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浅析机械制造中的安全控制系统
摘要 目前,在机械制造系统中,安全控制系统的可靠性是衡量该台机械是否符合安全要求的重要依据。本文在分析安全控制系统基本概念基础上,对于安全逻辑控制设备组成及特点进行详细分析,对于保证机械制造系统中的安全问题具有一定作用。
关键词 机械制造;安全控制系统;设备特点;安全继电器;PLC;安全总线
0 引言
机械的安全性就是机械安全使用说明书规定的预定使用条件下执行其功能和在运输、安装、调整、拆卸和处理时不产生伤害或危害健康的能力。任何一台机械都有风险,会导致危险。这些风险和危险都会导致事故的发生、对人员造成伤害。当我们能够关注机械本身的安全性能的时候,其安全功能应该由安全自动化控制系统来实现。安全控制系统的正确设计会影响到机械的安全性能。安全控制系统的可靠性是衡量该台机械是否符合安全要求的重要依据[1],本文对于相关问题进行分析。
1 安全控制系统
所谓的安全(控制)系统,是在开车、停车、出现工艺扰动以及正常维护、操作期间对生产装置提供安全保护。一旦当工厂装置本身出现危险,或由于人为原因而导致危险时,系统立即做出反应并输出正确信号,使装置安全停车,以阻止危险的发生或事故的扩散。它包括了现场的安全信号,如紧急停止信号、安全进入信号、阀反馈信号、液位信号等,逻辑控制单元和输出控制单元[2]。无论在机械制造领域还是在流程化工领域,安全控制系统是整个系统运转中不可或缺的一部分。
从安全控制系统的结构图我们可以看出,安全控制链由输入(如传感器)、逻辑(如控制器)、输出(如触发装置)构成。从逻辑上来说,对于安全信号的控制功能可以采用普通继电器、普通PLC、标准现场总线或DCS 等逻辑控制元器件,从表面上达到我们所需要的逻辑输出。但是,我们可以注意到,普通继电器、普通PLC、标准现场总线或DCS 不属于安全相关元器件或系统。它们在进行安全相关控制的时候可能会出现以下安全隐患:处理器不规则、输入/输出卡件硬件故障、输入回路故障(比如短路、触点融焊)、输出元器件故障(如触点融焊)、输出回路故障(如短路、断路)、通讯错误等。这些安全隐患,都会导致安全功能失效,从而导致事故的发生。所以,安全控制系统就是要求能够可靠的控制安全输入信号,一旦当安全输入信号变化或安全控制系统中出现任何故障,立即做出反应并输出正确信号,使机器安全停车,以阻止危险的发生或事故的扩散。
安全控制系统的硬件主要采取了以下措施来达到安全要求:1)采用冗余性控制;2) 采用多样性控制;3)频繁、可靠的检测(对硬件、软件、通讯);4) 程序CRC 校验;5) 安全认证功能块。
常见的安全输入设备包括由紧急停止设备、安全进入装置(安全门开关或联锁装置)、安全光电设备(安全光幕、安全光栅、安全扫描仪)。安全逻辑部分常采用安全继电器、安全PLC 和安全总线系统。
2 安全逻辑控制设备
逻辑控制设备是整个安全控制系统中最重要的一部分。它需要接收安全信号,进行逻辑分析,可靠的进行安全输出控制。现代自动化安全控制领域中,安全系统的控制元器件有安全继电器、安全PLC 和安全总线控制系统。
2.1 安全继电器
安全继电器,或者称为安全继电器模块,是最简单的安全逻辑控制元器件。其特点是采用了冗余的输出控制和自我检测的功能,实现了对输出负载的可靠控制。
该模块的存在2 个安全输出触点,这两个安全输出触点在内部是由来自2个不同的特殊继电器K1 和K2 的常开触点串连而组成。当K1 出现故障的时候,K2 依然可以实现安全触点断开的功能。同时,安全继电器模块可以通过内部电路进行自检,检测出外部接线故障和内部元器件的故障。
