安全PLC在港口起重机中的组装应用.pdf

安全 P L C在港口起重机中的组装应用 潘荣毅张卫红 上海振华重工电气有限公 司 上海2 0 0 1 2 5 摘要 对安全 P L C在港 口起重 机中 的应 用进行 分析和研 究 ，对安全 P L C进 行功 能分析 和市 场前景 分析 ， 通过安全等级的分类，结合实例分析及实际应用，与普通 P L C进行对比，验证了安全 P L C在港 口起重机中对设 备本身和操作人员的保护功能。 ， 关键词 港 口起重机 ；安全 P L C ；组装 ；应用 中图分类号 T H 6 5 3 ． 9 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 4 0 8 0 0 7 4 0 5 Ab s t r a c t An a l y s i s a n d r e s e a r c h i s p e r f o r me d f o r a p p l i c a t i o n o f s a f e t y P L C i n p o r t c r a n e s ， wi t h f u n c t i o n a n a l y s i s a n d mark e t p r o s p e c t a n a l y s i s f o r s a f e t y P L C ． T h r o u g h c l a s s i f i c a t i o n o f s a f e t y l e v e l s ，c o mb i n i n g w i t h t h e e x a mp l e a n aly s i s a n d p r a c t i c al a p p l i c a t i o n， t h e s afe t y P L C i n t h e p o r t c r an e i s v e r i fi e d for i t s p r o t e c t i o n t o i t s e l f a n d o p e r a t o r s c o mp are d wit h c o m mO B P L C． Ke y wo r d s p o r t c r a n e；s afe t y P L C；a s s e mb l i n g ；a p p l i c a t i o n 0引言 随着安全 理念的不断提 高，风险意识 的不 断 深入 ，越来越多的用户将安全等级提上议事 E t 程 ， 在标书上 明确指明设备 的安全等级 ，尤其是 欧洲 项 目和马 士基项 目，对安全等级 的重视是前所未 有的，简单的安全继电器 已经很难满足要求了， 而安全 P L C的集成恰好能够做到这一点 。 安全 P L C指的是在 自身或外 围元器件 或执行 机构出现故 障时，依然能正确响应并及 时切 断输 出的可编程系统，其所有元器件均采用冗余多样 性结构 ，2个处理器处理时进行交叉检测 ，每个处 理器的处 理结果储存在 各 自内存 中，只有处理结 果完全一致 时才会进行输 出 ，如果处理期 间出现 任何不一致 ，系统会立 即停机 。 目前市场上 主要 的安全系统集成包括安 全继 电器的集成、安全 总 线的集成 以及安全 P L C系统 的集成。继安全继 电 器 的普遍应用后 ，安全模块 以及安全 P L C系统也 将成为港 口起重机上主流的 P L C控制系统。 1 功能分析 在工业 生产 中，任 何一 台机 器都 存在 危 险， 一 台安全 的设备采用安全保护和控制措施 的生产 过程能够避免事故 的发 生。事故发生 的原 因主要 包括人 的不安全行为 如违章、违规操作 、物的 一 74 一 不安全状 态 如控制器件 失效、机器误 动作等 和环境因素，安全理念的提出就是为了避免事故 的发生 。安全 P L C系统是一种高度可靠的安全保 护手段 ，可最大 限度 地避免 机器 的不安 全状 态、 保护生产装置和人身安全，防止恶性事故的发生， 减少损失。安全 P L C的功能框图如图 1所示。 