安全闭锁系统在球墨铸铁管生产线中的设计及应用

张济凡，王亚飞，刘路召

（1.新兴河北工程技术有限公司，河北邯郸 056000；2.新兴铸管股份有限公司工业设计中心，河北邯郸 056000）

0 引言

为增加企业竞争力，降低劳动强度，目前国内大部分铸管生产企业基本采用了自动化设备。所以,只有不断增强自动化设备的安全控制管理，才能够更好地保障球铁管制造企业的自动化生产达到安全的状态，保证自动化生产线的连续性，减少人工过度干预，从而有效增强企业生产效率，保证工人及设备安全。

1 生产线工艺介绍

以新兴铸管某生产线为例，该条生产包括电炉调质、离心铸造、产品退火、精修打磨、水压试验、水泥内衬、喷锌、包装喷漆等多道工序，根据球铁管生产工艺、原料辅材、生产方式及产品特性分析，该生产线存在的重大安全风险包括：（1）行车转运时的高空掉物；（2）设备运行时的机械伤害；（3）操作人员进入处于自动运行生产线的地方产生的伤害等。该生产线工艺流程如图1 所示[1]。

图1 新兴铸管某生产线工艺流程

2 针对性安全闭锁方案

2.1 天车转运及高空坠物

文中为例的新兴铸管某生产线共存在三处行车交叉作业区，分别为高炉铁水到电炉、电炉到离心铸造工位；水泥内衬工位到内衬打磨工位；内外壁喷涂到成品库。每处均由两台程控行车自动完成生产。

该区域的危险源主要为高空坠物及铁水包倾倒过程中的铁水飞溅，为解决这一危险，该生产线主要采取了如下手段：（1）通过电气控制技术对程控行车进行路径规划；（2）程控行车增加感知系统，当该系统在行车预设行驶路线检测到异常物体及人员时，将自动停车并上传报警信息；（3）现场安装护栏建立无人隔离区，正常生产时，该区域无人进出，当需要人员进入时，相关人员申请并进行挂牌上锁，保证程控行车停止在安全区域。

2.2 设备机械伤害

文中为例的新兴铸管某生产线中所采用的设备均为自动化设备，且包括数十台工业机器人，但由于铸管生产线的本质还是处于人员密集型生产组织模式[1]，故现场存在大量的机械伤害风险。

为解决这一危险，该生产线主要采取如下手段：（1）在生产线设计之初，根据设备作用及能量源将生产线分区，一个区域使用一套独立的PLC，相互关联的能量源驱动使用同一个安全继电器进行控制；（2）根据生产需求和工艺情况，安装安全闭锁护栏，及在必要位置加装安全光栅等元件，并使用安全型PLC 监控现场状态；（3）在需要人员进出的位置增加安全门锁，并设置如下功能：正常生产时，安全门锁必须处于关闭状态，并通过现场安全型PLC 实时监控门锁状态；需要人员进入时，点击“申请进入”按钮，待该区域设备完成当此周期生产且设备回到原点后，安全门锁自动打开，并通过PLC 控制，切断现场所有相关能量源，现场设备处于安全状态。待人员离开后，关闭门锁，并点击“结束申请”，安全门锁闭合，现场设备自动回复生产；（4）现场引入“挂牌上锁”制度，并严格遵守这一制度。

2.3 调试、检修防误操作

在设备调试、检修阶段，由于现场安全设备不完备、人员麻痹大意、危害能量源认识不清或人员必须进入生产线中观察设备运行状态等，在该情况下容易对相关人员造成伤害。其中不能有效控制能量源是造成人员受伤的主要原因，美国劳工部有数据表明：近10%的生产事故，都与“危险能量没有得到控制”有关。因此，必须明确调试、检修作业过程中对能量源的控制及建立相应的隔离保护措施是十分必要的。

为解决这一危险，现场所采取的主要手段是：（1）严格遵循“挂牌上锁”制度，所谓上锁是指用机械锁锁定的方式来防止他人随意操作被检修或调试的能量源及设备，直到相关工作结束，锁具移除；挂牌是指使用吊牌来警告他人已经被隔离的能量源或者设备不能随便操作。上锁和挂牌必须结合使用，而不是相互代替。（2）通过电气控制技术，在生产线设计之初，便将能量源进行规划区分，并使用必要的安全型继电器进行控制。当人员进行检修调试时，现场能量源及设备会被强制锁定，直到任务结束。