2.2 安全可编程控制器
安全可编程控制器采用了多套中央处理器进行控制,并且这些处理器来自不同的生产商。这样的控制方式符合了冗余、多样性控制的要求。这是安全PLC 与普通PLC最根本的区别。当一定数量的处理器出现故障后,完好的处理器依然执行安全功能,切断所有安全输出使系统停机。导致系统停机的处理器的故障数量取决于不同的系统。如,1oo2 系统(2 取1 的系统),一旦一个处理器出现故障,系统立刻进入故障安全状态;又如,2oo3 系统(3 取2 的系统),当一个处理器出现故障,系统并不会停机。系统只有在2个处理器同时出现故障的情况下才会导致系统停机。前者我们通常成为2 重冗余系统,安全可靠性较高、可用性较低;后者我们通常成为3 重冗余系统,其安全可靠性和可用性较高,但相比前者成本高。
对于信号的采集、处理和输出的过程,安全PLC 都采用了冗余控制的方式。当信号进入PLC 后,分别进入多个输入寄存器,再通过对应的多个中央处理器的处理,最后进入多个输出寄存器。这样,安全PLC 就构成了多个冗余的通道。整个过程之中,信号状态、处理结果等可以通过安全PLC 内部的暂存装置进行相互比较,如果出现不一致,则可以根据不同的系统特性,进入故障安全状态或将故障检测出来。
输入回路可以采用双通道的方式,通过2 条物理接线进入安全PLC。安全PLC也可以提供安全测试脉冲,用以检测输入通道中的故障。安全PLC 的输出内部电路也采用了冗余、多样性的方式,对一个输出节点进行安全可靠控制。安全PLC 可以通过2 种不同的手段,即切断基极信号和切断集电极电源两种不同的方式,将输出信号由1 转变为0。无论那种方式出现故障,另外一种方式依然完好的执行安全功能。同时,安全PLC 提供了内部检测脉冲,以检测内部故障。
安全PLC 的扫描时间要求为每千条指令1ms 以下。快速的中央处理功能不仅可以达到紧急停车的要求,同时能够以较短的时间完成整套系统的安全功能自检。
在软件方面,安全PLC 必须有可靠的编程环境、校验手段,以保证安全。这主要可以通过规范安全功能编程来实现。如Pilz 的安全PLC,提供了通过认证的MBS 安全标准功能块,以帮助编程人员进行合理的、安全的编程。这些安全功能块经过加密,不能够修改。我们只需要在功能块的输入和输出部分填入相应的地址、参数和中间变量,即可以完成对安全功能的编程。这些MBS 功能块涵盖了机械制造领域及流程化工领域的安全功能控制。
2.3 安全总线控制系统
安全现场总线系统是以安全PLC、安全输入输出模块、安全总线构成一套离散式控制系统。硬件和通讯的安全可靠是安全总线控制系统的可靠性判断依据。在硬件上,安全总线系统的模块都采用了冗余、高速的可靠元器件。
3 结论
安全控制系统是一个静态的系统,其监控系统中的安全相关的参数。在系统正常运行期间,安全控制系统不作出任何响应。但是当系统出现异常、或安全相关信号被触发,安全控制系统立刻夺去系统的控制权,根据其内部逻辑,对输出设备进行安全控制,从而保证了整个系统的安全。安全控制系统中的逻辑控制元器件是决定整个安全控制系统安全等级、设计成本、运行质量的重要因素之一。在安全自动化领域,常用的安全逻辑控制元器件包括有安全继电器模块、安全可编程控制系统和安全总线系统。针对不同的应用场合,这些安全逻辑元器件可以配置成合适的安全解决方案。
参考文献
[1]孙清泉,徐卫国,康健.冷轧机自动化安全控制系统[J]. 设备管理与维修,2008,1.
[2]陆武.浅谈故障安全控制系统的通信[J].自动化仪表, 2007,28(1).
