机器人清洗机电气安全回路设计

关 薇

(大连职业技术学院机械工程学院，辽宁 大连 116037)

随着企业安全生产标准的提高，在设备设计初期就应考虑生产中可能出现的安全问题，并采取必要的措施来防范。在设备安全系统设计中，选用安全控制器件和安全开关，搭建合理的安全回路，使设备得到较高的安全性能，具有非常重要的意义。

1 设备风险等级的划分

对于设备的安全控制，以往设计者往往会忽略对有一定危险性设备的安全功能的评估。随着企业对以人为本理念认识的提高，对设备的安全性越来越重视。依据机械安全标准EN ISO 13849-1对风险等级的评估(如图1和表1所示)，将风险等级分为a，b，c，d，e共5个等级，风险等级由a到e依次增高，控制电路安全等级也分为5个等级[1]。在进行清洗机电控系统设计之前，首先要对设备风险等级进行评价，确定清洗机的不安全状态，然后选择合适的安全电路进行保护。

图1 风险等级图

表1 风险等级评估表

2 清洗机安全防护等级分析

2.1 清洗机风险等级评价

根据安全标准EN ISO 13849-1，对清洗机进行风险等级评价。清洗机在清洗过程中发生异常或有误操作时，需要设备立即停止工作来避免或降低设备操作风险。机器人在清洗过程中是移动的，若操作者或维修人员进入危险区域会造成重伤或死亡；机器人在取料或放料时，若操作者肢体在取放料区域可能与机器人手爪发生碰撞。清洗机在工作过程中则可能对人员造成重伤(S2)，这种情况可能频繁发生(F2)，若采取安全措施，这种情况可能避免(P1)，根据上述风险因素，结合图1和表1，将清洗机的风险等级确定为d级。

2.2 清洗机安全对策

清洗机需考虑的安全对策如图2所示，为方便工人上下料，在上下料区域没有设置防护栏，为防止在机器人上下料期间，工作人员进入危险区域，在上下料区域的入口处安装了安全光幕；在设备工作期间，若操作人员肢体遮断光线，光幕的控制信号输出发生改变，设备立刻停止工作。设备停止时，光幕信号无效。

在清洗机操作面板、工位附近及机器人操作盒上设置急停按钮。在设备发生异常或操作出现失误时，工人按下急停按钮，使机器人停止动作，同时切断危险源的电源，如高压泵、电磁阀的电源回路。急停开关的控制优先于其他控制。

图2 清洗机安全对策

当工作人员进入清洗机的清洗区域进行维修时，为防止设备被其他人员误启动，造成人员伤亡，安全门上需安装安全开关。安全开关被解锁后，工作人员通过安全门进入清洗区域，当控制系统安全门输入信号检测到工作人员处于危险区域时，禁止设备运行。通常在安全门上安装EUCHNER公司的安全开关，这类开关通过弹簧力来锁紧安全门，如果需要解锁，必须给电磁机构提供操作电压，或通过附属装置(如钥匙开关)手工解除锁定[2]。钥匙开关是为了在不通电的情况下进行设备检修而设置的。

2.3 安全等级电路实现方法

通常把一个简单的控制电路分成信号输入部分(如急停按钮、限位开关、光栅)、控制部分(如继电器、PLC)和输出部分(如控制电机用交流接触器)。根据EN ISO 13849-1中安全等级的描述，安全电路的等级与电器元件选择及电路接法有关，对于安全等级要求c级及以上的电路，在设计控制电路时应选用安全控制器件及安全开关，如安全继电器、安全PLC、安全光幕等。

如果控制电路的安全等级是c级，在设计电路时要采用急停按钮SB1和SB2的单个触点接入安全继电器输入通道，图3所示为安全继电器单通道输入形式。若控制回路的安全等级是d级，安全继电器的控制电路要设计成双通道输入形式，即将急停按钮两个触点接入安全继电器输入通道，但是此电路不能同时检测两个输入触点间的短路故障，如图4所示。

图3 单通道输入形式

图4 双通道输入形式

3 清洗机电气安全回路设计

3.1 急停功能实现

设备急停功能最可靠的实现方式是采用硬件电路，即把急停按钮的常闭触点接在安全继电器的输入上，然后把安全继电器的常开触点串联到向开关量供电的电源上，以保证在急停的情况下相关的输出能切断电源，如图5所示。

图5 控制系统电源图

根据控制要求将PLC输出端供电分为急停前和急停后。

如果把急停按钮接在PLC输入端，在用梯形图软件设计时需要做到两点：第一，在梯形图中需要把急停输入地址的常闭点(前提是急停的常开点接进PLC，否则就是常开点)串联到每一个需要急停复位的输出线圈上；第二，当急停有信号输入(即急停按钮按下的状态下)时，要复位所有的中间变量。如某个电机是靠触摸屏画面HMI上的某个中间变量来控制的，那必须在急停状态下把这个变量复位，否则在急停解除后，电机会自动运行，这是非常危险的，对于这一点，在设计时一定要高度重视。

