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基于GB27607機(jī)械壓力機(jī)電氣安全系統(tǒng)的集成控制

文檔作者：邵光存李海明楊帥王學(xué)軍郭來平姜新軍文檔來源： 1．濟(jì)寧科力光電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司 2．濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月27日
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文章編號(hào)：1672—0121(2015)06—0077—02
基于GB27607機(jī)械壓力機(jī)電氣安全系統(tǒng)的集成控制
邵光存 ，李海明 ， 楊帥 ，王學(xué)軍 ， 郭來平z，姜新軍
(1．濟(jì)寧科力光電產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，山東濟(jì)寧272000；
2．濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南250306)
摘要：隨著社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步，國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)的重視程度和要求越來越高。2011年GB27607機(jī)械壓力
機(jī)的安全技術(shù)要求出臺(tái)。本文依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，研究一種集成控制系統(tǒng)，監(jiān)控機(jī)械壓力機(jī)的安全相關(guān)設(shè)備，為壓
力機(jī)制造商提供一種安全的控制方案，提高壓機(jī)安全性，保護(hù)操作者人身安全，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。該集成控制系
統(tǒng)的功能安全滿足IEC 61508的SIL3和ISO 13849的PLe。
關(guān)鍵詞：機(jī)械壓力機(jī)；電氣安全系統(tǒng)；GB27607；集成控制系統(tǒng)；安全生產(chǎn)；功能安全
中圖分類號(hào)：TH188．2：TG315．5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B DOI：10．163160．issn．1672—0121．2015．06．021
機(jī)械壓力機(jī)是用曲柄連桿或肘桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)
構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的鍛壓機(jī)械，通過對(duì)坯件施加強(qiáng)大
的壓力使其發(fā)生變形和斷裂來加工零件，是機(jī)械工
業(yè)中量大面廣的工作母機(jī)。具有生產(chǎn)效率高，易于實(shí)
現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。同時(shí)，機(jī)械壓力機(jī)操作時(shí)
存在沖壓、擠壓等危險(xiǎn)因素，如果在設(shè)計(jì)、制造和操
作過程中，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不充分或安全措施不夠全面，將
給操作者帶來巨大傷害【“。
1 我國(guó)機(jī)械壓力機(jī)安全生產(chǎn)現(xiàn)狀
為保障操作者人身安全，201 1年GB27607機(jī)械
壓力機(jī)安全技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。標(biāo)準(zhǔn)從壓力機(jī)設(shè)計(jì)、
工作危險(xiǎn)區(qū)域防護(hù)、控制系統(tǒng)、維保和其他危險(xiǎn)等5
個(gè)方面，提出機(jī)械壓力機(jī)的基本安全要求。但2014
年國(guó)家公布的機(jī)械壓力機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查結(jié)果，
參與抽查的60家企業(yè)60批次產(chǎn)品，竟然發(fā)現(xiàn)51家
企業(yè)生產(chǎn)的51批次產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)要求【2'3】。
分析其中原因， 主要是企業(yè)和操作者對(duì)安全生
產(chǎn)的重視程度或?qū)δ馨踩睦斫獠怀浞帧Ｔ缭?
1996年美國(guó)率先實(shí)施過程512業(yè)儀表系統(tǒng)的安全標(biāo)
準(zhǔn)，2000年國(guó)際電工委員發(fā)布了功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC
61508，2003年發(fā)布了適用于石油、化工等過程212業(yè)
的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61511，并成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)直到
2006年才等同采用IEC 61508和IEC 61511，發(fā)布
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 20438 和GB／T 21 109，僅為推薦性
