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紧急分断,安全门控制,冗余安全电路设计

①紧急分断电路设计 根据EN60204-1标准规定，对紧急分断的安全电路设计要点与要求如下。

  a.用于紧急分断的接触器，必须通过若干个接触器的触点工作，以实现"冗余"，保证在一个接触器故障时安全回路仍然能够保持有效。

  b.安全电路使用的接触器，其"常开"、"常闭"触点必须满足"强制执行"条件，"常开"、"常闭"触点不允许有"接通"的现象。

  c.用于紧急分断的安全电路，不允许通过PLC进行控制，必须使用机电式执行元件，如接触器等。

  d.用于紧急分断的安全电路，不允许在线路中接入紧急分断控制的主令元件、控制触点以外的其他继电器/接触器触点、线圈等电器元件。

  根据EN60204-1标准的推荐，安全电路建议采用如图5-30所示的控制线路。

  安全电路除可以按照图5-30利用标准接触器组成外，还经常使用安全类组合装置，如SIEMENS公司的3TK28系列接触器安全组合装置，PILZ公司的PNOZ系列紧急分断特殊继电器、ELAN 公司的SRBF系列紧急分断特殊继电器等标准产品。

 ③冗余设计PLC控制系统的“冗余设计”主要应用于两个方面，一是控制电路的“冗余设计”，如上述的紧急分断电路等;一是PLC本身的“冗余设计”。

  所谓控制电路的"冗余设计"，是控制系统为了保证其安全性与可靠性，防止由于某一元件故障而产生的安全性、可靠性事故，而通过人为增加在正常情况下并不需要的“多余”控制器件、重复使用触点等措施，提高线路可靠性。

  如用于紧急分断的接触器，必须通过若干个接触器的触点工作，以实现"冗余"，保证在一个接触器故障时，安全回路仍然能够保持有效等。

  PLC“冗余设计”的目的是提高系统的工作可靠性，避免由于PLC故障而出现的停机与安全事故。

  “冗余”系统又称为“热备份”系统，主要用于对安全性、可靠性要求非常高的场合，如大型生产线、化工设备等由于PLC的停机可能引发重大安全、质量事故的控制。

  PLC"冗余"需要采用具有"冗余"功能的CPU系统，如SIEMENS的S7-400H等。为了实现PLC的“冗余”，在系统中事实上需要配置两套完全相同的电源、通信、CPU等模块，两套系统工作，其中一套(主系统)用于正常控制;另一套(备用系统)运行同样的控制程序，但其输出被禁止。当主系统出现故障时，备用系统立即接管系统控制权，成为主系统，保证设备的正常运行;维修人员可以对出故障的原主系统进行维修处理，完成维修后装入系统中成为备用系统。如此不断交替工作，保证了系统的不停机连续运行。

  ②安全门控制工业控制设备中，凡是可能产生危及操作者人身安全、可能造成伤害的设备与部件，均应安装安全防护门，以确保操作者的人身安全。

  根据EN1088标准规定，对安全防护的防护门设计要点与要求如下。

  a.安全门应带有安全锁定装置，确保在完成危险的生产过程前锁定安全门，防止未授权进入与错误打开。

  b.当打开安全门时，必须停止危险的机器运动。

  c.确保安全装置上的操作保护，应使用编码等方式，防止意外操作的可能性;在使用无保护的安全装置时，设计者可以通过隐蔽式安装确保操作安全。

  带锁定装置的安全门开关一般都由专业生产厂家按照标准制造，典型的产品有PILZ公司的PSEN系列产品。用于安全门控制的监视装置一般与紧急分断通用，可以采用安全组合装置，如SIEMENS公司的3TK28系列接触器安全组合装置、PILZ公司的PNOZ系列特殊继电器、ELAN公司的SRBF系列特殊继电器等标准产品。

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安全电路设计

 ①安全性标准电气设备的安全性，在所有机电设备中占有至高无上的地位，必须引起设计人员的高度重视。为了统一设备的安全性标准，1995年欧洲共同体颁布了"89/392/EWG有关成员国设备标准倾向统一的法令"，即**的"设备法令"。该法令从1995年1月1日起，开始对欧洲共同体流通的所有设备具有约束力，它是所有生产制造商必须执行的基本安全要求，以法律形式进行强制。所有生产制造商必须声明其产品符合"设备法令"中相关标准的规定，并对此负法律责任。设备必须佩带“CE”标志，表明设备已经符合标准的要求。在89/392/EWG"设备法令"中，对安全性的定义是"在实现设备功能的过程中，不引起伤害或有利于健康"。设备安全性标准分以下3类。

  a.A类标准：安全基础标准。它涉及设备安全性，基本概念等，是适用于所有设备的通用设计导则。主要标准有EN292-1、EN292-2、EN1050等。

  b.B类标准：安全类组标准。标准分类、分组规定了安全性设计的具体要求，分为B1 和B2两类。

  B1类主要是特殊成套装置的安全性标准，如EN60204-1"设备的安全，电气配套装置"等；B2类主要是安全操作装置及设计方面的具体要求，如EN547"双手操作的电路"，EN418“紧急分断装置”等。

  c.C类标准：安全产品标准。它针对特殊产品的安全性标准，如prEN616～620“手动操作装置与系统"的安全性；prEN692"机械式压力机"的安全性；prENG93"液压式压力机”的安全性等。

