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安全元件在新冲压线上的应用 |
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作者：上汽通用五菱股份有限公司 周伟丽 |
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建于20世纪八九十年代的老冲压生产线，基本全都是采用人工手动操作，人身及设备安全得不到充分的保障。为适应越来越高的产能需求，上汽通用五菱（SGMW）于2006年在柳州工厂新建了一条自动化冲压线。该冲压线由1台22500kN、3台10000kN的压力机以及7台自动化机械手组成。整线长约80m，宽约20m，地面上高度约11m，地下深度约6.5m。这是一个具备最高安全等级的冲压车间，应用了很多典型的安全元件和系统。而在青岛分公司的生产建设上，我们还引入安全PLC和安全I/O。
双手按钮——将危险制约在源头的设计理念
双手按钮（见图1）主要用来控制压机的滑块运动。在生产线调试阶段或者手动运行压力机时，需要使用双手按钮进行操作。
图1 双手按钮
生产的初始阶段，由于产品质量及人员培训等方面的制约，安全生产得不到有效和严格的实施。很多操作人员为了图方便，往往采取各种各样的“诡诈”手段。例如，将其中一个按钮固定闭合，只操作另一个按钮，另一只手用来输送板料等，这种操作方式存在着较大的安全隐患。为避免这种情况，项目技术人员从多年的项目运作及生产中总结出经验教训，认识到设备的选型是关键。
基于这个出发点，在选择双手按钮时我们选择了罗克韦尔800P-F2CAV系列的产品，而不是简单地选用两个按钮进行组合。该系列的双手按钮不仅具有特殊的壳体结构设计，而且配套采用安全监控模块（又称安全继电器），组成一个安全的双手控制系统（见图2）。在危险场所，特别是手工送料的机器、冲压设备以及带切割刀具的机器等，只有在双手按钮同时按下去，并且时间差应该不小于0.5s时，装置才进行有效操作；如果时间差超过0.5s，必须两个手都松开后才可以再次使用，从而确保操作人员的双手离开危险区域，免受伤害。
图2 双手按钮结构
双手按钮的2个常开和2个常闭总共4个信号触点连接到安全监控模块，由安全监控模块对双手按钮的状态进行判断。当且仅当两个按钮在0.5s内同时按下时，安全监控模块才会有输出，该系统才能够启动机器动作；任何一个触点的故障，均可以被监控判断；当任何一只手离开按钮，安全装置就立刻停止输出，切断动力源，从而实现人员保护的目的。任何一只按钮的提前或推迟工作，都不会出现危险（见图3）。
图3 双手按钮时序
切断危险的源头，避免任何误操作可能带来的风险，是项目技术管理的重要原则。双手按钮的这种操作理念同样也适用在寸动、微调等运行模式上：同时按下按钮，压机动作；同时释放，压机停止；若一只手突然释放，压机急停。
安全保护系统MPS——安全生产及维护兼顾的设计理念
从手动线到自动线的过渡，从简单的人力生产到高度自动化的飞跃，绝非一朝一夕之功。在自动线设计之初，考虑到安全与生产的同时维护需求，我们引入了MPS能量控制理念。MPS即能量监控及锁定系统，现场的MPS操作盒如图4所示。
首先，我们将压力机所涉及的动作分为主要动作和次要动作。所谓的主要动作即可能引起人身重伤或死亡的动作，如压力机滑块的下压动作和机器人的轨迹运动等。次要动作即对人身伤害轻微或不构成伤害的动作，如气阀的动作、机器人真空吸盘的动作等。通过控制主、次要动作的电源或逻辑程序以期达到安全的目的。
引入MPS能量监控系统后，无论是在生产节拍提升亦或是在人员保护上都有明显的改善。操作人员想进入模腔区域，它就必须将主要动作禁止。在冲压自动生产线上，它就意味着选择POS1（位置1，见图4）停止滑块动作，打开栅栏门，锁定机器人动作，关闭废料门，安全指示灯亮（图4所示绿色柱灯）后，方可进入区域执行维修任务。
