磨床的故障及安全保護系統

李 磊

（馬鋼鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽馬鞍山243000）

磨床的故障及安全保護系統

李 磊

（馬鋼鋼鐵股份有限公司第一鋼軋總廠，安徽馬鞍山243000）

磨床安全控制系統能提供可靠的安全保護手段，最大限度地避免設備的不安全狀態（控制器件失效、輸入設備誤動作等），防止惡性事故的發生；當出現人的不安全行為（違章和違規操作等）而導致危險時，系統會立即輸出信號，使設備停止運行，阻止危險事故發生和擴散。

安全保護；冗余；維護

1 引言

安全功能在工業設備上的使用在歐美國家已經十分普及，歐洲制造企業的工業設備必須符合強制性安全標準，才能投產。在中國隨著工業化水平的提高，設備的安全性近年來得到更多的重視。通過正確合理的設計和使用安全元器件，安全控制系統就能提供可靠的安全保護手段，最大限度地避免設備的不安全狀態（控制器件失效、輸入設備誤動作等），防止惡性事故的發生；當出現人的不安全行為（違章和違規操作等）而導致危險時，系統會立即輸出信號，使設備停止運行，阻止危險發生和事故擴散。任何一臺機器設備都存在危險性，采取了安全保護和安全控制措施的生產過程能夠避免事故的發生。

2 安全控制系統配置

2.1 組成

磨床安全控制系統配置由安全輸入信號三部分組成：（緊急停止按鈕、安全門、安全光柵等）、安全控制模塊（安全繼電器、安全PLC等）、輸出控制元件（接觸器、數控驅動器、普通PLC和閥等）。

2.2 運行流程

在具有安全要求的機器設備中，普通繼電器曾經被廣泛作為控制元件，實施安全功能控制。這在一定條件下也能保證安全性。但是當普通繼電器由于缺陷和外部原因功能失效時（如觸點粘熔、電氣短路等故障），就會失去安全功能，引發事故。安全繼電器之所以能可靠地實現安全功能控制就在于：安全繼電器帶有強制斷開觸點。

正常狀態下，繼電器線圈得電時，觸點動作，常開點閉合，常閉點斷開。通過繼電器觸點的通斷，實現安全功能的控制。

當繼電器出現故障，線圈失電時，普通繼電器常開點的粘連不影響常閉點的閉合。而安全繼電器帶有強制斷開觸點，常開點與常閉點在機構上實現互鎖。線圈失電情況下，當常開點粘連時，能保證常閉點強制斷開不閉合。

2.3 安全繼電器電路功能分析

以數控軋輥WALDRICH磨床的安全繼電器使用為例。其安全功能包括7個緊急停止按鈕，一個砂輪速度和直徑監控模塊，一個砂輪蓋板門鎖開關，4個伺服軸系正（＋）負（-）急停限位。它采用一個緊湊型PilZ安全繼電器（PNOZ 2VQ）控制所有的緊急停止按鈕并連接砂輪速度和直徑監控模塊的輸出端子；使用一個PNOZ X2.1緊湊安全繼電器控制4個軸正負急停限位；使用一個PNOZ X2.1緊湊安全繼電器控制砂輪蓋板。任何一個安全繼電器被觸發，安全輸出就會切斷相關的負載（如主電源斷路器，變頻器，伺服驅動模塊）。

急停按鈕安全繼電器PNOZ 2VQ（見圖1）各端子功能。

圖1 PNOZ 2VQ安全繼電器內部接線原理圖

A1-A2端子：提供24V/DC電源，通電時，LED“POWER”指示燈亮。

S12-S34端子：接常開按鈕，構成急停復位回路。

S11-S12和S21-S22端子：分別串聯外部緊急停止按鈕內的＋24V電源和0V電源，以及砂輪速度和直徑監控模塊的2路輸出端子（內部常開點），構成安全控制冗余回路。通過這兩組端子輸入信號，安全繼電器可以監控外部急停按鈕狀態，監控砂輪速度和直徑的大小，同時實現外部電路的短路監控。

