张成成
山东齐信安全评价有限公司 山东淄博 255000
摘要：设备安全是实现安全生产的关键，各橡塑机械设备制造企业需提高对电气安全的重视，保障橡塑机械设备的长期可靠运行。基于此，本文结合国家标准与行业现状，阐述橡塑机械设备的电气安全系统设计要点，以齐信安全公司为例，介绍其创新的橡塑机械设备电气安全系统，为橡塑机械制造企业提供经验参考。
关键词：橡塑机械；电气安全；变频器
前言：信息技术的发展推动了橡塑机械设备制造的高效化、自动化，使橡塑机械设备内部应用大量自动化器件，提高了橡塑机械设备的复杂性，使电气安全成为影响橡塑机械设备运行的主要要素之一。就此，制造企业需结合相关安全认证标准，做好电气安全系统设计工作。
1 橡塑机械设备的电气安全系统设计要点
1.1 安全标准要求
橡塑机械设备属于特定机器，需遵循相关国际标准及国家安全认证标准，保障其安全可靠运行。在电气安全方面，国际标准为欧盟修订的IEN ISO13849-1；国家标准为GB52256.1/IEC6024-1等。橡塑机械设备制造企业需根据上述标准法规，规范设计电气安全控制系统，强化橡塑机械设备的安全性能。而在相关单位进行橡塑机械设备评估时，则需遵循GB/T16855等国家标准[1]。
1.2 安全性能要求
在橡塑机械设备运行中，性能等级用PL表示，与安全完整性等级相对应。电气元器件的性能等级包括PL a、PL b、PL c/d、PL d/e（其图例如图1所示）。其中，PL a无对应的SIL，每小时平均危险失效概率（下文简称“概率”）为10-5-10-4；PL b对应SIL值为1，概率为3×10-6-10-5；PL c对应SIL值为1，概率为10-6-3×10-6；PL d对应SIL值为2，概率为10-7-10-6；PL e对应SIL值为3，概率为10-8-10-7。电气元器件的性能等级要求由三项指标决定，分别是受伤程度、风险出现的概率或风险暴露的时间、规避风险的可能性。在橡塑机械设备制造中，PL d/e的安全性能最高，要求设计者在橡塑机械设备用应用安全输入元器件，并进行合理的安全控制设计。目前常用的安全输入元器件有安全门开关及急停开关等；合理的安全控制设计可通过引入安全继电器或安全PLC等手段实现。
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图1 不同性能等级的电气控制图例
1.3 安全距离要求
在橡塑机械设备制造中，安全距离是保障电气安全，规避危险的关键要素。在设计橡塑机械设备的防护装置时，制造企业需结合安全距离，合理选择装置的安装位置。以安全光幕为例，为避免冲压工件时出现压伤操作人员手掌或手指的现象，制造企业需在冲床前方设置安全光幕，设置位置由安全距离决定，安全距离的计算公式为：S=（K+T）+8×（d-14），保障安全光幕安全功能的有效发挥。
2 橡塑机械设备的电气安全系统实例
为明确橡塑机械设备的电气安全系统设计与应用要点，本文以齐信安全公司评估的一项电气安全系统为例，该系统的设计者引入新型变频器及PLC技术，在保障橡塑机械设备的电气安全方面性能优异，可为橡塑机械设备制造企业提供经验参考。
2.1 合理应用变频器
在传统电气安全系统中，通过启动或停止按钮控制变频器，这类电气安全系统的性能为PL a级性能。部分橡塑机械设备制造企业会在系统中配置接触器，以此提高系统性能。但在实际应用中，接触器会增加电气安全系统的器件，时常出现断电故障，缩短变频器的使用寿命。针对该问题，齐信安全公司评估的电气安全系统引入西门子G120/G150变频器，利用电气安全系统功率模块的优化设计，提升电气安全系统的性能，使其达到PL d级，保障橡塑机械设备的电气安全。