图4 MPS操作盒及能量选择铭牌
例如，当生产时间过长时，模腔中就会有金属屑粘在模具上，即便是这些小的金属屑也是生产质量所不允许的。传统的解决方法是，停止生产线或停止压力机，操作人员进入压力机模腔，将金属屑清除干净，然后重新启动压力机，恢复生产。这样做确实是出于对安全的考虑，但是对于400多千瓦的主电机来说，多次重启不仅影响使用寿命，而且耗费生产时间。
在此，我们对SGMW柳州自动化冲压线改造前后的生产数据进行对比。X月份停线数据：30次/班，每次3min，清洁模腔的时间占到一半，大概十几次左右；按每班约17次用于清洁模腔，若停主电机，所需时间：3×17=51min；引入MPS改造后，若不停主电机，清洁模腔所需时间：1×17=17min；每班节约时间：51-17=34min；每天三班共节约时间：34×3=102min。
在汽车生产厂，一个小时可能就意味着70台车，仅仅清洁模腔一项就节约生产时间将近两个小时，极大地提高了产能。
若要选择执行其他MPS任务，如示教机器人等，也可以选择使用POS2（位置2）、POS3（位置3）等。当然，也可以配合使用其他的状态显示屏，如滑块锁紧显示LED板。通过这种直观的安全状态显示，更好地保障了进入危险区域的人员的安全性。
安全PLC及I/O模块——引入最先进的安全控制产品的设计理念
2007年是SGMW进行安全设备升级的一年，这在青岛分公司的生产线建设上得到了完美体现。与柳州生产线不同，由于安全PLC和安全I/O的引入，安全继电器由于其繁琐的接线及安装几乎在一夜间就被淘汰了。
以AB的安全PLC为例，安全PLC系列logix5561&5562通常都会有一个安全的伴侣Logix55LSP，该类型的PLC既可以连接安全I/O，又可以连接普通的非安全等级的I/O，如西门子的IP20。与AB的常规产品不同，安全PLC是具备特定SIL等级的安全控制器，它利用各种水平的冗余机构，提供给系统以整体安全性。其安全控制架构如图5所示。
图5 安全控制架构
PLC安全系统包括安全I/O，它帮助我们从柳州项目中硬接线安全继电器的传统方式中解脱出来，取而代之的是更为灵活，能够实现编程功能的控制器。青岛项目就是通过采用安全网络DNET和ENET，将安全I/O进行分布配置，不但节省了布线、安装成本和项目时间，而且确保标准控制系统和人机界面随时获取诊断信息。智能化的安全I/O模块和传统的I/O模块根本的不同点在于安全I/O能够自行监控接入其中的安全回路，实现了现场设备Field级别的诊断功能。
安全I/O的输出端带有的测试脉冲能在外部的输入回路接通时进行内部回路检测。使用这种功能，当两个输入之间或者输入和电源（＋）之间发生短路时，安全I/O模块就能够自行检测得到。比如，当模块有输出时，在每个周期为648 ms时，测试脉冲能够自动断开470us；当检测到有故障时，输出数据和输出的安全状态指示自动断开。安全测试脉冲如图6所示。
该配套安全系统所带有的程序锁定功能，更是方便了项目结束后的程序管理。当编程结束，设备调试完毕后，技术人员可以对完成的程序进行锁定，只有拥有管理权限的人才可以通过密码保护进行必要的程序修改和维护，结束了一个维修工和一台电脑修改生产程序的时代。
图6 安全测试脉冲
结语
使用安全的元器件保障生产安全，不仅是为了避免造成人身伤害和财产损害，更是为了保证生产经营活动的顺利进行，对防止和减少生产安全事故，促进制造业的健康发展具有积极的意义。
在此，我们只介绍了双手按钮、安全保护系统MPS以及安全PLC及I/O模块。除此之外，冲压生产线上还应用了很多的安全元件和系统，如急停按钮、安全地毯和安全光幕等。在实际生产中，这些安全产品在保护人身和设备安全方面所起的作用不可估量。
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(9/29/2009) |
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