造紙車間漿料制備系統(tǒng)的安全急停鏈設(shè)計

牛帥

摘要：?安全急停鏈作為一種提升機械本質(zhì)安全的措施，已經(jīng)越來越多地在引進制漿造紙裝備的操作要求和基礎(chǔ)工藝包中被提及。本文結(jié)合海外項目工程案例，從安全類別和停止類型的確定、安全急停的分組及布置、急停功能的電氣設(shè)計三個方面，介紹了安全急停鏈的適用規(guī)范、配置要求以及在造紙車間漿料制備系統(tǒng)中的設(shè)計及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：急停功能;安全繼電器;急停鏈;漿料制備

中圖分類號：TS734;TS736 ?文獻標(biāo)識碼：A ?DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.008

Abstract：?The safety emergency stop chain is a measure to improve the intrinsic safety of machinery. It has been required more and more in operation requirements and basic design packages of the import pulp and paper equipment and projects. From the definition of safety category and stop type，?the grouping and arrangement of safety emergency stop，?and the electrical design of emergency stop function，?the article introduced the related standard and configuration requirements of safety emergency stop chain ?of stock preparation system based on the overseas project.

Key words：?emergency stop function;?safety relay;?emergency stop chain;?stock preparation

在機械設(shè)備和工程安全設(shè)計方面，滿足基本安全和健康要求是各國，尤其是發(fā)達國家，憑借自身優(yōu)勢限制其他國家產(chǎn)品進入的重要籌碼之一。發(fā)達國家一直主張通過提升機械本身的安全性來保證生產(chǎn)中的安全性，這種強調(diào)機械本質(zhì)安全的理念已經(jīng)在歐美等發(fā)達國家得到普遍推廣^[1]。但這一理念在國內(nèi)的制漿造紙機械及工程設(shè)計行業(yè)中卻并未得到廣泛的重視。這不僅限制國內(nèi)制漿造紙機械及工程安全設(shè)計水平的提升，更容易在部分出口的機械設(shè)備及工程項目上造成技術(shù)準(zhǔn)入壁壘，阻礙我國制漿造紙裝備制造業(yè)及工程技術(shù)的海外拓展^[2]。

安全急停鏈作為一種提升機械本質(zhì)安全的措施，已經(jīng)越來越多地在引進制漿造紙裝備的操作要求和基礎(chǔ)工藝包中被提及^[3]。對這類項目，設(shè)計院及工程公司往往只是根據(jù)外方已確定好的安全類別、設(shè)備分組、裝置布置完成最終的電氣、自動化圖紙詳細(xì)設(shè)計，而對于電氣功能原理設(shè)計背后的設(shè)備風(fēng)險評價到安全急停鏈定級分組的過程卻了解甚少。

在面對國產(chǎn)制漿造紙裝備及自主工藝包時，由于設(shè)備風(fēng)險評價和安全功能的定級分組需要設(shè)備制造商與設(shè)計院、工程公司在機械、工藝、電氣、自動化等專業(yè)之間相互配合，且安全急停鏈所涉及的國內(nèi)外不同體系技術(shù)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)又相對繁雜，不同主持單位選用的風(fēng)險評價方法及評價結(jié)果可能又不盡相同，種種因素在源頭上對實際工程中的安全急停鏈的分類、分組造成了困難，對安全急停鏈的設(shè)計和實施產(chǎn)生了困擾。所以借鑒海外EPC項目的先進經(jīng)驗，正確理解安全急停鏈概念、適用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計原則顯得十分重要。

1 安全急停鏈的設(shè)計

1.1 總體要求

根據(jù)GB 16754（EN13850）定義，急停功能由單人的動作觸發(fā)，避免產(chǎn)生或減小存在對人的各種危險，以及對機械或正在進行中工作的損害。急停功能用于在緊急情況下立即停止設(shè)備并將設(shè)備設(shè)置為安全狀態(tài)。根據(jù)工藝過程子系統(tǒng)和設(shè)備的區(qū)域布置，將帶有緊急停止功能的電動機和設(shè)備進行分組，一條急停鏈對應(yīng)一組。如果急停鏈中的任何一個緊急停止按鈕或拉線開關(guān)被觸發(fā)，則屬于該急停鏈的所有電動機將被停止，并且設(shè)備將被控制到安全狀態(tài)。急停鏈中的電動機和設(shè)備一直處于安全鎖定的狀態(tài)，直到急停鏈中所有急停開關(guān)被恢復(fù)到正常，并且由人工通過復(fù)位確認(rèn)按鈕手動解除急停。

