故障安全型可編程序控制器在橫剪線改造中的應用

趙 杰

上海日立能源電力變壓器有限公司 上海 201206

1 應用背景

工廠早年引進的鐵芯片橫剪線,具備良好的加工效率,但安全設計并不能很好地保證操作人員的安全。在設備運行時,剪切區、疊料區、排廢料區有硅鋼片料飛濺傷人的風險,備料區的料卷開卷機沒有相關防護,無法避免卷料砸落傷人。向原廠咨詢安全集成升級價格,需要120多萬元,價格昂貴。參考工廠另外一臺引進的橫剪線安全保護裝置后,決定在改造中應用西門子S7-300故障安全型可編程序控制器。

2 設備情況

橫剪線開始運行時,由頭部上料區進料,硅鋼片通過喂料輥、測長輥、伺服電機的協同配合,在設備的雙側定位導軌中高速行進,經由剪切區的沖孔刀具、V形刀具、±45°鍘刀,剪切為變壓器鐵芯片。成型的鐵芯片再經由傳送壓輪和傳送帶,高速行進至疊料區,根據程序設定按位置落料堆疊。加工完成一個規格的鐵芯片,換料時會將剪刀料頭直接送至橫剪線尾部的廢料桶內。在設備使用近20 a后,由于導軌、機械、傳送裝置皆發生不可逆轉的損耗,影響導軌精度、機械剛性,片料有時會在加工中疊料,在排廢料區發生飛濺出剪切線的現象。片料的邊緣十分鋒利,容易對周邊人員造成傷害。備料區分度旋轉的開卷機在帶料分度旋轉時也發生過料卷砸落的事件。這些現象對操作人員的安全有巨大威脅。為了減少類似事件,不得不降低設備的加工速度,這極大影響了設備加工效率。

設備情況如圖1所示。

圖1 設備情況

3 改造方案

根據設備存在的問題,制訂改造方案。

對外圍裝置,進行如下改造:

(1) 在頭部備料區加裝帶安全電子鎖的圍欄,即T6門;

(2) 緊鄰備料區的是開卷后帶料送入導軌的上料區,也加裝帶安全電子鎖的圍欄,即T5門;

(3) 在剪切區兩側安裝電動升降門,即T1門、T2門;

(4) 在疊料區兩側安裝電動升降門,即T3門、T4門;

(5) 在排廢料區安裝帶安全電子鎖的圍欄,即T7門。

外圍裝置改造方案如圖2所示。

圖2 外圍裝置改造方案

對安全聯鎖裝置,選用TZ系列安全開關電子鎖,用于T5門、T6門、T7門,同時選用NZ系列安全開關,用作T1門、T2門、T3門、T4門的限位開關。

進行安全互鎖邏輯控制,T1門、T2門、T3門、T4門、T7門和主機運行實現邏輯互鎖,任何一扇門不在關閉位置,設備將無法開啟加工。這樣做的目的是保證生產加工時升降門和圍欄門關閉到位,避免發生片料飛濺傷人事件。 T5門、T6門和開卷機分度旋轉功能實現邏輯互鎖,只有當門關閉時,才允許旋轉分度,避免料卷砸落傷人事件。

4 故障安全型可編程序控制器特點

應用的門子S7-300故障安全型可編程序控制器,安全等級與普通可編程序控制器不同。S7-300故障安全型可編程序控制器經過德國技術監督協會安規認證,符合安全完整性等級第三等級,并且符合IEC 61508控制系統安全相關部件標準的要求。

故障安全型可編程序控制器在硬件設計和制造方面和普通可編程序控制器有很大不同。主機或功能模塊、執行件出現故障時,故障安全型可編程序控制器能準確響應,及時切斷輸出。例如,項目中輸入輸出模塊應用的是FDI和FDO,都是雙通道設計,可以對外圍信號進行比較和校驗。另外,在硬件上增加更多的診斷功能,能夠對外部短路或斷路故障進行診斷。由此,當在編程軟件中進行硬件組態時,普通輸入輸出模塊只配置單獨的輸入和輸出地址,而對于FDI,系統還會進行輸出地址分配,對于FDO,則進行輸入地址分配,作用是FDI周期性對外圍線路或者元件進行信號輸出檢測,確認是否有異常,同理,FDO周期性對線路和執行件進行狀態采樣檢測。故障安全型可編程序控制器輸出模塊如圖3所示。另外,主機中央處理器應用雙處理器冗余結構,兩個處理器對數據進行處理時進行交互檢驗,各自的處理結果存儲在各自內存中,只有結果一致,才會進行輸出,如果結果出現不一致,那么系統執行安全保護措施,或者安全停機。由以上分析可見,基于硬件層面的多種升級,故障安全型可編程序控制器相較于普通可編程序控制器,安全保護功能提升是非常全面的。

圖3 故障安全型可編程序控制器輸出模塊

在通信功能上,故障安全型可編程序控制器遵循的是ProfiSafe協議,這是在常規標準數據傳輸系統的基礎上附加的用于安全功能的傳輸協議,可以與標準ProfiBus或ProfiNet總線融為一體,既可以避免額外的線路鋪設,又能夠為日后進行其它功能添加提高便捷性。ProfiSafe協議同樣通過德國技術監督協會安規測試,符合安全完整性等級第三等級,對于可能突發的安全危害,如設備中的電磁干擾,以及FDI、FDO硬件發生損壞,都能保證數據交互,并且執行安全保護措施。