  “设备法令”强调“设备设计人员的职责是：从一开始就应选择合适的结构特征来避免设备的危害性，或者降低这种危害性”；“控制系统在结构设计上应做到：不允许个别故障而引起的安全功能的丧失，必须识别故障，不允许设备继续运行”。

  由于EN标准涉及的范围广、内容多，限于篇幅不能一一予以说明。现只将与电气控制系统设计密切相关的重点要求择要说明如下。

 ④控制线路的“互锁”当两个电器执行元件(如电机正/反转控制接触器)动作，可能引起电源短路、机械部件损坏的，为了保证控制系统的工作可靠性，在继电器-接触器控制系统中，需要通过接触器触点进行可靠的电气"互锁"。

  在使用PLC控制的系统中，如果这些执行元件是通过PLC的输出进行控制的，那么在设计时不仅要在PLC程序中保证这些执行元件不可能动作，还必须通过线路中的电磁执行机构(或机械连锁装置)进行电气(或机械)“互锁”、保证这些执行元件不存在动作的可能件(见图5-29)。

  ⑤紧急分断根据EN60204-1标准规定，用于工业设备的电气控制装置，在出现危险情况时必须能通过紧急分断电路，尽快地使主机停止运行，以免造成对人员或设备的伤害。

  标准规定，紧急分断的实现方法可以有如下两种。

  a.通过安装紧急分断开关分断。用于紧急分断的开关可以是手动的，也可以是通过控制回路的分断进行远距离控制。

  b.经过控制电路的设计，使得紧急分断可以通过唯一的主令开关，就能分断全部有关的主电路。作为紧急分断的操作部件，有如下要求。

  (a)用于紧急分断的操作元件必须能够保持在“紧急分断”的位置，且只能通过手动或工具(例如通过旋转复位、拉拔复位、使用钥匙等)直接作用于操作元件才能进行解除。

  (b)紧急分断操作元件的"常开"、"常闭"触点必须满足"强制执行"条件，即"常开"、"常闭"触点不允许有"重叠接触"的现象。

  (c)紧急分断操作元件的"常闭"触点至少已经获得*小的断开间隙(完全断开)，且可能的“常开”触点都已经处于闭合状态，连锁才能生效。

  ②安全触点的使用电气控制系统中用于安全回路的"主令元件"(如紧急分断按钮、超程保护开关等)触头元件，必须满足EN60947-5-1(IEC947-5-1)标准的规定。

  应特别注意标准中的"强制释放"要求，即：安全触点"必须依靠形位配合，不能用弹簧零件”使其动作。就是说用于紧急分断、超程保护的按钮、开关，必须使用由操作件或手动直接作用的“常闭”触点，而不可以使用常开触点信号。

  采用“常闭”触点的优点是：触点发生“熔焊”，通过直接作用力产生的机械变位，仍然可以有效断开"熔焊"，保证安全回路的正常动作。

  标准还规定"用于紧急分断的操作件，必须能保持在操作(紧急分断)的位置上；只允许使用手或者工具直接作用于紧急分断操作电器上，才能解除操作"，也就是说，不允许使用自动“复位”的普通按钮和限位开关。

  简言之，用于设备紧急停止的按钮、超程保护的开关等，只能使用"常闭"触点；紧急停止的按钮、超程保护的开关必须具有“自锁”功能，即：应采用具有安全功能的行程开关(如SIEMENS SIGUARD 3SE2/3SE3系列行程开关，见图5-27)和旋转复位或拉/压复位的“急停”按钮(见图5-28)等。

  ③双手操作电器的使用机械设备中有可能对人体产生伤害与危险的部件(如夹具等)，在电气控制系统设计中，必须采用“双手操作”的电器与控制电路，以确保操作人员能将自己的双手远离危险区域(相关标准：EN547，DIN24980，VDI0113，EN60204-112/97,IEC204-1 11/98)。

  “双手操作”的电路设计应达到以下要求：只有通过“双手”操作，使得两个按钮的触点接通并保持0.5s以上，才能使得信号输出动作；释放任意一个(或者两个)按钮，即可使输出中断。只有在释放了两个按钮后，才允许进行输出。从而使得操作者使用"单手"或"单臂"操作不仅不允许，不可能。

  “双手操作”一般都需要特殊的控制继电器，按钮可以根据标准要求进行布置，或采用SIEMENS公司的SIGUARD3SB38系列双手操作按钮与“急停”按钮的组合产品。用于“双手操作”控制的继电器典型产品有SIEMENS公司的3TK2811/3TK2834“双手”接触器安全组合装置，PILZ公司的P2HZX系列"双手操作"控制继电器等。