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安全光幕和开关——用在机械安全上的人身保护神

供稿:中国工控网 2016/9/28 14:23:26

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  在现代工业生产中,最危险、最需要采取保护措施的部位,即对工件进行加工的部位安装防护门作为操作人员与加工工件之间的通道,但如何使防护门起到安全保护作用,成为安全门,就显得尤为重要。

  在现代工业生产中,最危险、最需要采取保护措施的部位,即对工件进行加工的部位安装防护门作为操作人员与加工工件之间的通道,但如何使防护门起到安全保护作用,成为安全门,就显得尤为重要。

  对于防护门不同的开关方式,可以通过安装不同类型的安全开关来实现安全保护功能。由于机床的危险程度比较高,因此所需的安全保护等级也相应比较高,为此可通过将安全开关与各种安全监控器配合使用,来实现较高的安全保护目的。安全开关主要分为安全门开关和安全限位开关。但在有些危险场所,则需设置安全光幕。

  一、安全门开关

  1. 安全门开关的功能

  安全门开关主要安装在具有人身伤害危险性的机床、机器设备的防护门(或者盖板)上;使用安全门开关必须实现以下功能:

  (1)隔离原则(人与机器空间上的分离原则):在机器的危险运动停止之前,门被锁住,工作人员无法进入危险区域;其他危险因素被排除之前,门被锁住,工作人员无法进入危险区域;防护门关闭前和危险源被隔离前不可开机。

  (2)停止原则(时间上分离原则):关闭可移动的防护门都不会直接启动机器设备的危险动作;机器运转中打开防护门就要停机。

  2. 安全门开关安全功能的实现

  从结构上看,非安全开关通过弹簧施加的力来断开触点,而安全门开关通过刚性操动杆施加的力来断开触点。触点熔接和弹簧失效的情况下,本来应该断开的触点却无法断开,此时就无法确保安全。而安全门的刚性操动杆,在此时可以强行断开触点,从而确保安全。因此,在实践上往往在安全开关上印上经过认证的"→"箭头标记所示。

  通过比较安全门开关和非安全开关可以看出,安全门开关不仅通过对防护门开闭和锁定进行检测来实现安全功能,同时,带有NC接点的开关与刚性机械结构联动,这使之具有肯定断开接点的功能,即使接点熔接也能断开,从而,通过其安全功能保证人身不受到机器设备的伤害。     

    3. 安全门开关的国际标准

  国际标准是IEC60947-5-1。其有关低压开关和控制装置的一般规则中有一部分规定:"……肯定断开保证在常闭触点熔接时,它们可被开关的正常操作分开,即压下心杆,取出钥匙,旋转杠杆,或拉动绳索。换言之,即使在发生电路故障后,仍然保证开路。"

  4. 安全门开关的分类

  一般情况下,安全门开关分为机械锁定型和电磁锁定型安全门开关,这两种开关都具有绝缘塑料外壳和金属外壳两个系列,选择何种系列取决于它们所处的环境条件,这些条件包括:机械负载、温度、化学影响等。经验表明,金属外壳系列比绝缘塑料外壳系列更能承受恶劣的条件,但是,在通常的工业应用条件下,绝缘塑料外壳系列能更好地发挥作用,例如,在各种机床、工业机器人、印刷机械、造纸机械、包装机械等行业。

  安全电磁开关锁有下述两种工作方式,无论选用何种工作方式的安全电磁开关锁,都必须考虑到在锁定状况下可能承受的最大拉力。

  (1)弹簧力锁定工作方式的安全电磁开关,通过内部的弹簧力来进行锁定,通过内部的电磁线圈通电产生的电磁力来进行解锁,如果电磁线圈没有通电,则可移动的防护门将始终保持锁定状态。在这种形式的电磁开关锁中,内部的弹簧为安全型的弹簧,其弹簧线圈之间的间隙比弹簧钢丝的直径还要小,这样可避免弹簧损坏,确保弹簧可实现安全的锁定功能。