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浅谈机械自动化在机械制造中的应用
摘要：机械自动化，即机械自动化应用技术的简称。机械自动化在机械制造行业中占有举足轻重的地位，具有十分广泛的应用范围，机械制造的每个生产环节都离不开机械自动化技术的应用。机械自动化不仅可以规范机械制造工艺，还可以提高机械产品的制造质量，从而实现机械产品的自动化生产与制造。此外，机械自动化能够有效地对机械制造过程进行优化，提高机械制造效率，节约成本，减低能耗。随着时代的进步，对机械制造也提出了更高的要求，为了促进机械制造行业的进一步发展，必须更好地应用自动化技术。文章对机械自动化的概述、特点和在机械制造中的应用，以及未来自动化技术发展的情况进行论述。
关键词：机械自动化技术;机械制造;特点;应用;发展趋势
一、机械自动化技术的概念、特点以及组成结构的简要分析
(一)概念
机械自动化技术指的是在机械制造业中采用自动化技术，实现加工对象的自动且持续生产，实现优化且有效的自动生产过程，加快生产投入物的流动频率和加工变换。整个制造业以及国民经济的进步与发展很大程度上取决于机械自动化技术水平。实践结果表明，采用机械自动化技术除了能有效控制产品生产的周期、提高产品质量及更新速度、大大提升生产的效率，促进经济收益最大化外，还大幅度降低了相关工作人员的工作难度、有效改善了其工作环境等，实现了资源的最大化合理配置。因此，在技术条件成熟及经济条件富足的有效保障下，机械自动化技术水平的高低已经成为决定机械制造业发展的重要因素之一，其直接影响着机械制造企业的利益及社会效益。
(二)特点
机械自动化技术的特点主要表现为：
1、在经济全球化的巨大竞争压力之下，其有特殊的竞争技术手段，能有效控制生产的系统工程等。集市场竞争中产品成本、生产周期及产品质量与一体。
2、在新的技术领域中，其具备明确的范畴，既区别于一般的高科技技术，又涵盖其性能，是多学科先进技术的集合体。
3、其主要为第二产业的工艺技术，能最大限度的提高社会效益以及经济效益等。
(三)结构组成
作为多项高科技技术及多门学科综合且被广泛应用的机械自动化技术，已被视为整个系统工程的重要表现形式，其由5个重要的单元构成，即：
1、感单元。此单元为整个机械自动化系统的基础单元，主要作用为检测系统在工作过程中所表现出来的性能参数与状态是否正常。
2、控制单元。此单元为整个机械自动化系统的保障性部分，主要作用是对系统进行单元的制定与调节。
3、程序单元。此单元为整个机械自动化系统工程的主要部分，主要作用是解决系统应该做什么以及如何做等问题。
4、作用单元。此单元为整个机械自动化系统的前期性部分，主要作用是对系统进行有效的定位及能量的施加。
5、制定单元。此单元为整个机械自动化系统的核心部分，主要作用表现为通过对传感单元传输过来的信息进行数据的比较与分析，从而根据实际情况制定并发出相应的动作指令等。
二、机械自动化技术在机械制造中的应用
(一)智能化应用
机械制造中的智能化应用指的是把机械制造技术、自动化技术、计算机应用技术和人工智能等多种技术结合在一起，形成一种有效的综合制造技术，使机械制造工艺的性能得到全面提高。在实际应用智能化制造技术的时候，不仅要实现人工智能，还要把相关的生产技术等内容植入到制造加工设备中，不断提高机械自动化设备的自动化生产能力。机械制造过程中的智能化水平越高，就越能体现人工操作的精细，并且保持操作的准确度，达到人工操作都无法实现的高效生产。
(二)集成化应用
集成化技术也是机械制造的常用技术，对提升机械生产的速度有很大帮助。集成化技术需要让多种技术紧密结合在一起，这种技术融合过程有利于高新技术的研发。为了促进自动化技术的改革创新，现有的技术和设备必须整合在一起，以不同的生产方式催生出新的技术。集成化的机械制造在整合企业内部生产和经营的同时，又实现了柔性化的生产模式，提高了企业机械自动化的生产水平，使机械制造业实现了产品质量和服务质量的双重效益。
