机械安全控制系统实验台的研制

2018-05-21居里锴刘天腾

实验室研究与探索 2018年4期

周成，居里锴，刘天腾

(南京理工大学 a. 工程训练中心；b. 机械工程学院，南京 210094)

0 引言

随着科学技术的进步，机械化、自动化及信息化已成为工业领域的主要生产方式。然而，伴随机械的大量使用，由于人的不安全行为、机械的不安全状态，机械安全问题日趋凸显和严峻。同时机械安全问题也成为发达国家在国际贸易中设置技术贸易壁垒的重要依据。在机械产品的设计开发阶段秉持本质安全设计的理念，是提高产品安全水平、降低安全成本、保障使用者安全最行之有效的手段[1-7]。

产品在设计阶段就应当按照严格的标准进行安全设计，对存在较大风险源的产品，设计时应同步设计安全防护控制系统，即使操作人员失误或发生机械故障，也可确保操作人员安全。当前，能够进行机械安全防护控制系统的设计者大多是在工作中通过实践获得的。高等学校作为高等人才培养的主要场所，其毕业生将成为企业设计、研发产品的主力军，高校学生学习机械产品设计时却忽视了机械产品安全设计的方法，不具备机械安全设计的意识[8-11]。本文研制了机械安全防护控制系统实验台，通过实验台实验，使学生掌握机械安全防护控制系统的设计方法，贯彻提高产品的本质安全水平，让学生在产品设计阶段就具有考虑安全防护问题的意识，从源头上提高安全生产的水平。

1 实验台设计方案

机械安全控制系统实验台由工件搬运系统、安全防护控制系统以及实验台监控软件三部分组成。工件搬运系统通过机器人抓取同步带上运输的物料，模拟工业生产中物料的自动传输过程；安全防护控制系统用于实现在工件搬运过程中，有危险产生时控制工件搬运系统停止工作；实验台监控软件用于监控安全防护控制系统在工作过程中的状态。

实验台结构组成见图1，由抓取机器人、驱动电动机、安全光幕、光幕智能屏蔽器、滑台限位传感器、工件、同步带、滑台、安全控制器接线盒、按钮盒、启动按钮、复位按钮、急停按钮、计算机、多层警示灯、实验台面、机器人控制盒、电源总开关、安全控制器、安全继电器、电源指示灯、总控制柜、磁感应连锁开关、安全连锁开关、解锁按钮、安全围栏等组成。实验台实物见图2。

图1 实验台组成结构

使用该实验台时，根据设计的安全防护控制系统，通过安全控制器接线盒连接所需的安全元器件。工件搬运系统开始工作时，如人员触发安全元器件( 如安全光幕) ，工件搬运系统自动停止工作，多层警示灯发出报警声。使用本实验台可实现如下功能: ① 学习安全防护控制系统的设计。本实验台自身设计有相关安全防护控制系统实验，可通过实验掌握安全防护控制系统的原理及其设计方法。② 学习不同安全元器件的功能应用。安全元器件是组成安全防护控制系统的基本元件，可通过本实验台对单个元器件的功能进行实验，让使用者掌握安全元器件的原理及使用方法。③ 安全防护控制系统的验证。在实际产品设计中进行安全防护控制系统方案设计时，可先通过本实验台构建设计方案，验证设计是否满足使用功能，提出改进措施。通过实验，进行方案分析和改进。

图2 实验台实物

2 工件搬运系统

工件搬运系统由抓取机器人、驱动电动机、滑台限位传感器、工件、同步带、滑台、机器人控制盒组成。滑台固定于同步带上，在驱动电动机驱动下同步带带动工件移动，滑台限位传感器固定于同步带上，抓取机器人及机器人控制盒置于实验台面上，结构如图3所示。抓取机器人选取四轴码垛机器人，其速度快、成本低，适合小工业产线码垛、物料筛选等工作，抓手采用伺服直流电动机驱动的机械抓手。

图3 工件搬运系统

实验台实验时，工件置于滑台上，滑台处于初始工作位置(限位传感器1#处)，系统启动后，工件被同步带运输移动到工作终点(限位传感器2#处)；机器人根据设置的动作循环抓取工件，并搬运至侧面物料盒中；滑台在机器人抓取工件后自动回到初始工作位置，进行下次的工件搬运过程。

