机械安全中安全装置、网络及其对应的机械部件的结合

来源：controldesign Implementing machine safety with tried-and-true hardwired components is expensive, but it is simple and effective. Machine safety with safety controllers, safety networks, and safety I/O is more complex in the design phase and can be more expensive in component cost. However, the resulting systems are cheaper to build, easier to operate, far-more flexible, and incorporate all the advantages of programmable controllers, digital networks, and smart I/O.As the regulations governing the use of programmable controllers in safety systems in North America changed over these past five years, machine builders began to migrate from hardwired safety to some level of digital safety systems as their customers recognized the benefits (detailed in Table I below), and began pushing the machine builders to get with it. 使用可靠的硬接线组件来实现机械安全虽然很昂贵，但是却简单有效。具备安全控制器、安全网络和安全I/O的机械安全在设计阶段较为复杂，并且在组件成本上也偏于昂贵。然而，这样建成的系统总成本更低，操作更简单，灵活性更强，并且集成了可编程控制器、数字网络和智能I/O的所有优点。 在过去的五年里，随着北美对安全系统中可编程控制器的使用规则的改变，机械制造商开始从硬接线安全转向了一定级别的数字安全系统。这种转变也是由于机械制造商的客户认识到新系统带来的好处（详见下表I），并开始要求他们适应新的规则。 安全控制器、安全网络和智能传感器带来的好处： ●提供大量诊断信息帮助查清问题 ●当机械或生产线的某些部分处于修理或维护状态时允许其它部分继续运作 ●通过剧减线的数目和长度解决布线问题。通过e-mail和/或Internet自动提示相关人员 ●与机电安全系统相比，移动部件更少，移动部件所需要的维护也更少 ●能够方便地重新改编程序以适应产品变化和需求 ●通常比硬接线系统更便宜，比机电安全系统更稳固耐用 具有难度的是如何实现安全组件和标准自动化组件的结合的最优化，并以合理的成本提供这些好处。 分立的安全 设计一个物理上与自动化系统相分立的安全系统是昂贵的。典型的分立系统拥有自动控制器、自动化网络、自动化I/O、安全控制器、安全网络和安全I/O。某些类型的HMI通常与自动控制器和安全控制器相连接，所以它们至少综合了一定的自动化系统和安全系统的特性。在欧洲，这就是数字安全系统如何被引入进他们的最初的部署阶段的典型，并且仍然有许多人在考虑将它作为最值得的设计方案。 这种系统性能完善，不但设计起来相当简单，并且可以比硬接线安全系统提供更多的好处，但是这种系统要维护起来也是很昂贵的，因为它拥有两个控制器、两套I/O和两个数字网络。 位于美国麻省Gloucester市的巴顿菲尔工程有限公司生产出了用于薄膜/薄片挤压的塑料处理设备。“为了防止因为一个危险的咬入点或转动动作而导致错误的使用操作，我们在生产线上使用了大量的电子元件，”巴顿菲尔工程有限公司的软件/控制工程经理Paul Brancaleone说，“索线、光眼、光幕和按钮使用在了最合适的地方。这些通常连接到皮尔茨自动化安全公司生产的安全继电器上。我们使用了针对转动关闭或机械运动的图像和声音报警方法。我们的控制系统监测每台机器的关键参数如电动机负载、压力和温度。对于一些像挤压机的压力之类的参数，我们会提醒操作员在它们达到临界点之前停止任何的加速。” 简单的方法 最简单的方法是使用安全控制器、安全I/O和安全网络于所有的机械安全和自动化控制中。事实上，这种方法可能会比两个分立的系统更昂贵，它取决于安全I/O点的数量和I/O点的所有数量。例如，你的机器有30个I/O点，其中10个用于安全方面，那么最便宜的选择可能是使用所有安全组件。 问题出现在更典型的机械控制应用场合，在这些场合中，大多数I/O点与自动化相关联而只有一小部分I/O点与安全相关。再次说明，最好先考虑一下最简易的方法，这通常表明要使用硬接线安全系统。 硬接线系统一般包括紧急停止按钮、防护开关以及其他的连接到一个或更多安全继电器上的安全传感器。安全继电器的输出通过硬线路连接到自动控制器作为输入，表明安全继电器已经跳闸。 