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1、伺服冲压设备中滑块平安停顿功能的研究与实现伺服冲压设备中滑块平安停顿功能的研究与实现尹之尧导语：伺服冲压设备中的滑块平安停顿功能是整台设备上最重要的平安功能，该功能的失效将直接造成人员伤害或者设备损毁等重大事故。摘要：伺服冲压设备中的滑块平安停顿功能是整台设备上最重要的平安功能，该功能的失效将直接造成人员伤害或者设备损毁等重大事故。本文针对滑块平安停顿功能失效问题进展研究，通过在原有电气控制系统中增加冗余构造及诊断覆盖率的方法，减小执行滑块停顿功能时平安控制系统失效的概率。通过可靠性参数计算及实际使用结果说明，该方法能有效进步伺服冲压设备中滑块平安停顿功能的可靠性。1引言作为冲压设备开展的一种
2、新趋势，国内外诸多企业已着手研发伺服机械压力机。相比曲柄连杆压力机而言，伺服压力机可降低维护时间及本钱、减小能耗、实现复杂工艺并可在任意位置实现最大公秤力。在伺服压机工作的经过中，最常见的危险是由伺服电机带动的滑块上下运动而产生的挤压危险。尤其对于一些经常需要手工上下料的冲压工艺来讲，在人员参与滑块危险区时确保滑块处在静止状态是至关重要的。传统的滑块停顿方式采用停顿信号直接切断伺服使能的方式实现。这种单通道切断执行机构的方式可靠性低，出现单个故障后便会导致平安功能失效。本文将对这个问题给出进步可靠性的方法。2滑块平安停顿失效问题以紧急停顿功能为例，当危险情况发生时，操纵人员按下压机上的急停按钮
3、，伺服系统应立即响应并停顿滑块即伺服电机运行。实际应用中，使用单通道急停按钮直接连接至伺服使能位，当急停按钮常闭触点断开时，伺服使能信号断开，经过内部单通道电路切断伺服电机动力源并使控制伺服电机抱闸，其电路如图1所示：图1急停控制伺服停机回路图该构造中存在几个显著问题：1急停按钮经过长时间操动后，金属触点会出现粘连故障，导致急停按钮按下后其内部常闭触点无法断开。2接线不良可能导致伺服使能端和外部24V信号短路，致使按下急停时，急停信号固然断开但伺服使能仍然存在。3伺服驱动器内部单通道电路发生单一故障，导致使能信号固然断开但伺服电机动力电源无法切断。上述失效都将导致按下急停按钮后伺服电机无法正常
4、停顿，最终致使滑块对人员造成伤害的情况。这些失效均属于危险性失效，且控制系统无法诊断出这些失效情况。除了急停功能以外，单通道平安门、光栅触发实现滑块停顿的平安功能都存在类似危险失效问题。因此，这样的控制系统不具有高可靠性以保障人员平安。3平安控制回路设计由于压力机的高危险性，国际上专门针对机械压力机制定了EN692平安标准。在对一台伺服压力机施行风险评估后可知，对于人工上下料的压力机，假设采用控制系统实现滑块停顿功能，那么控制回路可靠性需要到达ISO13849-1PLe的要求，即每小时产生危险失效的可能性为10-8/hPFHd10-7/h。为了实现该性能指标，需分别考虑系统构造种别Catego
5、ry、危险失效平均时间、平均诊断覆盖率、共因失效及系统性失效等多个因素。在回路设计之前，需首先确定伺服驱动的停顿方式。3.1确定伺服驱动停顿类型根据可调速电气传动系统平安标准IEC61800-5-2及电气平安标准IEC60204的要求，伺服驱动设备的停顿类型可分为三种：1平安力矩关断STO：该停顿方式直接切断伺服驱动系统与电机之间的电源。STO功能触发后电机处在非受控状态，将只依靠自然惯性到达最终停顿。2平安停顿1SS1：该停顿方式先通过制动系统对电机进展抱闸，直至到达定义的延时时间或者电机停顿后再切断电机供电，即触发STO。与STO相比，SS1在电机到达静止状态之前将对其进展控制制动。3平安