图6控制线路中皮尔兹安全继电器PNOZ S3用于急停控制部分，S11、S12、S21 及S22 为输入端，S12与S34为复位端，A1、A2 为安全继电器工作电源[3]。当接通电源后，“POWER”指示灯亮。启动回路S12和S34接通后，安全继电器进入准备状态。

急停安全继电器回路工作原理如图6所示，SB1、SB2、SB3为安装在设备不同部位的急停按钮，Y32为PLC的急停输入信号。SB5接在S34端，为手动复位接法。开机时，在未按SB1、SB2及SB3的情况下，“CH1、CH2” 指示灯亮，安全触点(13-14、23-24、33-34及43-44)闭合，辅助触点(51-52)断开。晶体管输出Y32导通，给PLC数字输入端I0.0输入1(高电平)，设备开始运行。输入回路断开(S11-21和S12-S22)，如按下急停按钮SB1SB2SB3中的一个，则晶体管输出Y32断开，PLC 的I0.0 输入端变为0(低电平)，安全触点(13-14、23-24、33-34及43-44)打开，辅助触点(51-52)闭合。设备停止工作后，急停按钮SB1及SB2,SB3即使都复位也不能使安全继电器的输出端Y32再次闭合，需要按下复位按钮SB5确认，才能使安全继电器输出端闭合。

在图5中，GS是开关电源，其在电路中的作用是将交流220V电源转换为控制电路所需的直流24V电源。输出端P24A、P24B、P24C、P24D通过断路器与负载直接相连，保证PLC输入、触摸屏操作面板及三色灯等元器件处于通电状态，不受急停信号影响，使操作人员能实时直观地监控设备的运行状态。输出端P24E、P24F直流电源通过急停安全继电器KQ1b.1、KQ1b.2的触点控制电源通断，只有当其常开触点闭合后才有直流24V的输出。这种负载供电电源的接法冗余了急停控制[4]，在急停按钮被按下时，即使控制部件的硬件或软件出现问题，都能够通过外部硬件断开有危险的输出装置的电源，保证急停控制在整个系统中的安全核心地位。

3.2 清洗机安全防护装置设计

按照CE要求(安全开关必须保证具有完全独立的分断能力)，需要将门锁与安全继电器组合使用。因为安全继电器具有完全独立的分断能力，维修人员进入安全门时需要打开安全锁。安全继电器的输入被断开后，通过控制程序使设备立即停机，设备停机后防护门才能被打开。

在清洗机有防护罩的区域，设有3个防护门，分别为门1、门2、门3，如图7所示。 对于高惯性的、具有潜在危险的清洗机选择带有锁定功能的机械插片式防护门开关是十分必要的[5]，当维修人员想要打开安全门时，需要将活动插销部分拔下来随身携带。插销被拔下后，整个设备都会处于停止状态，只有当插销的活动部分重新与固定部分重合，防护门被关闭，同时门开关锁住后，设备自动清洗工作才被允许。设备的3个防护门开关串联，硬件接线图如图8所示。将防护门开关接入安全继电器的电路如图9所示，防护门关闭后安全继电器自动复位启动检测的设计(S12-S34直接相连)保证了防护门状态的及时反馈。

3.3 清洗机上下料区域安全电路设计

在清洗机的手动上下料区域，使用安全光幕来预防安全事故，如图10所示。清洗机中安全光幕型号的选择主要考虑以下几方面：第一，根据设备结构尺寸确定保护区域(包括光幕的高度及检测距离)；第二，光幕的保护功能选择(身体保护、肢体保护还是手指保护)，根据安全光幕安装位置确定保护功能为肢体保护；第三，保护等级的选择(c级还是e级)，根据本机安全等级要求确定保护等级为e级；第四,计算安全距离。

在机器人取料和放料过程中，严禁操作者的手臂穿过光幕，当发射器和接收器之间的光线被物体挡住，通过内部控制线路，接收器电路在输出部分输出一个信号，用于控制设备动作，控制系统收到此信号后命令机器人停止工作。直到接收器的控制输出信号复位后，整个设备才可以重新开始工作。

图8 防护门开关硬件连接

图9 防护门安全电路

4 结束语

一个设备的安全可靠性并非罗列的安全电路越多越好，不必要的安全电路会增加设备制造成本、增加故障点、降低设备可靠性。从设备实际安全需求考虑，采用最适合的安全措施消除设备工作时的不安全状态，保护人身安全，避免和减少危险事件的发生，也是评价设备优劣的一个重要因素。

图10 光幕安全电路