磨床的故障及安全保护系统

李 磊

（马钢钢铁股份有限公司第一钢轧总厂，安徽马鞍山243000）

磨床的故障及安全保护系统

李 磊

（马钢钢铁股份有限公司第一钢轧总厂，安徽马鞍山243000）

磨床安全控制系统能提供可靠的安全保护手段，最大限度地避免设备的不安全状态（控制器件失效、输入设备误动作等），防止恶性事故的发生；当出现人的不安全行为（违章和违规操作等）而导致危险时，系统会立即输出信号，使设备停止运行，阻止危险事故发生和扩散。

安全保护；冗余；维护

1 引言

安全功能在工业设备上的使用在欧美国家已经十分普及，欧洲制造企业的工业设备必须符合强制性安全标准，才能投产。在中国随着工业化水平的提高，设备的安全性近年来得到更多的重视。通过正确合理的设计和使用安全元器件，安全控制系统就能提供可靠的安全保护手段，最大限度地避免设备的不安全状态（控制器件失效、输入设备误动作等），防止恶性事故的发生；当出现人的不安全行为（违章和违规操作等）而导致危险时，系统会立即输出信号，使设备停止运行，阻止危险发生和事故扩散。任何一台机器设备都存在危险性，采取了安全保护和安全控制措施的生产过程能够避免事故的发生。

2 安全控制系统配置

2.1 组成

磨床安全控制系统配置由安全输入信号三部分组成：（紧急停止按钮、安全门、安全光栅等）、安全控制模块（安全继电器、安全PLC等）、输出控制元件（接触器、数控驱动器、普通PLC和阀等）。

2.2 运行流程

在具有安全要求的机器设备中，普通继电器曾经被广泛作为控制元件，实施安全功能控制。这在一定条件下也能保证安全性。但是当普通继电器由于缺陷和外部原因功能失效时（如触点粘熔、电气短路等故障），就会失去安全功能，引发事故。安全继电器之所以能可靠地实现安全功能控制就在于：安全继电器带有强制断开触点。

正常状态下，继电器线圈得电时，触点动作，常开点闭合，常闭点断开。通过继电器触点的通断，实现安全功能的控制。

当继电器出现故障，线圈失电时，普通继电器常开点的粘连不影响常闭点的闭合。而安全继电器带有强制断开触点，常开点与常闭点在机构上实现互锁。线圈失电情况下，当常开点粘连时，能保证常闭点强制断开不闭合。

2.3 安全继电器电路功能分析

以数控轧辊WALDRICH磨床的安全继电器使用为例。其安全功能包括7个紧急停止按钮，一个砂轮速度和直径监控模块，一个砂轮盖板门锁开关，4个伺服轴系正（＋）负（-）急停限位。它采用一个紧凑型PilZ安全继电器（PNOZ 2VQ）控制所有的紧急停止按钮并连接砂轮速度和直径监控模块的输出端子；使用一个PNOZ X2.1紧凑安全继电器控制4个轴正负急停限位；使用一个PNOZ X2.1紧凑安全继电器控制砂轮盖板。任何一个安全继电器被触发，安全输出就会切断相关的负载（如主电源断路器，变频器，伺服驱动模块）。

急停按钮安全继电器PNOZ 2VQ（见图1）各端子功能。

图1 PNOZ 2VQ安全继电器内部接线原理图

A1-A2端子：提供24V/DC电源，通电时，LED“POWER”指示灯亮。

S12-S34端子：接常开按钮，构成急停复位回路。

S11-S12和S21-S22端子：分别串联外部紧急停止按钮内的＋24V电源和0V电源，以及砂轮速度和直径监控模块的2路输出端子（内部常开点），构成安全控制冗余回路。通过这两组端子输入信号，安全继电器可以监控外部急停按钮状态，监控砂轮速度和直径的大小，同时实现外部电路的短路监控。

Y39-Y40端子：接控制电源接触器常开点，可以提前终止安全继电器内部的T1，T2延时继电器动作。

57-58，67-68端子是带延时的常开安全触点，13-14，23-24，33-34是不带延时的常开安全触点，41-42常闭辅助触点。

57-58端子：24V/DC由57端子输入，58端子输出，控制磨床主电源断路器的欠压脱扣线圈。当安全继电器动作，57-58端子内部电路断开，磨床主电源断路器会因欠压脱扣器动作而切断主电源，防止事故发生或扩大化。同时该端子还可连接外部继电器线圈，通过外部继电器控制磨床各功能区域的主电源的通断（见图2）。