具有可靠性的程序 输入l 输入2 或P L C或 输出l 输出2 检测到问题则系统运行失败 图 1 安全 P L C的功能框 图 如图 2所示 ，就是一个安全保护装置输出2个 同时动作 的点 ，进入安全 P L C进行处 理 ，输 出 2 个同时动作的点，去带动输出的继电器，再通过 继 电器去控制运动设备 。 在港 口机械上需要使用安全 P L C的输入点主 要包括有 紧停 、超 程限位和超速开关 。这些输入 点以前的保护方式是通过安全继电器的方式来实 现硬件保护的 ，而现在则是要直接输入到安全 P L C 中来实现保 护。因此 ，对于这些输入 点来说都是 有不同的要求。 如图 3所示 ，在不 同的安全等级 下对 输人点 的要求也不 同，如紧停 时需要从安全 P L C输入模 起重运输机械 2 0 1 4 8 输入l输入2 F - P LC 输出l输出2 入2 输 出1 出2 输出2 图 2 安全保护装置工作原理 图 块中分别拉 出 2副对应点来 同时输入 ，其他输 入 点超程 ，超速开关亦如此。 安全P L r连接输八传感器 传感器 电源由 Hc 供电 厂 ’ 强 图 3 安全 P L C的保护输 入点 输出部分 主要集 中在对各 机构制动器 的控 制 上 ，相对于以往输 出的双接触器 控制 ，一组是 由 各机构安全继电器控制 的保护接 触器 ，另一组 则 是由 P L C输 出的对于制动 器控制 的接触 器方式 ， 现在 的控制需要这 2组接触器都要从安全 P L C输 出模块中输出。 如图 4所示 ，高速制 动器 操作制 动器 的 主电源控制需 要有 2组不 同的接 触器来控制 ，而 这 2个接触器都需要由安全 P L C输出模块来输出。 这些接触器 的反馈触电必须进 到安全 P L C输入模 块进行检测 ，同样 紧急制动器也需要使用这 种方 式进行控制 ，以确保机构 的制动 器安全 ，保证 机 构能够在非正常情况下迅速安全的关断制动器。 2 安全等级及评估 如图 5所示 ，安全评估一符合 I E C 6 2 0 6 1的规 程 S I L l ～S I L 3 。S I L S a f e t y I n t e g r i t y L e v e 1 为安 全完整性等级 ，分为 S I L l 、S I L 2 、S I L 3 ，一般 由危 害程度与发生频率进行评级。其 中，S I L lS I L 2 S I L 3，即 S I L 3对安全要求最高。 起重运输机械 2 0 1 4 8 黧 移 F -DO 2 { 臣 丁 - _ K l l 2 F - DI l R函眦 I 幻 2 4 “ - J 7 2 4 V ；I P L c h 池 } I l 应急制动器 ≯ 一 l l 图 4制动器保 护控制系统 S I L安全 等级的分配方法 S I L危害程度 X 发生频率 露 匿 I三 尘 玉 I．茎 ．．．} I堰 互 熊 曲 I 曼 ．J 十 l堕 救 鲤 l l l垂 蔓 旦 【 l I 荜 l J l堡 堕 鳇 墼 I I 囡 瑾圈匾孤r圈 I三 生 l 2 I I互 盔蛰曲 l l 图 5 安全评估一符合 I E C 6 2 0 6 1 的规程 S I L l ～ S I L 3 如图 6所 示 ，安 全 评 估 一 符 合 E N ／ I S O 1 3 8 4 91的 规 程 P L a～P i e 。安 全 系统 主 要 由 安 全输入设备 、安 全控 制设 备 、安 全输 出设 备所组 成。现在所面临 的问题在于用 户对系统 安全等级 需要满足 S I L 2的要求 ，对 于输入 、输 出设备能够 找到满足安全要求的产 品；对 于整个系统 的安全 控制设 备 ，如 果仍应用 以前 的安 全继 电器 回路， 会使系统 回路极其复杂化 ，又很难 真正满足安全 等级 S I L 2的要求。西门子安全 P I c本身就能够作 为一个安 全控制设备来进行使H { ，其 自身就能满 足安全等级 S I L 2的要求 ，并具有第 三方专业机构 的安 全 认 证 ，符 合 E N ／ I S O 1 3 8 4 91以 及 I E C 6 1 5 0 8等控制系统安全相关部件标准的要求 ，其使 用率也越来越高。 一 7 5 图 6 安全评估一 符合 E N／I S O 1 3 8 4 91 的规程 P L a～ P i e 3 普通 P L C和安全 P C L区别分析 3 ． 