这个方法被FMC Technologies Citrus Systems公司所使用，这是一家位于美国休斯敦的生产柑橘类水果榨取和处理设备的原始设备生产商（OEM）。“我们使用硬接线紧急停止系统来控制安全继电器，”FMC的控制部门经理Keith Bunce说，“安全继电器为PLC的输出提供电源，任何的紧急停止都会切断PLC输出的电源。” 位于安大略湖米尔顿的Bretco Electric是一家控制系统集成商，擅长于运动系统和安全设备的结合。其最近的一个项目是将一个分立的安全控制器通过输出连接到PLC上。对于自动零部件制造者而言，此项目是将Sick公司的安全控制器用于安装有CNC铣床单元的安全装置中。根据机器类型，每个单元都需要合适的电子控制停止操作器和通道联动装置。安全控制器完成接口连接和监控，然后控制器与GE Fanuc的CNC相连接，帮助发现安全监控电路中出现的错误。 Jim O’Laughlin是Sick公司安全接口技术组的产品市场经理，他认为可以根据应用的复杂性来推荐不同级别的安全控制智能方案。“提供合理解决方案的一个关键是要理解安全继电器和安全控制器之间的区别，”O’Laughlin说，“安全继电器相当成熟，已使用于特定的硬接线应用场合。” 不只是硬接线 硬接线安全系统的一个问题是：唯一可用的诊断信息是安全继电器已经跳闸。只有一些少得可怜的诊断信息，硬接线系统实在是很难进行故障的诊断和排除。“在使用安全网络之前，我们将许多硬接线电子控制停止操作器连接到大量的安全继电器上以控制大片区域，”作为一家设计、生产并销售批处理热拌沥青设备和污染土壤修复设备的OEM，总部位于美国田纳西州查塔努加市的Astec公司的控制部门副董事长Mark Harned说，“安全停止需要花费二十到三十分钟的时间进行故障诊断和排除。随着Profibus安全网络与西门子控制器连接的实现，故障诊断和排除变得快速简单，并且能够在同一个操作面板上完成，整个过程就像是在自动进行。” 另一个解决方案是将非安全数字网络简单地放置于硬接线安全系统上。“我们的电子连接系统通过DeviceNet设备提供了监测和通告，确定紧急停止发生的地点并提供输出结果用于本地通告，”Turck公司的网络和接口分组件的高级产品经理Eric Henefield说，“安全电路仍然是个真正的硬接线系统，它只是通过连接器结点传递信息。” 许多机器制造商说某种水平的诊断信息正在成为一种需要。“客户希望我们能提供关于安全操作参数的信息，”位于休斯敦的Hutchison Hayes公司的工程经理Lee Hilpert说，“过去，我们可能只提供一些离散的警示信息。现在，我们会通过PLC和数字网络给出与处理过程和设备机械状态相关的提示及警示信息以确保操作的安全。”Hutchison Hayes公司生产出了高速的垂直水平离心分离机。（见图1） 图1：没有危险，独立运行 用户希望从这个高速的能从油脂中分离出固态油和水的垂直离心分离机中得到安全诊断信息。如今，Hutchison Hayes公司通过PLC和数字网络实现了这点，而过去，它们只提供一些离散的警示信息。（照片由Hutchison Hayes公司友情提供） 另一家机械制造业的OEM说，安全控制器和安全网络对于大多数应用场合来说是必需的。“考虑到安全设备的数目，超过百分之九十的机器使用了安全I/O、安全总线和安全PLC组件，”位于美国密歇根州Auburn Hills市的Hirotec America Total Measurement Solutions公司的副董事长Gary Krus说，“我们使用这些安全组件来减少劳动力和原材料的总成本，从而实现Category3安全电路。”Hirotec公司生产了焊接装配工具和系统（见下图2）和测量元件。2000年公司使用了安全PLC和硬接线电路，大约一年后，公司转向了安全总线系统。Krus说，选择安全组件主要取决于对机器的控制器的选择和客户的偏爱——他使用的是皮尔兹自动化公司、Jokab 公司的安全设备和 Allen-Bradley设备。目前，他将A-B设备用于卷边挤压，将Jokab公司的设备用在测量系统中。 图2 百分之九十的解决方案 考虑到卷边机器和焊接装配系统的安全设备的数目，Hirotec公司超过百分之九十的机器使用了安全I/O、安全总线和安全PLC组件以减少实现Category3安全电路所需要的劳力和原料的总成本。（照片由Hirotec公司友情提供） 只有一点安全性 你说你的机器是个典型因为它只需要一些数目相当少的I/O点就可取得安全，但是你的客户需要一个比硬接线系统更容易实现故障诊断和排除的解决方案。什么是最好的方法？对于许多机器制造商来说，正确的方式是实现分立的安全组件与机器自动化系统的紧密结合。 一个好的例子是电机控制器和安全控制器、安全I/O的完美结合。“我们的具有板上安全性的Rexroth IndraDrive将安全功能直接集成到了电机驱动器上，” Bosch Rexroth’s electric drives and controls division的机械工具行业的部门经理Karl Rapp称，“这种方法的优点在于它不包含分立的安全控制器、安全I/O、主电源或电机供能线所需要的电流接触器和额外的速度检测器，并且其操作独立于主自动化系统。具有板上安全性的驱动器也能够节省成本，因为它不用用于额外I/O的硬件和线路。”