根據(jù)GB/T?16855.1（EN13849-1）《機械安全?控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件》中要求，安全類別定義了安全部件耐故障方面所要求的工況。安全類別B類，即當(dāng)出現(xiàn)故障時，能導(dǎo)致安全功能喪失;安全1類，即通過選擇和應(yīng)用合適的元件來實現(xiàn)改進耐故障的能力;安全2、3、4類則是通過改進控制系統(tǒng)安全部件的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。具體的安全類別需要根據(jù)風(fēng)險識別和風(fēng)險評價的結(jié)果確定，根據(jù)工藝設(shè)備規(guī)程及布置情況，通常在造紙車間里實現(xiàn)緊急停止功能的安全部件及控制系統(tǒng)應(yīng)至少滿足2類（Cat2）的要求，符合2類的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖1。符合要求的安全控制系統(tǒng)（SRS）或安全繼電器都可以用來實現(xiàn)緊急停止功能，并還可以考慮將車間DCS系統(tǒng)作為測試設(shè)備，定期檢查安全急停鏈的緊急停止功能是否存在故障。

此外，安全急停鏈的設(shè)計及實施還應(yīng)參照GB?5226.1（EN60204-1）《機械安全?及其電氣設(shè)備第一部分：通用技術(shù)條件》、GB?16754（EN13850）《機械安全?急停設(shè)計原則》、GB/T?19670（EN1037）《機械安全?防止意外啟動》中的相關(guān)規(guī)定。

1.2 電動機及設(shè)備的急停

為滿足緊急停止功能的需要，電動機控制中心（MCC）應(yīng)配備必要的附加部件。對于普通電動機，可以使用安全繼電器或安全控制系統(tǒng)，經(jīng)硬線聯(lián)鎖，觸發(fā)電動機主接觸器斷路跳閘，來執(zhí)行電動機電路的緊急停止功能。對于有緊急停止功能要求的變頻電機，其變頻器應(yīng)配備主接觸器，用以切斷變頻器的電源。緊急停止信號由安全繼電器或安全控制系統(tǒng)的硬線聯(lián)鎖送至變頻器，主接觸器由變頻器控制。為滿足緊急停止功能的所有組件均需按照GB/T?16855.1（EN13849-1）的要求選擇匹配的安全組件。

在急停鏈中，每個緊急停止按鈕的狀態(tài)以及安全繼電器的狀態(tài)需通過硬線送至車間DCS系統(tǒng)，這些信號在DCS系統(tǒng)中僅用于急停鏈回路的狀態(tài)指示。若急停鏈通過安全控制系統(tǒng)實現(xiàn)，則這些狀態(tài)信號可以通過現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)進行傳輸。

根據(jù)GB?16754（EN13850）中的要求，急停功能的設(shè)計應(yīng)在急停裝置動作后，以合適的方式停止機器的危險運行和操作，而不產(chǎn)生附加風(fēng)險，且無需人的進一步干預(yù)。其中“合適的方式”可能包括：選擇停機類別、應(yīng)用預(yù)定的停機順序、選擇最合適的減速率^[2]。合適的停機類別方式應(yīng)根據(jù)設(shè)備風(fēng)險評價的結(jié)果來確定，也可參考GB?5226.1（EN60204-1）中9.2.5.4條目的要求。對于普通直啟電動機而言，0類停機（立即切斷機器致動機構(gòu)的動力源）最為常見。對于變頻電動機，則有可能選擇盡快停止危險運作的可控方式（類別1停止），比如傳動系統(tǒng)的急停。