6、停顿2SS2：该停顿方式对电机的静止状态进展监控。相比STO及SS1的停顿方式，SS2不会切断电机供电，这样电机的力矩将始终保持。对于伺服压力机而言，假如平安功能触发时直接切断驱动器动力电源，那么滑块将由于惯性力矩而继续运行一段间隔，这种情况仍然可能导致滑块挤压的伤害，因此不能使用STO的停顿方式。另一方面，由于伺服压力机外部负载通常比拟大，因此通常会在外部添加抱闸机构，保证在断电情况下仍然可以保持滑块位置。在这种情况下，SS1是最理想的平安停顿方式。而对于正常操纵经过如上下料、碎片清理等中的滑块停顿功能，为了防止重复通断电源对设备及消费经过造成的影响，采用SS2的平安停顿方式是比拟理想的。3
7、.2确定系统构造从图1中不难看出，由于输入、控制及输出局部均采用单通道构造的设计方法，系统不具有容错性，发生单个故障时便会导致系统失效，而通过改变系统构造可使可靠性提升。为了到达PLe的可靠性要求，本文设计的平安系统采用等级4的构造种别，该构造种别具有以下特征：1在平安相关部件上发生的任意故障都不会导致平安功能失效。2在执行平安功能之时或者之前平安系统应检测出单个故障，假如该措施不可行，那么未检测到的故障累积后仍不会导致平安功能失效。平安功能系统构造如图2所示。图2平安功能系统构造图实际设计时，输入、逻辑和输出部件均采用冗余，且逻辑部件主要负责整个平安回路中所有故障的检测。本设计在保存原有伺服
8、驱动器的前提下增加平安继电器，并将原有单通道回路改为双通道冗余回路。该方法的平安改造本钱相对较小。对于急停切断伺服的平安回路，急停按钮的触点将采用冗余常闭触点来实现。平安继电器内部采用冗余的继电器构造并增加了检测回路用于检测输入、逻辑、输出所有部件中的故障。此外其内部还采用了电子熔断器检测通道间的短路故障。在图3所示回路图中，S11-S12为第一通道，S21-S22为第二通道，S12-S34为复位/启动通道，Y1-Y2为反应回路通道。设备启动或者复位时，K3线圈吸合，假设此时双通道平安信号正常，那么继电器K1及K2吸合，K3线圈断电，平安输出点输出信号。图3平安继电器电路构造急停平安功能输入回
9、路如图4所示。急停按钮S1采用双通道构造接入平安继电器A1的输入回路，任意一个通道的故障如触点熔焊都将导致继电器A1的输出触点断开。图4急停平安功能输入回路在输出回路设计方面，需要在原有伺服动力回路中增加冗余接触器并采用具有断电延时功能的平安继电器。通过瞬时触点切断控制使能，延时触点切断冗余接触器的方式实现SS1。采用平安继电器作为逻辑控制器实现SS1的实际设计如图5所示：图5急停平安功能输出回路图5中，在经过一段延时时间到达静止状态后，平安继电器A1的延时触点37-38及47-48将断开，通过两个冗余接触器K1及K2切断伺服动力电源，以确保在任意一个接触器出现故障时伺服动力回路仍然可以断开。
10、另外K1及K2的常闭触点串联在平安继电器的复位回路中，使平安继电器可以在每次工作前检测两个接触器是否故障。需要留意的是，延时时间的设置需根据滑块停顿的风险评估结果来确定。3.3进步诊断覆盖率的措施在双通道输入回路中，固然可以通过检测两个通道的同步性检测某一个通道触点熔焊的故障，但双通道的使用也导致触点间短路故障的产生。假如双通道信号共用一个公共端，那么触点间短路故障便无法检测，如图6所示。图6不检测触点间短路故障回路图从图6中可以看出，在S12和S22之间任意位置发生短路时，平安控制器无法检测出这种故障。固然该单一故障不影响平安功能，不过一旦急停触点发生再熔焊后便会导致故障叠加，此时平安功能便