3 安全防护控制系统

3.1 安全防护控制系统

安全防护控制系统的作用是保护工业现场的工作人员和加工设备的安全，避免工作人员出现人身安全事故，避免现场的加工设备受到损坏，减少企业因安全事故所造成的损失。

安全防护控制系统由不同类型的安全元器件组成，主要由安全输入设备、安全控制设备、安全输出设备三部分构成，结构如图4所示。安全输入设备主要用于检测是否有人员接近危险源；安全输出设备用于控制危险源的动作，且可以降低其风险；安全控制设备是对安全输入信息进行读取、运算，对安全输出设备进行控制的设备，是安全系统的核心，对安全系统的构筑起到了关键的作用。

图4 安全控制系统结构

机械安全防护控制系统实验台安全防护控制系统由安全光幕、光幕智能屏蔽器、复位按钮、急停按钮、多层警示灯、安全控制器、安全继电器、磁感应连锁开关、安全连锁开关、解锁按钮等组成。系统组成原理图如图5所示。

图5 安全控制系统原理图

3.2 安全控制器

安全控制器选用欧姆龙公司G9SP。G9SP安全控制器具有以下特点。

(1) 自由编程。与普通可编程控制器一样，通过配套的G9SP Configurator软件，对输入、输出进行定义，对程序进行编写、更改，实现安全防护控制系统的监控。

(2) 简化设计、方便接线。由于G9SP安全控制器将以前急停开关、安全门开关、安全光幕等多个元器件的功能集成在一个控制器上，可以直接将安全信号接在G9SP安全控制器上。

(3) 灵活配置。不仅可以单独使用G9SP安全控制器，也可以和普通可编程控制器配套使用，还可以增加一些扩展模块，灵活地配置一些模块进行组合[12-15]。

在构建安全防护系统时，G9SP安全控制器一般置于控制柜中，各安全元器件连接于G9SP安全控制器的输入与输出端口，对于一个固定功能的安全防护控制系统，其接线方式固定。如需改变安全防护控制系统的功能，增加或减少安全元器件，则需改变接线方式，而对于已经完成接线工作的安全防护控制系统，再次改变接线方式将费时费力，且容易导致错误的产生。为了解决此问题，研制了G9SP安全PLC试验盒，如图6所示。G9SP安全控制器具有Si00～Si19的输入接口和So00～So07、T0～T5的输出接口，将G9SP安全PLC试验盒上的接口与G9SP安全控制器上的对应接口串接。使用即插即拔的连接线将安全元器件连接于G9SP安全PLC试验盒上，即可实现G9SP安全控制器接线的快速改变，从而方便快速的构建不同安全防护控制系统。

图6 G9SP安全PLC试验盒

4 实验过程

(1) 根据实验设计的安全防护系统输入与输出设备，完成G9SP安全PLC试验盒上的接线。

(2) 实验台上电，电源总开关打开，电源指示灯亮起。复位按钮上的指示灯闪烁，启动抓取机器人，按下复位按钮。复位按钮指示灯灭掉，所有产品都处于正常状态，多层警示灯绿色灯亮，实验台可正常使用。

(3) 在计算机上进入试验台选用的安全控制器使用的控制软件，构建安全防护控制系统监控界面。

(4) 进入试验台的G9SP安全控制器控制软件，构建安全防护系统监控界面，见图7，并开启监控功能。

(5) 将工件置于滑台上，滑台处于初始工作位置。

(6) 按下启动按钮，工件被同步带运输移动到工作终点。由于光幕智能屏蔽器的存在，在工件运输过程中，不会因为工件穿过安全光幕导致工件搬运系统停止工作。抓取机器人根据设置的动作循环抓取工件，并搬运至侧面的实验台面上；滑台在抓取机器人抓搬运过程。

图7 安全防护控制系统监控界面

(7) 人手穿过安全光幕，工件搬运系统立刻停止工作，多层警示灯红色灯亮起，同时报警声响起，安全防护系统监控界面中的“光幕”部分闪烁。

(8) 按下复位按钮实验台恢复到步骤(5)状态。

(9) 同理，可通过急停按钮、磁感应连锁开关、安全连锁开关触发安全防护控制系统控制工件搬运系统停止工作。

5 结语

产品在设计阶段应当按照严格的标准进行安全设计，而具有此意识的人员往往都是在工作中通过实践获得的，高校学生学习产品设计时均忽视了机械产品安全设计的方法，机械安全设计意识淡薄。机械安全控制系统实验台的研制为高校进行安全防护控制系统的教学提供了实验装置。可通过安全防护控制系统的实验培养学生在产品设计时即考虑安全防护问题，提高产品的本质安全水平。

参考文献(References)：

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