电机的启停以及液压机构的动作；二运机尾操作工需要观察皮带机是否工作、二运皮带是否堆料或跑偏并可以停止二运电机；皮带机头操作工负责控制皮带机的启停。

根据上述掘进机的生产工艺，对掘进机的安全控制提出如下要求：

（1）在只启动油泵电机而不进行截割时，掘进机司机能可靠地停止截割电机并保证截割电机不会突然启动；

（2）在紧急情况下，掘进机司机能可靠地停止所有电机并保证所有电机不会突然启动；

（3）在二运皮带出现堆料或者跑偏时，二运机尾操作工能可靠地停止二运电机并保证二运电机不会突然启动。

3.2 安全继电器在掘进机安全控制系统中的应用

目前最常见的掘进机控制系统中，将急停信号（常闭）直接输入给PLC或者串入PLC电源回路，控制PLC的输出点以切断中间继电器的线圈电源。当发生中间继电器线圈线路短路或者触点粘连的故障时，会使机器突然启动，带来很大的安全隐患。本文以三个菲尼克斯安全继电器PSR-SCP-24UC/ESA4/3×1为核心组建掘进机安全控制系统，系统结构如图3所示。

图3 掘进机安全控制系统的结构

从图中可以看出，操作箱急停、截割电机急停和二运机尾急停都采用双回路信号接入安全继电器的输入通道，保证输入信号的可靠性；继电器的常闭触点都输入给PLC，实现安全继电器的故障监测；继电器采用自动复位的方式。

安全控制系统得电后，任意一个安全继电器出现线圈电源线路短路或者回路触点粘连故障时都能保证设备和人员的安全，满足了掘进机对安全性的需求。

（1）按下操作箱急停后，所有接触器线圈都不会得电，保证机器在不安全位置或者在危险位置有工作人员时都不会突然启动；

（2）按下截割电机急停后，截割电机接触器线圈不会得电，保证截割头在不安全位置或者在工人支护期间临时调整掘进机位置时都不会突然转动；

（3）按下二运机尾急停后，二运电机接触器线圈不会得电，保证二运皮带在堆满渣料或者出现跑偏时，或者有工人维护二运期间都不会突然运转。

4 结束语

安全继电器以其安全、可靠等特点广泛应用于生产制造业行业。本文将安全继电器应用在悬臂式掘进机的控制系统中，提高了设备的安全性能，保证了设备和人员的安全，符合煤矿安全生产的要求。随着安全控制理念的深入和安全产品的普及，安全继电器等安全产品在煤炭行业必然会得到越来越广泛的应用。

[1]刘 博.安全继电器及安全PLC在制造行业的应用[J].设备管理与维修，2009，31（9）：35-36

[2]王 元.安全控制单元在轧机控制系统中的应用[J].有色金属加工，2011，40（2）：56-59

[3]费 国，葛自江，马 矜.安全继电器在工业生产过程中的分析与应用[J].起重运输机械，2013，63（6）：1-7.