67-68端子：24V/DC由67端子输入，68端子输出，先串联磨床4个伺服轴的正，负急停限位后，再输入到急停限位安全继电器PNOZ X2.1的A1端子提供工作电源。紧急停止按钮和砂轮转速直径的触发事件比急停限位触发事件安全等级高，所以两类安全触发事件分别由两种安全继电器控制，安全保护动作的结果也不一样。前者安全动作会使主电源断路器欠压脱扣，急停报警不消除，主电源断路器就无法合闸送电。后者通过控制各伺服轴的使能信号，实现对各轴系的使能控制。这种设计可以避免磨床各轴急停限位信号触发时，主电源断路器不会跳闸。

13-14，23-24，33-34端子：是安全继电器内部常开点。以13-14端子为例，电源由13端子输入，14端子输出并外接继电器线圈，外部继电器的常开触点可以作为PLC的急停输入信号，参与逻辑控制。常闭点连接Y1-Y2端子，安全继电器动作后，如果报警复位，电源可以通过Y1-Y2端子为安全继电器内部的启动器提供电源，重新启动安全继电器功能。

急停限位安全继电器PNOZ X2.1（见图3）各端子功能。

A1-A2电源端子：当轴的正负方向任一急停限位断开或短路时，急停限位安全继电器失电，内部安全常开触点打开。

13-14端子：内部常开点的使能端子，电源13端子输入，14端子输出，连接外部使能信号继电器，使能信号继电器的常开点控制各个轴控制模块的使能信号。使能信号丢失时，伺服系统报警，功率模块停止运行，轴驱动停止。

图2 PNOZ 2VQ安全继电器外部接线图

图3 PNOZ X2.1安全继电器外部接线图

23-24端子：连接PLC的输入端，提供限位急停安全信号。S33-S34端子：是安全继电器复位端。

砂轮盖板门锁的安全控制继电器同样是PNOZX2.1，功能相似，这里不再叙述。

3 故障处理

3.1 急停报警，复位后仍然不能运行

磨床急停报警，安全继电器动作，主电源断路器跳闸，复位无效。判断故障出在急停按钮安全继电器保护电路，观察安全继电器LED灯，电源灯亮，通道1和通道2指示灯都不亮。短接S11-S12，S21-S22，Y39-Y40。两个通道LED灯亮，安全继电器可以复位。排除安全继电器硬件故障。去除Y39-Y40短接线，接回原电路连线，故障重复出现，确定Y39-Y40端子外围电路有故障。恢复Y39-Y40短接线，去除S11-S12，S21-S22短接线，接回原电路连线，安全继电器可以复位，确定所有急停按钮电路和砂轮速度直径监控无故障。明确故障点后，检查Y39-Y40端子外围电路，发现Y39-Y40之间连接一个接触器常开点，接触器已经正常吸合，常开触点也已闭合，24V电压输出时有时无。判断触点接触不良，由于该电气柜曾用过干粉灭火器灭火，可能接触器内有残留干粉，导致衔铁和触点之间接触不良，遂更换接触器，安全继电器正常工作，报警消除。

安全继电器发现没有输出时：

第一，检查接线是否正确。每个型号的安全继电器的接线方式都是不同的，但接线的理念都是一样。

1.检查工作电压是否正确。正确上电后POWER灯会常亮。

2.检查输入回路的接线。确定安全继电器是按照单通道输入方式接线还是双通道方式接线.

如果是双通道不检测触点间短路故障工作方式的话则是短接S21和S22，两个常闭触点分别置于S11和S12，S11和S32之间.

如果是双通道不检测触点间短路故障工作方式的话则是短接S21和S22，两个常闭触点分别置于S11和S12，S11和S32之间.

