機 械 安 全 控 制 系 統 實 驗 臺 的 研 制

周 成， 居里鍇， 劉天騰

(南京理工大學 a. 工程訓練中心；b. 機械工程學院，南京 210094)

0 引 言

隨著科學技術的進步，機械化、自動化及信息化已成為工業領域的主要生產方式。然而，伴隨機械的大量使用，由于人的不安全行為、機械的不安全狀態，機械安全問題日趨凸顯和嚴峻。同時機械安全問題也成為發達國家在國際貿易中設置技術貿易壁壘的重要依據。在機械產品的設計開發階段秉持本質安全設計的理念，是提高產品安全水平、降低安全成本、保障使用者安全最行之有效的手段[1-7]。

產品在設計階段就應當按照嚴格的標準進行安全設計，對存在較大風險源的產品，設計時應同步設計安全防護控制系統，即使操作人員失誤或發生機械故障，也可確保操作人員安全。當前，能夠進行機械安全防護控制系統的設計者大多是在工作中通過實踐獲得的。高等學校作為高等人才培養的主要場所，其畢業生將成為企業設計、研發產品的主力軍，高校學生學習機械產品設計時卻忽視了機械產品安全設計的方法，不具備機械安全設計的意識[8-11]。本文研制了機械安全防護控制系統實驗臺，通過實驗臺實驗，使學生掌握機械安全防護控制系統的設計方法，貫徹提高產品的本質安全水平，讓學生在產品設計階段就具有考慮安全防護問題的意識，從源頭上提高安全生產的水平。

1 實驗臺設計方案

機械安全控制系統實驗臺由工件搬運系統、安全防護控制系統以及實驗臺監控軟件三部分組成。工件搬運系統通過機器人抓取同步帶上運輸的物料，模擬工業生產中物料的自動傳輸過程；安全防護控制系統用于實現在工件搬運過程中，有危險產生時控制工件搬運系統停止工作；實驗臺監控軟件用于監控安全防護控制系統在工作過程中的狀態。

實驗臺結構組成見圖1，由抓取機器人、驅動電動機、安全光幕、光幕智能屏蔽器、滑臺限位傳感器、工件、同步帶、滑臺、安全控制器接線盒、按鈕盒、啟動按鈕、復位按鈕、急停按鈕、計算機、多層警示燈、實驗臺面、機器人控制盒、電源總開關、安全控制器、安全繼電器、電源指示燈、總控制柜、磁感應連鎖開關、安全連鎖開關、解鎖按鈕、安全圍欄等組成。實驗臺實物見圖2。

圖1 實驗臺組成結構

使用該實驗臺時，根據設計的安全防護控制系統，通過安全控制器接線盒連接所需的安全元器件。工件搬運系統開始工作時，如人員觸發安全元器件( 如安全光幕) ，工件搬運系統自動停止工作，多層警示燈發出報警聲。使用本實驗臺可實現如下功能: ① 學習安全防護控制系統的設計。本實驗臺自身設計有相關安全防護控制系統實驗，可通過實驗掌握安全防護控制系統的原理及其設計方法。② 學習不同安全元器件的功能應用。安全元器件是組成安全防護控制系統的基本元件，可通過本實驗臺對單個元器件的功能進行實驗，讓使用者掌握安全元器件的原理及使用方法。③ 安全防護控制系統的驗證。在實際產品設計中進行安全防護控制系統方案設計時，可先通過本實驗臺構建設計方案，驗證設計是否滿足使用功能，提出改進措施。通過實驗，進行方案分析和改進。

圖2 實驗臺實物

2 工件搬運系統

工件搬運系統由抓取機器人、驅動電動機、滑臺限位傳感器、工件、同步帶、滑臺、機器人控制盒組成。滑臺固定于同步帶上，在驅動電動機驅動下同步帶帶動工件移動，滑臺限位傳感器固定于同步帶上，抓取機器人及機器人控制盒置于實驗臺面上，結構如圖3所示。抓取機器人選取四軸碼垛機器人，其速度快、成本低，適合小工業產線碼垛、物料篩選等工作，抓手采用伺服直流電動機驅動的機械抓手。

圖3 工件搬運系統

實驗臺實驗時，工件置于滑臺上，滑臺處于初始工作位置(限位傳感器1#處)，系統啟動后，工件被同步帶運輸移動到工作終點(限位傳感器2#處)；機器人根據設置的動作循環抓取工件，并搬運至側面物料盒中；滑臺在機器人抓取工件后自動回到初始工作位置，進行下次的工件搬運過程。