按照工藝子系統(tǒng)和設(shè)備布置區(qū)域的分組，除在急停鏈中必須具有緊急停止功能的電動機或設(shè)備以外，其他根據(jù)工藝過程要求配套執(zhí)行的停止動作可以由車間DCS系統(tǒng)中的軟件邏輯觸發(fā)動作。比如DCS系統(tǒng)根據(jù)軟件邏輯，由電動機或設(shè)備緊急停止造成的FAULT狀態(tài)而觸發(fā)氣動閥門的電磁閥失電，單作用執(zhí)行機構(gòu)彈簧復(fù)位等。

1.3 安全急停裝置

用于實現(xiàn)緊急停止功能的安全繼電器，應(yīng)布置在電氣房間單獨的盤、箱、柜中。安全繼電器應(yīng)為電動機回路提供必要數(shù)量的230VAC無源干觸點，并將繼電器的狀態(tài)接入DCS系統(tǒng)。除安全繼電器外，實現(xiàn)緊急停止功能的安全系統(tǒng)也可以由可編程安全邏輯控制器實現(xiàn)。

帶清晰安全標(biāo)識的緊急停止按鈕或拉線開關(guān)應(yīng)布置在現(xiàn)場設(shè)備附近，且易于觀察并方便接近的位置。參考EN1034-1《Safety requirements for the design and construction of paper making and finishing machines Part 1： Common requirements》條目5.7的要求，一個急停鏈中的緊急停止按鈕相距不應(yīng)超過15 m。

緊急停止按鈕或拉線開關(guān)應(yīng)具有2N/C+1N/O（2個常閉觸點+1個常開觸點），每個急停按鈕和拉線開關(guān)的兩個常閉觸點都將接入對應(yīng)急停鏈中的安全繼電器或安全控制系統(tǒng)。緊急停止按鈕應(yīng)帶拉撥復(fù)位或旋轉(zhuǎn)復(fù)位功能，拉線開關(guān)應(yīng)帶有就地狀態(tài)指示。這里特別需要指出的是，作為安全功能的緊急停止功能只能通過使用緊急停止按鈕或拉線開關(guān)激活，不能通過??車間DCS系統(tǒng)的邏輯或人機界面（HMI）交互方式激活。

除用以觸發(fā)緊急停止功能的急停按鈕和拉線開關(guān)外，還需在車間危險區(qū)域外的安全位置設(shè)置帶有指示燈的復(fù)位確認(rèn)按鈕，復(fù)位按鈕的位置應(yīng)具有良好的視野，以便能觀察到是否還有人在危險區(qū)域內(nèi)。指示緊急停止?fàn)顟B(tài)的復(fù)位按鈕指示燈的電源由急停鏈安全繼電器或安全控制系統(tǒng)輸出提供。

2 工程實例

以某中東地區(qū)年產(chǎn)31萬t文化紙機工程項目的漿料制備系統(tǒng)為例，該項目基礎(chǔ)工藝包及主體設(shè)備由芬蘭VALMET公司提供。綜合建設(shè)地及主體設(shè)備供應(yīng)商的要求，工程設(shè)計及建設(shè)嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)匾?guī)范及歐洲標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

由于我國在機械安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面更多地采用了歐盟或ISO/IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)，且國際標(biāo)準(zhǔn)化組織又幾乎全盤接受了歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織關(guān)于機械安全的標(biāo)準(zhǔn)^[1]，所以此項目中涉及機械安全的工程設(shè)計對國內(nèi)項目及其他適用或?qū)?biāo)歐洲標(biāo)準(zhǔn)的造紙工程都具有借鑒意義。

2.1 確定安全類別和停止類型

本工程的漿料制備系統(tǒng)包括碎漿、備漿、損紙?zhí)幚怼姿厥盏裙に囎酉到y(tǒng)，涉及的主要工藝設(shè)備有：水力碎漿機、鏈板輸送機、盤磨機、壓力篩、疏解機、多圓盤濃縮機、損紙濃縮機等。根據(jù)ISO 13849-1（GB/T 16855.1）和ISO 14121（GB/T 16856）的要求，中方工程設(shè)計人員與VALMET公司的設(shè)備技術(shù)人員一起采用風(fēng)險圖方法，對漿料制備系統(tǒng)中的主要工藝設(shè)備進行風(fēng)險評價，按傷害嚴(yán)重程度S，暴露于危險的頻率或持續(xù)時間F，規(guī)避或減小傷害的可能性P，來確定安全急停鏈部件的性能等級PL（Performance Level）和所需安全類別（Category）。圖2和圖3分別為風(fēng)險圖的安全類別和性能等級。