  (2)电磁开关锁的另一种工作方式是通过电磁力锁定。当开关内部的电磁线圈通电后产生电磁力,这个电磁力克服弹簧的弹力之后将操动件锁定,而当电磁线圈断电之后,弹簧将恢复原状,从而将操动件解锁。

  在EN 1088:1996标准中明确指出,通过弹簧力锁定的电磁开关锁可被当作安全开关用来保护人身安全;而通过电磁力锁定的电磁开关锁只能应用于少数情况,在这些情况中,机器设备经过分析后确认不会对人身安全造成伤害,但却需要对机器设备本身或材料的加工过程进行保护。原因显而易见,在使用通过电磁力锁定的电磁开关锁时,一旦因为外部线路的问题使得电磁线圈无法通电,则无法锁定操动件,从而使可移动的防护门能轻易被打开,电磁开关锁失去了安全锁定的功能。

  欧姆龙的安全门开关(有D4NS常规安全门开关,D4GS-N纤细型安全门开关,D4BS安全门开关,D4GL小型电磁锁定安全门开关,D4JL电磁锁定安全门开关,D4NL小型电磁锁定安全门开关,D4BL电磁锁定安全门开关,D4NH小型安全铰链门开关,D40B小型非接触式门开关)都可以满足上述要求或者规定。     5. 安全门开关的特点

  安全门开关由相互独立的两部分组成:开关本体和开关操动件。当安全防护门打开时,开关操动件被从开关本体中拉出,此时开关内的常闭触点会通过一个机械反弹装置断开。当安全防护门闭合时,开关操动件插入开关本体内,此时常闭触点闭合,这样机器设备的驱动或控制系统才能通电工作。在任何情况下,具有单独分离式操动件的安全保护开关,都不允许用作机械停止开关。

  对于安全门开关,它是一种除了使用专用装置(钥匙等)以外,使用钥匙、硬币、螺丝刀、扁嘴钳、刀等常用工具无法轻易操作的开关,这样就可避免误操作或恶意操作带来安全方面的问题。

  6. 安全门开关的应用

  以D4JL电磁锁定型安全开关为例。在设备正常运转状态下,电磁开关置ON,防护门被锁定型开关锁定,操作人员即使使用钥匙插入也无法打开防护门进入危险区域,所以可确保安全。(D4JL,锁定力3000N)。只有电磁开关置OFF,同时插入钥匙,才可以打开门,此时,里面的设备停止运转。员工如果此时进入危险区域进行设备检修或者维护,即使关上门,进入者带上钥匙的情况下,电磁开关仍然置OFF,所以门还是没有锁定。如果此时电磁开关偶然置ON,门被锁定的情况下,还可以通过特殊的背面释放钥匙解锁,从而避免受到机械伤害而确保安全。

  二、安全限位开关

  1. 安全限位开关功能

  广泛应用于扶梯、塑机、立库、印刷、包装等行业的安全限位开关是指当开关操动部件操动到动作位置时,开关的常闭触头肯定断开,具有安全功能。对此类开关,IEC和欧洲都有相应的要求和标准,并用符号表示(如:国际电工,德国)。使用安全限位开关可避免普通开关的误动作及故障,保证当开关被操动到常闭触头断开位置时,常闭触头断开,使设备的工作电源断开,防止故障和事故的发生。

  我公司安全限位开关D4NA,D4N,D4F,D4B,D4N-□R都含有肯定断开的常闭触头,具有安全功能,因而标有标志,并拥有欧洲CE认证。

  2. 限位开关的分类和特点

  (1)欧姆龙的安全限位开关往往分为柱塞型(如D4NA4131)、可调滚珠摆杆型(如D4NA-12G)、滚珠柱塞型(如D4NA4132)等。

  (2)如果螺杆变更,通过摆杆,可做到摆杆位置以7.5°为单位的360°任意位置设定,由于分别设计了摆杆和旋转轴的凹槽,因此可有效防止摆杆滑出旋转轴。另外,同样可以拧松螺丝,对可调滚珠摆杆型的摆杆长度进行改变,将摆杆反向(正-反)安装时,请先卸下摆杆正面的螺钉后再进行,这时将动作范围设置在水平180°范围内。