Y39-Y40端子：接控制電源接觸器常開點，可以提前終止安全繼電器內部的T1，T2延時繼電器動作。

57-58，67-68端子是帶延時的常開安全觸點，13-14，23-24，33-34是不帶延時的常開安全觸點，41-42常閉輔助觸點。

57-58端子：24V/DC由57端子輸入，58端子輸出，控制磨床主電源斷路器的欠壓脫扣線圈。當安全繼電器動作，57-58端子內部電路斷開，磨床主電源斷路器會因欠壓脫扣器動作而切斷主電源，防止事故發生或擴大化。同時該端子還可連接外部繼電器線圈，通過外部繼電器控制磨床各功能區域的主電源的通斷（見圖2）。

67-68端子：24V/DC由67端子輸入，68端子輸出，先串聯磨床4個伺服軸的正，負急停限位后，再輸入到急停限位安全繼電器PNOZ X2.1的A1端子提供工作電源。緊急停止按鈕和砂輪轉速直徑的觸發事件比急停限位觸發事件安全等級高，所以兩類安全觸發事件分別由兩種安全繼電器控制，安全保護動作的結果也不一樣。前者安全動作會使主電源斷路器欠壓脫扣，急停報警不消除，主電源斷路器就無法合閘送電。后者通過控制各伺服軸的使能信號，實現對各軸系的使能控制。這種設計可以避免磨床各軸急停限位信號觸發時，主電源斷路器不會跳閘。

13-14，23-24，33-34端子：是安全繼電器內部常開點。以13-14端子為例，電源由13端子輸入，14端子輸出并外接繼電器線圈，外部繼電器的常開觸點可以作為PLC的急停輸入信號，參與邏輯控制。常閉點連接Y1-Y2端子，安全繼電器動作后，如果報警復位，電源可以通過Y1-Y2端子為安全繼電器內部的啟動器提供電源，重新啟動安全繼電器功能。

急停限位安全繼電器PNOZ X2.1（見圖3）各端子功能。

A1-A2電源端子：當軸的正負方向任一急停限位斷開或短路時，急停限位安全繼電器失電，內部安全常開觸點打開。

13-14端子：內部常開點的使能端子，電源13端子輸入，14端子輸出，連接外部使能信號繼電器，使能信號繼電器的常開點控制各個軸控制模塊的使能信號。使能信號丟失時，伺服系統報警，功率模塊停止運行，軸驅動停止。

圖2 PNOZ 2VQ安全繼電器外部接線圖

圖3 PNOZ X2.1安全繼電器外部接線圖

23-24端子：連接PLC的輸入端，提供限位急停安全信號。S33-S34端子：是安全繼電器復位端。

砂輪蓋板門鎖的安全控制繼電器同樣是PNOZX2.1，功能相似，這里不再敘述。

3 故障處理

3.1 急停報警，復位后仍然不能運行

磨床急停報警，安全繼電器動作，主電源斷路器跳閘，復位無效。判斷故障出在急停按鈕安全繼電器保護電路，觀察安全繼電器LED燈，電源燈亮，通道1和通道2指示燈都不亮。短接S11-S12，S21-S22，Y39-Y40。兩個通道LED燈亮，安全繼電器可以復位。排除安全繼電器硬件故障。去除Y39-Y40短接線，接回原電路連線，故障重復出現，確定Y39-Y40端子外圍電路有故障。恢復Y39-Y40短接線，去除S11-S12，S21-S22短接線，接回原電路連線，安全繼電器可以復位，確定所有急停按鈕電路和砂輪速度直徑監控無故障。明確故障點后，檢查Y39-Y40端子外圍電路，發現Y39-Y40之間連接一個接觸器常開點，接觸器已經正常吸合，常開觸點也已閉合，24V電壓輸出時有時無。判斷觸點接觸不良，由于該電氣柜曾用過干粉滅火器滅火，可能接觸器內有殘留干粉，導致銜鐵和觸點之間接觸不良，遂更換接觸器，安全繼電器正常工作，報警消除。

安全繼電器發現沒有輸出時：

第一，檢查接線是否正確。每個型號的安全繼電器的接線方式都是不同的，但接線的理念都是一樣。

1.檢查工作電壓是否正確。正確上電后POWER燈會常亮。

2.檢查輸入回路的接線。確定安全繼電器是按照單通道輸入方式接線還是雙通道方式接線.

如果是雙通道不檢測觸點間短路故障工作方式的話則是短接S21和S22，兩個常閉觸點分別置于S11和S12，S11和S32之間.