生产线所采用的安全隔离方案如图2 所示。

图2 生产线安全隔离方案

3 电气控制在安全闭锁系统中的应用

3.1 控制系统的构成

该电气系统主要包括：安全型PLC、安全门锁、带有STO 功能的变频器、安全光栅、探测雷达、安全继电器及子控制系统，其中：安全型PLC用于控制安全门控系统及监控其开闭状态，并向生产线下发停机指令；安全门锁用于开启或关闭生产线的隔离安全门，该门锁能够监控门锁锁舌状态、闭合状态、开启状态及门锁故障信息；带有STO 功能的变频器，该系列变频器具有安全转矩停止功能，能够有效保护人员及设备安全；安全光栅安装于现场无法安装护栏或人工通道处，主要用于防止人员误进入；探测雷达，该雷达安装于程控行车底部，当程控行车自动运行时，探测雷达启动探测功能；安全继电器及子控制系统，子控制系统根据现场生产线功能进行分割，每个区域采用一套独立PLC 进行控制，安全继电器用于现场能量源的控制。其系统构成图见图3 所示。

图3 控制系统图

3.2 闭锁系统的控制方式

该系统的控制方式可以分为三种：申请进入、紧急进入及安全状态监控。各控制方式具体如下。申请进入：当生产线处于正产生产状态时，操作员点击“申请进入”按钮，PLC 向生产线下发进入命令，等待该区域各设备回到“安全位”后，则生产线PLC 通过安全继电器切断该区域内的所有“危险能量源”，同时安全型PLC 控制门锁开启，操作员对门锁进行“挂牌上锁”后，进入该区域进行工作；待工作完成后，操作员退出该区域，取消“挂牌上锁”，点击“申请结束”按钮，安全门锁自动落锁，同时生产线自动恢复生产。

紧急进入：当生产线在生产过程中出现意外故障或安全事故时，操作员拍下“急停按钮”，该区域各设备立刻停止运行，同时安全继电器切断该区域内所有“危险能量源”，操作员在“挂牌上锁”后，可进入该区域；待故障或事故处理完成后，退出该区域，取消“挂牌上锁”，拉起急停开关，并将设备手动退回“安全位”，可恢复生产。

安全状态监控：当生产线正常生产时，光栅、雷达等安全设备检测到异常状态时，该区域设备会紧急制动停车，同时安全继电器切断“危险能量源”；当异常状态消失后，操作员可手动恢复生产。其控制流程图如图4 所示。

图4 控制流程图

4 “挂牌上锁”在安全闭锁系统中的应用

4.1 “挂牌上锁”程序

“挂牌上锁”制度的程序如图5 所示[2]。

图5 “挂牌上锁”程序

能量识别：能量识别是指辨认待进入区域的危险能量来源，该步骤分为两步完成：步骤1 应在生产线设计之初，将一个区域内数种可控制、相互关联的能量源采用统一的电气安全元件进行控制；步骤2 应在每次进行工作之前，对所有危险能量源的来源进行识别，并填写“挂牌上锁”工作单，通知该区域相关人员。

停机：按照既定流程对工作中的设备进行停机操作。

切断：通过PLC 或手动方式，对已辨识的能量源进行切断操作，包括阀门、电气开关、蓄能器件、电机等，并确保已切断设备不会运行或危险能量无法释放。

挂牌上锁：根据工作单，相关操作人员对已切断设备使用合适的锁具及危险标识进行上锁操作，并确保被切断设备保证在安全位置。实施“挂牌上锁”的锁具需保证不能被同级人员或次级人员打开。

测试确认：在工作开始前，相关人员应对已隔离设备进行测试，保证设备无法启动、危险能量无法释放。

工作：相关人员进入该区域进行调试、故障排查、维护、检验、操作等工作。

去牌摘锁：待工作完成后，人员退出该区域，由上锁人员各自解除自己的锁具，并填写工作单。

恢复：对被切断能量源的设备进行恢复操作。

设备测试：根据功能对设备进行必要测试。并通知相关人员，做好设备动作准备。

正产设备：该区域恢复生产。

4.2 “挂牌上锁”的管理流程

（1）成立小组：成立挂牌管理小组，由分管领导、部门领导、技术人员组成，负责工作推进。

（2）软硬件准备：在生产线设计之初便对该生产线设计的所有能量源进行全面调查并进行风险评估，制定相应的隔离清单，并根据生产线工艺及上述三大风险制定不同的安全措施。

（3）购买适当锁具及上锁装置。

（4）展开各层人员的培训，让所有人员了解“挂牌上锁”的标准、程序及方法。

5 结束语

文中所述的球墨铸铁管生产线安全闭锁系统由隔离护栏、电气控制系统及“挂牌上锁”制度构成，自建立之初便在该生产线的调试、维护、调整、清理、检验、操作等过程发挥了重要作用，自从投入使用，该生产线未发生任何重大安全事故，从而可见安全闭锁系统有效性及重要性。