  三、安全光幕

  在现代工业生产中,一方面,生产的过程越来越复杂。其原因有两个:

  (1)客户的需求多样化、差异化导致工厂从大规模单一生产方式改变为小批量多品种生产方式;

  (2)用于生产产品的生产设备越来越精密复杂,也越来越高度自动化,这些都导致了生产过程复杂化。另一方面,随着社会的进步发展,"以人为本"的人文精神日益深入人心,客观上将导致在法律法规上对于安全的要求越来越严格。

  生产过程复杂化导致人们在常规安全措施中对于机械安全的控制能力越来越力不从心,而提高机械安全性,又是社会发展的必然的急迫要求,两者的矛盾越来越突出,于是人们都提出这样一个问题:有没有可能在生产中做到生产效益和机械安全兼顾呢?

  在实际应用中,大多数安全产品都很好地解决了这个问题,例如:安全开关中安全限位开关一方面起着常规限位开关的作用,在和相关控制器连接的情况下,维护检修时还可以很快了解其技术状态,有利于缩短检修维护时间从而提高生产效率,而另一方面还要保证开关失效时仍然能够确保操作人员的人身安全。在安全产品家族中,安全光幕是在"安全和生产兼顾"应用中最具有代表性和典型性的例子。

  1. 什么是安全光幕?

  在高速运转的较为危险的机器上不停地送进送出加工零件时,就需要设置开口部位,如果在此处设置防护门,将严重影响生产,也势必不能兼顾生产和安全。安全光幕就宜设置在这些开口部位,通过光束进行防护的装置。这是一种由上到下安装一排排对射性光电开关的传感装置。它监视一定幅度范围,机器运行中当有人体闯入时会截断光线,使机器停止,来达到保护人身安全的目的,但是有加工零件不停送进送出通过光幕时,却不会引起机器停止运转。这样,在不影响生产的同时,有效地保护操作人员不受伤害。

  2. 安全光幕和普通光电开关、区域传感器、普通光幕的区别

  普通光电开关、区域传感器以及普通光幕通常都存在检测盲区,这主要由于它们没有故障自检功能,在发生故障时不能保证安全。而安全光幕不存在检测盲区,在发生故障时由于具备了故障自检功能可以保证安全。

  3. 安全光幕的国际标准

  在IEC61496-1(机械安全——光电保护设备——第1部分)和IEC61496-2(机械安全——光电保护设备——第2部分)以及其他国际标准对安全光幕等光电保护设备进行了详细的规定。例如,在IEC61496-2中就提出了光电保护设备在设计、制造、测试中的特殊要求。而和IEC61496-1相对应的EN61496-1则明确指出:其标准是适用于诸如区域传感器(安全光幕是其中的一种特殊区域传感器),以通过设计的电路检测操作者存在情况,输出一个控制信号,从而进行人身防护。其中还规定了如下内容:故障检测性能、软件设计规定、耐热性能、EMC性能、耐振动和防触电性能、指示灯颜色、标签详情甚至操作手册。和IEC61496-2相对应的prEN61496-2也提出了相关最小检测物体,防干扰方面的要求。

  由此可见,在以保护人身为目的使用光幕时,除了符合这一安全标准的光幕以外,其他不能随便使用。为此,生产安全光幕的厂家往往为了达到这些标准,还需要进行第三方安全认证,而不是仅仅自己声称生产"可以"达到相关标准的产品。

  4. 安全光幕是如何兼顾安全和生产效益的?

  a. 安全光幕在生产中的作用

  从安装角度看,安装比较便利(我公司有自由定位的固定件),安装灵活(可有若干套光幕无盲区串接),还可节省布线,使安装变得非常轻松。

  从使用角度看,由于生产过程复杂化,现场生产的产品型号经常发生变更,此时对安全光幕的设置要求也是不同的。安全光幕配有灵活可变的相关软件,根据客户各种现场需求可轻松通过软件变更屏蔽和消隐效果,大大减少了再布置、重新接线的时间。