標(biāo)準(zhǔn)而非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，且尚未發(fā)布與標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的應(yīng)
用指南或指令，某種程度上限制了功能安全標(biāo)準(zhǔn)在
收稿日期：2015—05—09
作者簡(jiǎn)介：邵光存(1982一)，男，工程師，從事機(jī)械安全防護(hù)相關(guān)領(lǐng)域
研究
我國(guó)的實(shí)施步伐 。本文基于國(guó)情和GB 27607的安
全要求，按照功能安全理念，從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全完整
性等級(jí)和安全生命周期三方面，提供一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠
的機(jī)械壓力機(jī)安全保護(hù)方案。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
用于機(jī)械壓力機(jī)電氣安全的控制系統(tǒng)采用ISO
13849—1指定的4類結(jié)構(gòu)，兩獨(dú)立輸入單元采用冗余
方式接收外部設(shè)備信號(hào)，兩控制單元獨(dú)立進(jìn)行邏輯處
理，分別輸出控制信號(hào)(圖1)。急停、安全光幕、雙手
按鈕等安全相關(guān)功能部件的工作狀態(tài)，通過輸入電路
傳送到控制單元，控制單元根據(jù)壓力機(jī)特性和GB
27607的要求，采用失效斷言技術(shù)判斷安全設(shè)備的狀
態(tài)，輸出安全控制信號(hào)，控制雙聯(lián)閥和急停工作并檢
測(cè)受控設(shè)備的狀態(tài)，防止機(jī)床發(fā)生危險(xiǎn)失效。
安全設(shè)備的工作狀態(tài)，通過安全輸出控制機(jī)床運(yùn)行。
控制單元由主控制核和從控制核組成，兩控制
核組成功能相同的雙核系統(tǒng)，每個(gè)控制核包括控制
模塊、輸入模塊、功能模塊、輸出模塊、測(cè)試模塊和內(nèi)
核通信模塊6部分，如圖2所示。
主控制
用于檢測(cè)主控制核輸出的測(cè)試信號(hào)。
兩控制核配合工作，采用IS013849中性能等級(jí)
PLe推薦的技術(shù)，將外部壓力機(jī)安全設(shè)備、機(jī)床電氣
布線、控制系統(tǒng)輸入電路和控制核組成閉環(huán)的輸入信
號(hào)鏈，控制核與控制系統(tǒng)輸出電路和壓力機(jī)安全控制
從控制
圖2 FPGA內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)框圖
2．1．1 主控制核設(shè)計(jì)方案
主控制核產(chǎn)生系統(tǒng)的工作指令，控制外圍電路
輸出周期性檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)外部設(shè)備和機(jī)床電氣的
布線狀態(tài)，形成閉合的檢測(cè)信號(hào)鏈。根據(jù)返回的檢測(cè)
信號(hào)和設(shè)備特性，判斷壓力機(jī)的安全狀態(tài)，控制壓力
機(jī)制動(dòng)電路工作，防止發(fā)生沖壓危險(xiǎn)。
主核控制模塊產(chǎn)生系統(tǒng)工作指令，協(xié)調(diào)內(nèi)部各模
塊工作。測(cè)試模塊接收工作指令，依次輸出外部和內(nèi)
部測(cè)試信號(hào)，逐點(diǎn)檢測(cè)外部設(shè)備和內(nèi)部電路的工作狀
態(tài)，形成控制核、壓力機(jī)安全設(shè)備、布線和控制系統(tǒng)內(nèi)
部電路的閉環(huán)信號(hào)鏈。輸入模塊根據(jù)測(cè)試信號(hào)依次判
斷每個(gè)輸入信號(hào)的正確性，將輸人信號(hào)狀態(tài)發(fā)送到功
能模塊。功能模塊根據(jù)每個(gè)壓力機(jī)設(shè)備的特性處理輸
入信號(hào)，如根據(jù)GBFF 19671中l(wèi)lIC類型處理雙手裝
置的功能邏輯，監(jiān)控雙手信號(hào)的一致性，采用失效斷
言技術(shù)判斷雙手裝置的啟動(dòng)條件。對(duì)于安全光幕信
號(hào)，檢測(cè)輸入信號(hào)安全性的同時(shí)，結(jié)合壓力機(jī)工作狀
態(tài)處理安全光幕信號(hào)，壓力機(jī)回程期間，啟動(dòng)安全光
幕抑制功能，上死點(diǎn)位置啟動(dòng)安全光幕的自動(dòng)復(fù)位功
能，在保證安全的前提下提高壓力機(jī)工作效率。輸出
模塊根據(jù)功能模塊處理結(jié)果，控制外部開關(guān)裝置的工
作狀態(tài)，并在控制信號(hào)中調(diào)制動(dòng)態(tài)檢測(cè)信號(hào)，周期性
檢測(cè)外部開關(guān)裝置的受控狀態(tài)，形成輸出和反饋的閉
合信號(hào)鏈。內(nèi)核通信模塊將主控制核的指令信息、輸
入信號(hào)狀態(tài)、輸入設(shè)備處理狀態(tài)、輸出狀態(tài)和故障檢
測(cè)狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)發(fā)送到從控制核，接收從控制核發(fā)
部件組成閉環(huán)的輸出信號(hào)鏈，
兩控制核之間采用失效斷言技
術(shù)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，形成閉環(huán)
監(jiān)控信號(hào)鏈。兩控制核組成獨(dú)
立的雙通道，對(duì)每個(gè)安全輸出
可控可尋址，通過兩核之間的
動(dòng)態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)loo2D結(jié)構(gòu)?？?