如果是雙通道不檢測觸點間短路故障工作方式的話則是短接S21和S22，兩個常閉觸點分別置于S11和S12，S11和S32之間.

第二，檢查是否是安全繼電器本身發生故障。選擇自動復位，去除反饋回路。短接輸入通道，察看安全繼電器是否有輸出，即CH1和CH2燈常亮。

第三，如果通過上述的操作可以使安全繼電器正常工作的話，那就說明故障并非在安全繼電器內部而是在外部。外部故障一般分為這幾類：

1.觸點發生焊死狀況。如果是手動復位方式此時CH1燈會常亮，但CH2燈不亮，按下復位按鈕CH1和CH2都會熄滅。如果是自動復位方式CH1和CH2燈都不亮。當解決了這個故障之后需要拍下急停按鈕再釋放才能使得安全繼電器再次工作（如果是手動復位的話還需按下復位按鈕）

2.觸點間發生短路故障。此時安全繼電器的三個狀態顯示燈POWER,CH1,CH2都會熄滅。

3.輸出回路上發生短路故障。此時安全繼電器的CH1和CH2燈都會熄滅。

3.2 改進措施

由磨床實例可知，安全繼電器能夠保證至少2個安全觸點通道進行輸出控制。在一個輸出通道出現故障時，另外一個冗余通道依然能夠保證安全繼電器的安全功能，并且及時檢測出故障通道，通過通道LED指示燈點亮和熄滅的狀態，提示哪個通道出現故障。這樣就可以有效地監控外部回路的觸點是否熔接，或者有沒有短路等現象。提供安全功能的同時，也縮短維護人員的排查故障時間。也可以運用安全繼電器模塊，配合以下原有的安全保護開關，達到更確實的防護措施。

（1）使用電磁鎖門鎖開關的應用，以確保作業區的安全。(機器不能立即停止)。

（2）緊急停止開關于緊急情況時停止機器之用。

（3）使用鑰匙配合安全門開關做為檢測門開閉之用(機器需立即停止)。

（4）使用安全限位開關，檢測門的位置、開或關的應用。

（5）使用安全光柵，防止工作人員進入危險工作范圍。

（6）使用安全踏墊開關，以確認機器操作人員以進入工作作業區。

（7）使用兩手按壓開關，確認機器操作人員雙手已離開危險工作區。

以上各種安全開關搭配皆可以配合安全繼電器模塊的應用，做為機械安全防護裝置，減少危險發生的機會，以創造更加安全的工作環境。

安全繼電器是一種能夠保證其應用安全性的繼電器。但并不意味著這種繼電器不會出現故障，而是在發生故障時通過自我檢測出故障狀態來保證安全。

增加緊急停止電路：當觸發按鈕時，電子安全繼電器切換幾個回路，直接或延時斷開電源。根據配置不同，它們可以檢測緊急停止按鈕電路中的故障，例如交叉短路、接地故障或短路。只要故障沒有修正，這會導致立即斷開或者防止重新起動。

所以增加安全繼電器可以在安全電路發生故障時，可以切斷機器動力電源，使機器不能再啟動。

4 結束語

安全繼電器并不是“沒有故障的繼電器”，而是發生故障時做出有規則的動作，它具有強制導向接點結構，萬一發生接點熔結現象時也能確保安全，這一點同一般繼電器的安全不同地方。在很多危險場合都需要用到安全繼電器，有緊急停止監控，防護門監控，安全光柵等功能。

隨著技術的不斷提升，用戶對設備自動化的要求越來越高，機器和設備也越來越復雜、速度也越來越快。因此，用戶對這些機器的安全要求也越來越高。我們既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護性。這就對安全元器件的正確和合理的設計和選擇提出了一定的要求。

目前在單臺數控機床和小型流水線上，安全繼電器已經得到廣泛的應用，極大提高了設備生產的安全性。在這方面我國還處于起步階段，很多有一定危險性的設備沒有任何安全保護措施，這也是工廠事故頻發的一個重要原因。隨著國家對此重視程度的提高和以人為本理念的逐漸深入人心，設備的安全性正得到越來越多的重視。安全繼電器的應用，在未來將有廣闊的前景。

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，畢業于安徽工業大學電氣自動化專業，助理工程師，現在從事磨床電氣自動化維護及修理工作。