按圖2、圖3所示的風(fēng)險圖路徑，逐一對各主體設(shè)備進行風(fēng)險評價，風(fēng)險評價的參數(shù)整定及結(jié)果詳見表1。考慮到在漿包水力碎漿機連續(xù)工作時，平臺操作人員隨時有墜落可能，屬于長時連續(xù)暴露在危險環(huán)境（F2），所以經(jīng)過評價，水力碎漿機的安全部件性能等級PL和安全系統(tǒng)類別要求較其他設(shè)備高一級。根據(jù)各設(shè)備的風(fēng)險評價結(jié)果和控制要求，漿料制備系統(tǒng)中的所有電動機均適用0類停止。

2.2 安全急停鏈的分組及布置

綜合工藝過程子系統(tǒng)和設(shè)備布置情況，本工程漿料制備系統(tǒng)共劃分為3組急停鏈：111HZ-1221水力碎漿機及漿包輸送急停鏈;215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈;213HZ-1585損紙壓力篩及疏解機急停鏈。

在實際工程中考慮各組安全急停鏈中的急停按鈕布置時，應(yīng)首先檢查各設(shè)備隨機配帶的就地控制箱上是否已設(shè)置有符合急停鏈安全性能等級PL及規(guī)格要求的急停按鈕，如盤磨機、濃縮機、鏈板機等。若有，則可以綜合這些急停按鈕的位置，根據(jù)一條安全急停鏈中的急停按鈕相距不超過15 m的原則，結(jié)合安全急停鏈的設(shè)備區(qū)域在設(shè)備附近易于觀察并方便接近的位置設(shè)置安全急停按鈕。本工程漿料制備系統(tǒng)中的3條急停鏈的急停按鈕分布詳見圖4～圖6。

以圖5 215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈為例，急停鏈中涉及的盤磨機、多盤濃縮機和損紙濃縮機均由芬蘭VALMET公司供貨，VALMET在這些設(shè)備的就地控制箱上都已經(jīng)裝配了符合要求的安全急停按鈕。綜合這些已有急停按鈕的位置情況，設(shè)計人員在多盤濃縮機操作平臺上和附近樓面區(qū)域增設(shè)了急停按鈕212HS-1375F和212HS-1375G，在損紙濃縮機操作平臺上增設(shè)了急停按鈕212HS-1375D。總計7個現(xiàn)場急停按鈕以保證該急停鏈中的現(xiàn)場急停按鈕數(shù)量和布置符合規(guī)范要求。

2.3 安全急停功能的?????實現(xiàn)

考慮到安全控制系統(tǒng)的成本及造紙工程安全功能的要求及規(guī)模，本項目安全急停鏈功能主要由安全繼電器和配套輔助模塊實現(xiàn)。每條急停鏈設(shè)計有獨立的控制箱且布置在就近的MCC室內(nèi)，用以放置安全繼電器、擴展模塊、指示燈等元件。現(xiàn)場采用帶旋轉(zhuǎn)復(fù)位的三觸點輸出（2個常閉觸點+1個常開觸點）急停按鈕，以215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈為例，控制原理圖詳見圖7。安全繼電器選用帶有兩路輸入及多種繼電器輸出的DOLD BD5935（K11），此繼電器的輸出回路還可以通過輔助模塊DOLD BN3081（K12，K13）進行擴展。BD5935（K11）的常閉接點接入車間DCS系統(tǒng)用以指示安全急停鏈215HZ-1375的狀態(tài)，兩個常開接點分別由BN3081（K12，K13）擴展后，硬線接至各需要實現(xiàn)0類安全急停的電動機主接觸器。安全繼電器的工作電源由UPS電源提供。