  从检修维护看,安全光幕具有现场维护、调试的便利性,有各种指示灯,指明其工作状态,故障状态。若干个红色LED故障原因指示灯,通过不同的组合,快速查明故障原因,并给出解决对策。

  b. 安全光幕的安全特性

  从安全回路上看:故障检测能力是划分安全光幕的最重要的标准,因此光幕等级根据其故障检测能力划分为1,2,3,4级。同时,安全光幕除了具有复位功能,还具有联锁功能,即:在电源通电时或者遮光时使控制输出OFF,并保持这种状态,直到复位信号输入。有的安全光幕除了具有外部测试功能外,还具有外部继电器EDM监控功能,以便检测控制机器危险部的外部继电器(或者接触器)诸如接点熔接等动作不良的功能。

  从标准上看,安全光幕是按国际标准制造,并且都要取得第三方认证,而不是仅仅声称满足国际标准。

  c. 安全光幕的安全功能

  一方面,当AGV(自动导向车)把工件送入危险区域内进行加工时,机器人的机械手照常工作,并不影响其效率。另一方面,当操作者进入时,安全光幕应能够检测到操作者,并控制机械手,使其停止运转从而保证操作者的安全。

  因此,根据AGV进入危险区域的不同方式,把安全光幕的安全功能分为:

  (1)屏蔽:屏蔽功能就是使安全光幕的安全功能暂时无效,即使在遮光状态下,也能使控制输出保持ON的状态的功能。这就解决了因为AGV要通过而不能设置光幕的课题,能兼顾安全性和生产性。当然,屏蔽还有部分屏蔽和位置屏蔽等具体情况。屏蔽过程中,为了让周围的人知道安全功能暂时无效,还可在所有操作位置都能确认的地方使用屏蔽指示灯(外部指示灯)来加以警示。

  (2)固定消隐:使安全光幕的特定光轴无效。在这种情况下,无论在失效区域内是否存在物体,控制输出始终保持ON的状态。

  (3)浮动消隐:检测区域内存在不想检测的一定幅度的运动物体时,使检测功能失效。

  5. 安全光幕的使用注意事项

  (1)要注意安全距离的正确计算。在设置安全光幕位置时要综合考虑传感器的检测能力、机器停止时间、人体侵入速度等因素——以便使用计算式算出危险区域与设置部位的距离。

  安全距离的计算式:(ISO13852~5)

  安全距离S=KXT+C

  式中:

  K——人体侵入时间

  T——整个装置系统的响应时间

  C——由最小受检物体算出的追加距离

  安全距离计算不充分将导致安全事故。

  (2)还应在安装和设置多套安全光幕时,考虑到光幕间的相互干扰问题,可采用自动抗干扰能力的光幕。我公司的安全光幕内置了干涉光回避算法,包括自身投光器在内即使有3套入光也可防止误动作发生,非常适合AGV等移动设备上的安全光幕和固定设备上的安全光幕之间无法通过接线方式防止干扰。     

    但是,设置的安全光幕数量过多时,仍然要采取防止相互干扰的措施:例如,通过设置遮光板,改变入光方向,使用设定工具,保持足够距离等方法避免相互干扰。

  当然,无论设置安全光幕数量的多少,其他防干扰措施也是必要的,例如:在使用反射镜时,不要把安全光幕设置成反射型结构(可用反射镜改变光线路径),在金属制成的墙壁、地板、天花板、工件等反射率较高的光泽面上设置时应参照使用手册考虑离这些光泽面的距离。

  在采取上述措施后都无法避免干扰的情况下,应向各安全光幕生产家咨询后或者严格遵照相关手册执行。

  四、结束语

  通过了解安全开关、安全光幕的相关内容,可以预见,安全产品系列随着中国作为"世界制造工厂"的地位进一步加强和机械安全意识的提高,必将在中国机械安全事业中发挥越来越重要的作用。


审核编辑(王金鹏)
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