制核設(shè)計(jì)過程中，采用功能安全標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)烈推薦的模塊
化方法和半形式4ETy~ 等措施圈，保障系統(tǒng)安全。
2．2 輸入單元設(shè)計(jì)方案
輸入單元采用光電隔離方式并行接收急停、安
全門、光幕、凸輪、超程、模式、雙手等安全設(shè)備的狀
態(tài)信號(hào)，將外部設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部邏輯電平后，內(nèi)
部檢測(cè)電路按照測(cè)試模塊的輸出時(shí)序，逐路檢測(cè)輸
入電路的正確性。通過外部測(cè)試和內(nèi)部檢測(cè)方式，動(dòng)
態(tài)監(jiān)控壓力機(jī)設(shè)備和輸入電路的合法性，采用冗余
方式將每個(gè)輸入信號(hào)分別發(fā)送到兩控制核。
2．3 輸出單元設(shè)計(jì)方案
輸出電路采用推挽結(jié)構(gòu)輸出控制信號(hào)，利用開
關(guān)管交越特性反饋輸出電路的工作狀態(tài)。通過交越
特性反饋輸出狀態(tài)，可有效避免電路故障引起調(diào)制
和反饋信號(hào)短路導(dǎo)致的危險(xiǎn)失效。兩控制核獨(dú)立控
制輸出單元的工作狀態(tài)，依次輸出每個(gè)輸出通道的
活性檢測(cè)信號(hào)，交越產(chǎn)生的反饋信號(hào)依次輸出到兩
控制核，兩控制核采用失效斷言技術(shù)判斷反饋信號(hào)
的正確性。為滿足PLe系統(tǒng)的要求，采用動(dòng)態(tài)檢測(cè)技
術(shù)監(jiān)控每個(gè)輸出通道的狀態(tài)，同時(shí)采用雙通道輸出
急停、安全閥等安全控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 通過
EDM 功能監(jiān)控安全閥等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)輸出
控制的閉環(huán)監(jiān)控。
3 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)，將急停、光幕、雙聯(lián)閥
等機(jī)械壓力機(jī)所有電氣安全相關(guān)部件集成控制，根據(jù)
壓力機(jī)控制系統(tǒng)的工作指令完成沖壓工作，保證壓力
機(jī)原有工作特性的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力機(jī)的安全輸入設(shè)備
和安全控制設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)操作區(qū)域的
全方位防護(hù)，使機(jī)械壓力機(jī)電氣控制系統(tǒng)滿足GB
27607的安全要求。安全控制系統(tǒng)性能等級(jí)達(dá)到PLe，
安全完整性等級(jí)為SIL3，獲得國(guó)際和國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的
文章編號(hào)：1672—0121(2015)06—0079-04
PRoFINET總線技術(shù)在西門子
TIA博途軟件中的應(yīng)用
王斌。曲杰。張國(guó)旭，張明，王寧，朱煜
(濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南250306)
摘要：PROFINET總線技術(shù)是PROFIBUS國(guó)際組織創(chuàng)新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也可以采用
網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)來集成Profibus設(shè)備到T-業(yè)以太網(wǎng)上來，降低了產(chǎn)品升級(jí)的成本，此技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)場(chǎng)總線技
術(shù)有了重大革新。本文結(jié)合SIMATIC s7—1200 PLC和SINAMICS$120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了PROFINET總
線技術(shù)在TIA博途軟件中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：PROFINET；TIA博途；S7—1200 PLC；S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B DOI：10．16316／j．issn．1672—0121．2015．06．022
0 前言
PROFINET 由PROFIBUS國(guó)際組織(PROFIBUS
Intemational，PI)推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技
收稿日期：2015—01—20
作者簡(jiǎn)介：王斌(1988一)，男，助理工程師，從事電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)
術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的集成
和一體化的自動(dòng)控制解決方案。它可以應(yīng)用在基于
工業(yè)以太網(wǎng)通信的分散式的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和需要苛求
時(shí)間的應(yīng)用集成， 以及基于組件的分布式自動(dòng)化系
統(tǒng)集成中。PROFINET是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的自
動(dòng)化通信系統(tǒng)，也是一套全面的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以在
功能安全認(rèn)證。系統(tǒng)的診斷覆蓋率DC=99．99％ ，危險(xiǎn)
失效概率PFH。=1．15xlO-s，單通道危險(xiǎn)失效時(shí)間MT—
TFa=83．6年，其功能特性和安全特性都達(dá)到世界先進(jìn)
水平，安全輸出電路部分獲得國(guó)家發(fā)明專利。同時(shí)，本
文設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)立足國(guó)情，在提高機(jī)械壓力機(jī)
電氣系統(tǒng)安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，節(jié)約成本，
促進(jìn)工業(yè)安全和功能安全事業(yè)發(fā)展。
【參考文獻(xiàn)】
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展綜述[J]_化工自動(dòng)化儀表，2010，37(5)：1-5．
【5] IEC 61508-2010 Functional safety of electrical／electronic／
programmable electronicsafety -related systems 【s]． IEC，
Geneva， Switzerland．2010．
Integrated control of electrical safety system for mechanical press based Oil GB 27607
SHAO Guangcun ，LI Haiming ，YANG Shuai ，WANG Xu~un ，GUO Laiping~，JIANG Xinjun

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