急停按鈕215HZ-1375A～G的兩個常閉觸點串聯(lián)接入安全繼電器BD5935（K11）的S12和S22輸入端。另一個常開觸點作為DI（數(shù)字量輸入）信號接入車間DCS系統(tǒng)，用于指示急停鏈由哪個急停按鈕觸發(fā)，便于在系統(tǒng)中追溯和查詢。接線圖詳見圖8和圖9。

布置在安全位置的復(fù)位按鈕與輔助模塊BN3081（K12，K13）擴展后的常閉接點串聯(lián)后，接入BD5935（K11）復(fù)位功能端子。這樣就能保證在故障排除且現(xiàn)場急停按鈕都復(fù)位后，此復(fù)位按鈕才能對整條安全鏈進行有效復(fù)位。

3 結(jié) 語

安全急停鏈?zhǔn)仟毩⒂谲囬g過程控制的一套單獨系統(tǒng)，是為滿足機械及人身安全要求所設(shè)置的，不應(yīng)與過程控制的停止功能相混淆。所以不同于DCS系統(tǒng)中常見的單機停機或組停機聯(lián)鎖邏輯，本課題討論的都是具有“安全功能”的急停，在動作優(yōu)先級上要高于DCS系統(tǒng)中的停機邏輯。安全急停鏈的設(shè)計可以理解為對機械安全相關(guān)規(guī)范及要求在車間范圍內(nèi)的延展，將針對單臺設(shè)備的安全急停功能延伸到相互關(guān)聯(lián)的一組設(shè)備上，由其中任何一個安全急停按鈕就能觸發(fā)整組設(shè)備的安全急停功能，通過提升整組設(shè)備的本質(zhì)安全來保證車間的生產(chǎn)安全。

從上述的工程案例中可以發(fā)現(xiàn)，在制漿造紙工程的安全急停鏈設(shè)計中，相較于安全急停鏈的電氣設(shè)計本身，如何結(jié)合制漿造紙工藝流程的生產(chǎn)情況，對主要工藝設(shè)備進行合理的風(fēng)險評價，并根據(jù)系統(tǒng)及設(shè)備的布置情況完成急停鏈的分組和急停按鈕的布置是急停鏈設(shè)計的難點。一般而言，制漿造紙設(shè)備供應(yīng)商對自己設(shè)備的原理和運行情況有較多的認(rèn)識，而設(shè)計院和工程公司則更熟悉過程工藝系統(tǒng)及區(qū)域布置的情況。在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，二者應(yīng)結(jié)合制漿造紙系統(tǒng)流程及工藝操作需求，在風(fēng)險的識別及評價，安全功能的確認(rèn)，急停鏈的分組、布置、電氣設(shè)計等環(huán)節(jié)中相互協(xié)助，密切配合，以確保設(shè)計的安全急停鏈在符合規(guī)范的同時更加貼近生產(chǎn)實際，并達到保護人身、設(shè)備和車間生產(chǎn)安全的要求。

參考文獻

[1]?中國人民共和國商務(wù)部出口商品技術(shù)服務(wù)中心.出口商品技術(shù)指南（機械安全）[M].北京：中國人民共和國商務(wù)部，2011.

[2]?WANG Yuejie，?CHEN Zhen，?ZHANG Lintao，?et al. The Current Development Satus and Application of Domestic Disc Filter[J]. China Pulp & Paper，?2012，31（7）：45.

王月潔，陳?振，張林濤，等. 國產(chǎn)多圓盤過濾機的發(fā)展現(xiàn)狀及生產(chǎn)實踐?[J].中國造紙，2012，31（7）：45.

[3]?ZHANG Hui，?ZHAO Xiaolin. A Review of Recent Development of Domestic Pulping and Papermaking Equipment [J]. China Pulp & Paper，?2014，33（12）：63.

張?輝，趙小玲.國產(chǎn)制漿造紙裝備的最新進展[J].中國造紙，2014，33（12）：63.

（責(zé)任編輯：黃舉）