3 安全防護控制系統

3.1 安全防護控制系統

安全防護控制系統的作用是保護工業現場的工作人員和加工設備的安全，避免工作人員出現人身安全事故，避免現場的加工設備受到損壞，減少企業因安全事故所造成的損失。

安全防護控制系統由不同類型的安全元器件組成，主要由安全輸入設備、安全控制設備、安全輸出設備三部分構成，結構如圖4所示。安全輸入設備主要用于檢測是否有人員接近危險源；安全輸出設備用于控制危險源的動作，且可以降低其風險；安全控制設備是對安全輸入信息進行讀取、運算，對安全輸出設備進行控制的設備，是安全系統的核心，對安全系統的構筑起到了關鍵的作用。

圖4 安全控制系統結構

機械安全防護控制系統實驗臺安全防護控制系統由安全光幕、光幕智能屏蔽器、復位按鈕、急停按鈕、多層警示燈、安全控制器、安全繼電器、磁感應連鎖開關、安全連鎖開關、解鎖按鈕等組成。系統組成原理圖如圖5所示。

圖5 安全控制系統原理圖

3.2 安全控制器

安全控制器選用歐姆龍公司G9SP。G9SP安全控制器具有以下特點。

(1) 自由編程。與普通可編程控制器一樣，通過配套的G9SP Configurator軟件，對輸入、輸出進行定義，對程序進行編寫、更改，實現安全防護控制系統的監控。

(2) 簡化設計、方便接線。由于G9SP安全控制器將以前急停開關、安全門開關、安全光幕等多個元器件的功能集成在一個控制器上，可以直接將安全信號接在G9SP安全控制器上。

(3) 靈活配置。不僅可以單獨使用G9SP安全控制器，也可以和普通可編程控制器配套使用，還可以增加一些擴展模塊，靈活地配置一些模塊進行組合[12-15]。

在構建安全防護系統時，G9SP安全控制器一般置于控制柜中，各安全元器件連接于G9SP安全控制器的輸入與輸出端口，對于一個固定功能的安全防護控制系統，其接線方式固定。如需改變安全防護控制系統的功能，增加或減少安全元器件，則需改變接線方式，而對于已經完成接線工作的安全防護控制系統，再次改變接線方式將費時費力，且容易導致錯誤的產生。為了解決此問題，研制了G9SP安全PLC試驗盒，如圖6所示。G9SP安全控制器具有Si00～Si19的輸入接口和So00～So07、T0～T5的輸出接口，將G9SP安全PLC試驗盒上的接口與G9SP安全控制器上的對應接口串接。使用即插即拔的連接線將安全元器件連接于G9SP安全PLC試驗盒上，即可實現G9SP安全控制器接線的快速改變，從而方便快速的構建不同安全防護控制系統。

圖6 G9SP安全PLC試驗盒

4 實驗過程

(1) 根據實驗設計的安全防護系統輸入與輸出設備，完成G9SP安全PLC試驗盒上的接線。

(2) 實驗臺上電，電源總開關打開，電源指示燈亮起。復位按鈕上的指示燈閃爍，啟動抓取機器人，按下復位按鈕。復位按鈕指示燈滅掉，所有產品都處于正常狀態，多層警示燈綠色燈亮，實驗臺可正常使用。

(3) 在計算機上進入試驗臺選用的安全控制器使用的控制軟件，構建安全防護控制系統監控界面。

(4) 進入試驗臺的G9SP安全控制器控制軟件，構建安全防護系統監控界面，見圖7，并開啟監控功能。

(5) 將工件置于滑臺上，滑臺處于初始工作位置。

(6) 按下啟動按鈕，工件被同步帶運輸移動到工作終點。由于光幕智能屏蔽器的存在，在工件運輸過程中，不會因為工件穿過安全光幕導致工件搬運系統停止工作。抓取機器人根據設置的動作循環抓取工件，并搬運至側面的實驗臺面上；滑臺在抓取機器人抓搬運過程。

圖7 安全防護控制系統監控界面

(7) 人手穿過安全光幕，工件搬運系統立刻停止工作，多層警示燈紅色燈亮起，同時報警聲響起，安全防護系統監控界面中的“光幕”部分閃爍。

(8) 按下復位按鈕實驗臺恢復到步驟(5)狀態。

(9) 同理，可通過急停按鈕、磁感應連鎖開關、安全連鎖開關觸發安全防護控制系統控制工件搬運系統停止工作。

5 結 語

產品在設計階段應當按照嚴格的標準進行安全設計，而具有此意識的人員往往都是在工作中通過實踐獲得的，高校學生學習產品設計時均忽視了機械產品安全設計的方法，機械安全設計意識淡薄。機械安全控制系統實驗臺的研制為高校進行安全防護控制系統的教學提供了實驗裝置。可通過安全防護控制系統的實驗培養學生在產品設計時即考慮安全防護問題，提高產品的本質安全水平。

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