11、会失效。因此，这种输入回路的平均诊断覆盖率只能到达90%。为理解决这一问题，本设计的输入回路采用了平安继电器上两个独立的通道，如图7所示。其中，S11-S12通道检测24V信号，S21-S22通道检测0V信号，触点间出现短路后将导致S11与A1之间的电子熔断器动作，停顿控制器运行。通过这种方法进步输入端的诊断覆盖率，可使输入端到达99%。图7检测触点间短路故障回路图输出回路方面的诊断覆盖率主要取决于对执行机构是否采取反应监控。如图4所示，控制伺服动力回路的接触器K1和K2的状态通过常闭触点接入平安控制器，后者在启动输出之前首先检测两个常闭触点是否闭合，假如处在断开状态，那么讲明K1和K2主触点
12、粘连，平安控制器将停顿输出并报警。采用这种直接反应监控的方法，DC可以到达99%。而假如仅监控K1和K2中任意一个执行机构的状态，那么DC将大幅降低。根据的计算公式：1可知，假设不监控K2反应，那么。假如K1和K2采用一样元件，那么，导致最终DCavg降低为49.5%。需要留意的是，由于平安控制器通过监控外部接触器常闭触点的状态以诊断接触器主触点是否故障，因此接触器常闭触点需要正确反映其常开触点的状态。在线圈不通电的情况下，普通接触器常开触点假如发生熔焊，其常闭触点仍然为初始即闭合状态。这种情况下即便使用反应监控仍然无法诊断出外部故障，即DC=0。对于这种问题，需要采用经历证的平安原那么或者元
13、器件来解决。本设计采用机械连杆构造的接触器，其内部构造如图8所示。图8具有机械连杆构造的接触器或者继电器从图8中可以看出，接触器或者继电器内部所有触点直接采用连杆连接，这样可以保证在任意一个主触点出现故障如熔焊时辅助触点必然断开。这样便可保证反应监控的正确性。4系统可靠性验证在平安系统组建完成之后，最后需要计算平安回路的可靠性是否到达既定要求。本设计可靠性验证所遵循的标准为ISO13849-1。该标准不仅适用于电子电气系统，也适用于机械、液压及气动系统。伺服压力机由于采用多系统协同工作，因此采用该标准最为适宜。在确定了系统构造、及之后，可通过查表法估算出平安回路的。在本次平安停顿回路设计中，由
14、于采用了外部接触器的方式切断伺服驱动，因此实际平安回路由急停、平安继电器及接触器三局部构成，即：2由于平安控制器内部构造复杂，用户无法自行计算其可靠性数值，因此该数值通常由元器件厂商给出。本文中使用PilzPNOZs5平安继电器作为逻辑控制器，该元器件。为了计算及需要确定这两个元器件的。急停按钮及接触器内部都采用触点切换的方式工作，需要采用公式3及4进展计算。34其中指10%的元器件产生危险失效时的动作次数，该数值需由元器件供给商提供。为每年元器件动作次数，为设备年工作天数，为设备天天工作小时数，为平安元件两次动作之间的间隔时间。假设在压机实际工作经过中，人员一般天天2次按下急停，压机每年工作
15、300天，天天运行两班即16小时，那么计算可得为400次，假设急停按钮的值为20万次，那么计算可得约为5000年。按照第三章的系统构建方式组建系统，输入局部系统构造可达Category4，诊断覆盖率为99%，在知足共因失效要求的前提下，根据ISO13849-1附录表可查知，。在输出方面，假设接触器的值为20万次，其余参数不变，那么可计算出输出回路PFHDContactor亦为9.06x10-10/h。整个急停平安回路为，可以到达最高性能等级PLe，知足既定要求。5.结论本文从伺服压机上常用的紧急停顿功能出发，介绍了普通伺服驱动上轻易出现的平安停顿功能失效问题。通过增加平安控制器，改变系统构造，增加诊断覆盖率的方法增加了平安停顿回路的可靠性。伺服压机上其他根本平安功能如平安联锁、平安光幕等也可通过这种方式集成到控制回路中，可显著进步伺服控制局部的平安性能。另一方面，不仅仅是伺服压力机，其他伺服控制的设备大多也可采用这种方式提升设备可靠性。随着平安理念的日益深化，相信在伺服驱动上添加平安系统或者直接在伺服驱动内集成平安功能的应用会越来越广泛。