(三)虚拟化应用
虚拟制造技术是由多学科构成的综合系统技术。包括现代机械制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、多媒体技术、信息技术等多种技术。虚拟制造技术以仿真技术和系统建模为基础，利用信息技术、仿真计算机技术对现实机械制造活动过程进行仿真。通过对机械制造过程进行仿真，可以及时发现机械制造中可能出现的问题，制订出相应的解决方案。旧的生产方式下，产品研发和产品试制，必须通过设计和实际的生产试验才能达到试制新产品的目的，开发过程中有很多不确定性，遇到技术难题就要修改设计方案，重新试制新产品，不仅加大了产品的生产周期，还浪费了资源，提高设计成本。而采用虚拟制造技术就可以避免这些现象的发生，仅仅通过计算机来进行模拟和仿真，缩短机械产品开发周期的同时还降低了成本，提高机械产品竞争力。
(四)柔性化应用
根据外界的干扰力差异表现出相应的适应能力是机械制造柔性化的特征。相对于同行业中的相似技术而言，机械自动化技术的柔性化应用优势突出表现在：
1、能在完善制造企业整体的应变功能基础上满足机械制造发展过程中对多样化形式、个性化形式的要求。
2、能有效提高企业生产的效率以及产品质量。
3、在合作共赢的基础上，最大限度的满足客户的需求，确保产品的交付期限。
4、加强对信息系统的管理力度，保证其运作的安全性等。机械自动化技术的柔性化应用很好的解决了用户终端所提出的各项要求，同时也科学合理的优化了人机间的相互转换。适当调整了机械制造的结构属性与产品类型，将计算机管理系统植入机械制造系统中，从而获取更大的经济效益。
三、机械自动化技术在我国的发展趋势
(一) 网络虚拟化的制造方式
网络虚拟制造技术主要依靠计算机技术、强大的软硬件功能和其他交互设备，通过计算机工作平台，构建出一个虚拟的环境。在这个虚拟的环境中，把人类的知识、人类的技术和人类的感知能力参与其中，形成一种全新的人机界面形式，对生产活动进行全面的建模和仿真。通过与虚拟世界中的对象进行交互作用，对于产品从设计开发到生产制造的每一个环节进行仿真和模拟。除此之外，还可以对产品性能进行全面模拟试验，对产品的设计和制造合理性、制造周期进行预测。在产品没有生产之前，就对设计的可行性、经济性、合理性进行全面的考核，有效避免不合理的设计和资金投入，从而达到资源的最优化配置。
(二)绿色化的制造方式
“绿色”这一概念，最初被应用于环境保护领域，目前，已被社会各个领域所广泛采用。必须坚持走可持续发展的道路，创建绿色环境，作为自然界的一个部分，人和人类社会不能脱离自然界而存在，人类的生存与发展依赖于自然界的发展，人类必须与自然界和谐共处。人类的发展历史中，由于各种原因给自然界带来了巨大地破坏，有些甚至是无法修复的。长此以往，人类和人类社会的发展必将受到阻碍，甚至停滞不前。值得庆幸的是，人类已经意识到自己的错误，并逐步推动人与人类社会同自然界的和谐一致，制造技术的自动化也是如此。开发与运用一项新技术时，应站在哲学高度，把可持续发展作为必须考虑的因素，促进环境文明，推动制造自动化向“绿色“自动化方向发展。
结束语：
综上所述，机械自动化技术的成功应用在很大程度上加快了机械制造业的发展速度，而生产产业要想在消费全球化、经济一体化以及经济全球化的激烈竞争背景下争得立足之地，并牢牢稳住自己的地位，就必须加大对机械自动化技术的的应用，以机械自动化高效率、低成本的先进技术作为行业发展的主力军，从而使企业获得生产效益及经济利益的最大化。
参考文献：
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[3]刘微微. 浅谈机械自动化在机械制造中的应用[J]. 黑龙江科技信息,2013,22:117.
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