5 可編程序控制器程序

根據項目實際,制訂程序所需的輸入輸出功能表,見表1、表2。

表1 輸入表

表2 輸出表

由于剪切線自身的可編程序控制器的程序是加密的,無法對其進行直接更改,因此在項目中硬件和程序組合升級皆獨立于設備原廠設計,程序編輯和應用通過對設備原本的一些信號進行短接。與安全相關的輸出通過控制外加繼電器,將繼電器的觸點串聯接入設備自身的執行件線路中。例如對于禁止開卷機分度旋轉,將繼電器的觸點串聯接入開卷機動作的電磁閥線圈回路中。

在程序編譯軟件方面,有別于一般S7-300可編程序控制器僅需要版本合適的STEP7,故障安全型可編程序控制器還需要S7 Distributed Safety軟件包,這是西門子專為故障安全型可編程序控制器提供進行程序編輯的插件。S7 Distributed Safety安裝完成之后,會自動集成到Step7中,不需要專門啟動。啟動任何一個Step7應用程序,即可使用S7 Distributed Safety進行組態和編程。

在軟件界面中進行硬件組態后,需要創建故障安全型可編程序控制器程序所需要的安全組織塊。第一步,在塊界面插入一個新的組織塊,命名為OB35,創建語言選擇LAD。第二步,通過同樣操作建立一個安全功能FC1,創建語言選擇F-調用。第三步,建立安全主程序功能塊FB1,創建語言為F-LAD。第四步,創建安全運行組,并在OB35中建立F-調用。安全組織塊創建流程如圖4所示。

圖4 安全組織塊創建流程

T5門、T6門、T7門選用的是TZ系列安全開關電子鎖,具有磁力門鎖及額外的互鎖監控功能,鎖止類型為通電解鎖,通過電磁線圈的得電來控制鎖體內部的彈簧動作,實現開鎖。在鎖的內部,還有監控鎖體插銷片位置的觸點元件。當門閉合時,常閉觸點閉合。當門打開時,常閉觸點斷開。以T5門為例,程序邏輯如圖5所示。當按下開門按鈕后,此時插銷片仍在鎖止位置,輸出中間狀態位M10.0,和鎖止位置信號一起對該位形成自鎖。將M10.0作為一個常開信號來觸發輸出Q33.0,使鎖內電磁線圈得電,彈簧動作解鎖。隨后將門拉開,插銷片脫離鎖止位置,常閉觸點斷開,將M10.0自鎖復位,電子鎖線圈失電,鎖內彈簧復位。門關閉后,插銷片再次回到鎖止位置。T6門、T7門的程序邏輯與T5門相同。

圖5 T5門程序邏輯

對于開卷機的旋轉分度約束條件,同樣利用電子鎖的插銷位置信號,如圖6所示。當T5門、T6門的插銷位置都在鎖止位時,常閉信號生效,在門關閉的情況下,開卷機允許旋轉分度。輸出信號Q40.3外接一個繼電器,將常開觸點串聯接入開卷機原廠配置的控制回路中,一旦插銷不在鎖止位置,就能形成開卷機無法動作的機制,避免門打開時開卷機旋轉,防止料卷砸落傷人事件。

圖6 開卷機旋轉分度約束

對于剪切區和疊料區升降門,依靠細密的網格門保護,可以避免加工時有片料飛濺傷人的危險。排廢料區的圍欄門如果打開,區域內有工作人員清理廢料,設備又處于運行狀態,有廢料排出,會直接對現場人員造成傷害。停止主機加工運行邏輯如圖7所示。T7門打開,利用它的不在鎖止位的信號,并聯T1門至T4門任意一個的關門到位限位開關觸發,則常開信號斷開,常閉信號閉合,停止主機加工運行的輸出信號生效。與開卷機允許分度相同,輸出信號外接繼電器,將觸點串聯接入主機運行的控制回路中。

圖7 停止主機加工運行邏輯

T1門至T4門帶配重塊,負載較輕,控制電機的變頻器依靠可編程序控制器給出信號。以T1門為例,電機正反轉,即開關門的程序邏輯如圖8所示。按下開門按鈕,上限位開關接常閉觸點,直流24V常通,即常開信號I0.1接通,和反轉輸出形成互鎖后,將開門的輸出線圈Q4.0置位生效。這一輸出直接接入變頻器的正轉啟動信號。當門的限位擋條壓住限位的機械觸點時,常開信號I0.1斷開,常閉信號生效,復位Q4.0。為了應對在開關門時有異常情況發生,增加一個內部為常閉接點的急停開關。

圖8 T1門開關門程序邏輯

6 報警監控系統

應用西門子TP177B觸摸屏,開發一套報警監控系統,主要作用是使操作人員直觀看到安全門是否關閉到位,變頻器是否有故障等。畫面和功能組態軟件使用WinCC Flexible 2008。

打開軟件,創建項目后,與可編程序控制器通過網線建立連接。在功能樹中選擇連接,對象是S7-300可編程序控制器。報警監控系統的開發界面如圖9所示。通過左側的功能樹,在變量欄中定義好名稱,數據類型選擇字。在可編程序控制器中已經設定好了門未關閉、變頻器報警的信號,由此可以觸發相對應的變量DB塊的位地址狀態。在離散量報警表中對報警類別、觸發器地址、報警文本等進行設定,再進行報警畫面的組態,即可得到報警監控系統。報警監控系統應用效果如圖10所示。

圖9 報警監控系統開發界面

圖10 報警監控系統應用效果

7 結束語

在橫剪線改造中應用西門子S7-300故障安全型可編程序控制器,并開發報警監控系統,安裝調試投入使用后,人身傷害的安全隱患大大降低,有效防止了片料飛濺傷人風險。安全得到了保障后,橫剪線的加工速度恢復為原先水平,生產效率得到很大提升。在經濟方面,實際投入成本僅30多萬元,遠低于原廠改造報價,為工廠節省了大量資金。