2.2 合理设置系统功能
在合理选择变频器的基础上，该电气安全系统的设计者通过单元模块的合理设计、端子参数的优化设定，使电气安全系统具备安全力矩关断功能，使电气安全系统有效保障橡塑机械设备的可靠运行。在实际设计中，将控制单元的数字量输入，作为安全力矩关断功能的第一条断路路径；利用控制接口板的端口控制第二条断路路径，实现安全力矩关断功能。 其中，控制接口板的端口有两个，分别为EP+24V及EP M1，均具备使能脉冲功能。端口的参数设置如下：输入电压为DC 24V（20.4V-28.8V）；耗用电流为10mA；l-＞H信号运行时间为100μs；H-＞L信号的运行时间为1000μs。
在电气安全系统的实践应用中，安全力矩关断功能主要表现出如下优势：第一，安全力矩关断功能能够与橡塑机械设备功能同步，在设备出现故障时，安全切断橡塑机械设备供给电机的转矩电流；第二，安全力矩关断功能通过驱动集成方式实现，无需上级控制；第三，安全力矩关断功能符合机械指令98/37/EC、IEC 61508 SIL2等标准规范的要求，可在橡塑机械设备中推广普及，降低橡塑机械设备的生产及运维成本。
2.3 优化系统运行程序
在橡塑机械设备电气安全系统中，需通过运行程序实现精准有效的安全控制。在传统电气安全系统设计中，设计者将安全继电器与橡塑机械设备的安全元器件连接，利用安全继电器的控制功能，实现变频器及伺服驱动器等器件的控制。但对于橡塑机械设备的复杂安全元器件，安全继电器的控制方式相对粗放，易出现控制偏差。就此，在齐信安全公司评估的电气安全系统中，设计者引入PLC技术，在电气安全系统中配置安全PLC，在实现可编程逻辑控制的同时，强化系统的安全控制性能，使其满足IEC 61508、EN ISO13849-1等安全标准的要求。
目前市场常用的安全PLC由德国皮尔磁生产，如PSS3000型号或PSS4000型号等。在该电气安全系统中，设计者选用PSS4000，该安全PLC可在控制安全程序的同时，控制标准程序，功能相对多样。在电气安全系统应用中，由于安全PLC内部的冗余多样结构，可实现交叉检测，应用两个处理器分别进行程序处理，只有二者结果一致性，方可直接输出；一旦二者不一致，电气安全系统立即停机，表明橡塑机械设备的某部位出现故障。同时，安全PLC可整合橡塑机械设备的所有安全元器件，实现统一控制与分析，无需配置继电器，减少电缆的使用[2]。
总的来说，电气安全系统的创新设计，可强化橡塑机械设备安全性能，保障电气安全，并优化橡塑机械设备的元器件结构，节约生产成本及运维成本，值得推广普及。
结论：综上所述，在橡塑机械设备电气元器件复杂性提升的背景下，制造企业需在设备生产时引入安全控制系统，保障电气安全。通过本文的分析可知，安全控制系统的设计遵循安全认证标准，确保橡塑机械设备的安全性能及安全距离符合要求，并在系统中引入先进变频器及安全PLC，合理配置安全功能，以此强化系统的安全性能。
参考文献：
[1]韩永刚.浅谈橡塑机械设备远程维护[J].橡塑技术与装备,2019,45(12):43-46.
[2]蔡彬彬,胡为民,倪天熠，等.一种基于ZigBee技术的橡塑机智能监控系统[J].江苏工程职业技术学院学报,2018,18(03):1-4.
作者简介：张成成，（1990.05.20）；性别：男，籍贯：山东省泰安市人，学历：本科，毕业于鲁东大学；现有职称：助理工程师；研究方向：机械安全。
论文作者:张成成
论文发表刊物:《防护工程》2019年19期
论文发表时间:2020/3/1
标签：橡塑论文; 机械设备论文; 电气论文; 系统论文; 性能论文; 功能论文; 力矩论文; 《防护工程》2019年19期论文;