第二，检查是否是安全继电器本身发生故障。选择自动复位，去除反馈回路。短接输入通道，察看安全继电器是否有输出，即CH1和CH2灯常亮。

第三，如果通过上述的操作可以使安全继电器正常工作的话，那就说明故障并非在安全继电器内部而是在外部。外部故障一般分为这几类：

1.触点发生焊死状况。如果是手动复位方式此时CH1灯会常亮，但CH2灯不亮，按下复位按钮CH1和CH2都会熄灭。如果是自动复位方式CH1和CH2灯都不亮。当解决了这个故障之后需要拍下急停按钮再释放才能使得安全继电器再次工作（如果是手动复位的话还需按下复位按钮）

2.触点间发生短路故障。此时安全继电器的三个状态显示灯POWER,CH1,CH2都会熄灭。

3.输出回路上发生短路故障。此时安全继电器的CH1和CH2灯都会熄灭。

3.2 改进措施

由磨床实例可知，安全继电器能够保证至少2个安全触点通道进行输出控制。在一个输出通道出现故障时，另外一个冗余通道依然能够保证安全继电器的安全功能，并且及时检测出故障通道，通过通道LED指示灯点亮和熄灭的状态，提示哪个通道出现故障。这样就可以有效地监控外部回路的触点是否熔接，或者有没有短路等现象。提供安全功能的同时，也缩短维护人员的排查故障时间。也可以运用安全继电器模块，配合以下原有的安全保护开关，达到更确实的防护措施。

（1）使用电磁锁门锁开关的应用，以确保作业区的安全。(机器不能立即停止)。

（2）紧急停止开关于紧急情况时停止机器之用。

（3）使用钥匙配合安全门开关做为检测门开闭之用(机器需立即停止)。

（4）使用安全限位开关，检测门的位置、开或关的应用。

（5）使用安全光栅，防止工作人员进入危险工作范围。

（6）使用安全踏垫开关，以确认机器操作人员以进入工作作业区。

（7）使用两手按压开关，确认机器操作人员双手已离开危险工作区。

以上各种安全开关搭配皆可以配合安全继电器模块的应用，做为机械安全防护装置，减少危险发生的机会，以创造更加安全的工作环境。

安全继电器是一种能够保证其应用安全性的继电器。但并不意味着这种继电器不会出现故障，而是在发生故障时通过自我检测出故障状态来保证安全。

增加紧急停止电路：当触发按钮时，电子安全继电器切换几个回路，直接或延时断开电源。根据配置不同，它们可以检测紧急停止按钮电路中的故障，例如交叉短路、接地故障或短路。只要故障没有修正，这会导致立即断开或者防止重新起动。

所以增加安全继电器可以在安全电路发生故障时，可以切断机器动力电源，使机器不能再启动。

4 结束语

安全继电器并不是“没有故障的继电器”，而是发生故障时做出有规则的动作，它具有强制导向接点结构，万一发生接点熔结现象时也能确保安全，这一点同一般继电器的安全不同地方。在很多危险场合都需要用到安全继电器，有紧急停止监控，防护门监控，安全光栅等功能。

随着技术的不断提升，用户对设备自动化的要求越来越高，机器和设备也越来越复杂、速度也越来越快。因此，用户对这些机器的安全要求也越来越高。我们既要能够保证安全、可靠性，又要保证灵活、易维护性。这就对安全元器件的正确和合理的设计和选择提出了一定的要求。

目前在单台数控机床和小型流水线上，安全继电器已经得到广泛的应用，极大提高了设备生产的安全性。在这方面我国还处于起步阶段，很多有一定危险性的设备没有任何安全保护措施，这也是工厂事故频发的一个重要原因。随着国家对此重视程度的提高和以人为本理念的逐渐深入人心，设备的安全性正得到越来越多的重视。安全继电器的应用，在未来将有广阔的前景。

Malfunctions and Safety Protection System of Grinding Machine

Li Lei
(The No.1 Steelmaking Works of Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

The safety control system of a grinding machine can provide a reliable means for safety and protection,avoid unsafe conditions of equipment(controller failure and malfunction of input device,etc)and prevent the occurrence of serious accidents as much as possible.When the unsafe behavior of human(rule violation operations)caused danger,the system will immediately give a signal to stop the machine and prevent the occurrence and spreading of dangerous accidents.

safety protection;redundancy;maintenance

TP27

B

1006-6764（2015）05-0050-05

2014-11-25

李磊（1972-），男，毕业于安徽工业大学电气自动化专业，助理工程师，现在从事磨床电气自动化维护及修理工作。