1 普通 P L C和安全 P L C在紧停 回路上的设计 区别 图 7是 普通 P L C在 紧停 回路设 计时 的应 用 ， 图 8是安全 P L C在紧停 回路设计时的应用。相 比 之下 ，图 7中的线明显 比图8中的线多 ，且比较复 杂 ，容易接错。而图 8中的线路清 晰，方便查 找 问题 ，分析问题 。 l 1 1 卡 半 -S1O- - 112 I l l d 十 O1 F4 3 I A1 1 l 1 1 D J l 1 B} “ cT L 2 4 VDC- ．2 EI l 1 0 - 2 E n ， 21 忍工 P L C 屏紧停按钮 图 7 普通 P L C紧停 回路示意图 一 7 6 一 P L C 屏紧停按钮P L C 屏紧停按钮 图8 安全 P L C紧停回路示意图 3 ． 2普通 P L C 和安全 P L C在超速、超 程回路、 保护性限位上的设计区别 以超程 回路 为例，图 9是普通 P L C在超程 回 路设计时的应用 ，图 l O是安全 P L C在超程同路设 计时的应用。相 比之下 ，图 9中的超程 开关需要 配合安全继 电器 同时实用才能起 到效果 ，而图 l 0 中的超程开关只需要直接接到安全 P L C的输 入点 即可起到效果 ，节省的安全继电器的开 支和安装 空间，减少 了故障点。在桥式起 重机上有起升俯 仰应急电机 时，超程 限位 、超 速 限位 、保护 限位 也需要加入应 急硬件控 制，但限位的配置一般 只 有 2组触点 ，具体应用见图 l l 。 起升超程信号 1 3 。， W5 ． 6 图 9 普通 P I C超速 同路设计 图 - - 9 05 ． M 1 3 F0l A 3 _ 2 ， 6 5 起升超程 起升超程 图 1 0 安全 P L C超速回路设计图 一 蓬 起升谴度 l 3_ ，l 6 口 ， 7 图 1 l 桥式起 重机 限位 配置应用 综上所述 ，普通 P L C和安全 P I C实际 别 可 起重运输机械 2 0 1 4 8 总结成 以下 2点 1 硬件部分 见 图 1 2 即为对 比制动器硬件连线控制方式 的变化 ；2 软件部分 见 图 1 3 即为对 比制动器在软件输入输 出控制方 式的变化。 限 位 7 限 位 7 鹄 1 圈 3- {Ii II动 { I；fl 动 g 图 1 2 普通 P L C和安全 P L C硬件部分区别 旧方 式 新 方式 使 能 ＆ F 使 ＆ ＆ 1 l l1cI I 图 1 3 普通 P L C和安全 P L C软件部分区别 出 安全 P L C不仅可提供常规 P L C的功能，更在 于关键型的控制 和安全型 的应用 。它在设计 时更 强调内部诊 断 ，能让设备 随时检测 工作状态 ；具 有 的软件 ，使用一 系列 特殊技术 ，能确保软件 的 可靠性 ；不允许通过数字通讯 接 口随便读 写 内部 数据 ，增加了安全系数 。 4 具体项 目应用 以上海振华重工 集 团股份有 限公司 自主 设计制造的土耳其桥式起重机项 目为例，分析安 全 P C L在实际产品 中的应用。表 1为该项 目安全 P L C、安全 I ／ O的配置清单。 由表 1 可 以看 出，安全 P L C每个模 块的通道 数量多 ，配置 简单 ，方便灵 活且有 冗余 ，相 比安 全继电器 ，1 个功能 1 个安继 ，根据需要还要加扩 展 ，控制和接线 比安全 P L C繁琐 ，而且 在机器调 试 阶段 ，如遇接线错误 ，很容易烧坏。 起重运输机械 2 0 1 4 8 表 1 桥式起重机安全 P L C、安全 I ／ o配置表 安全 I L C 安全 P L C 数量 通道数量 模块数量 紧停按钮 2 2 2 2 F D I 2 起升紧停信号 1 1 F D I 俯仰紧停信号 1 1 F D I 小车紧停信号 l 1 F D I 起升超速限位 2 2 F D I 2 6 E S 7 3 2 6 1 BK0 2 起升超程限位 1 1 F D I 2 0 A B 0 1 2 2通道 D I 3 块 起升挂舱限位 4 4 F D I 2 俯仰超速限位 1 1 F D I 2 俯仰超程限位 l 1 F D I 2 小车超程限位 2 2 F D I 2 大梁防撞限位 4 4 F D I 2 起升急停控制 1 F D O 起 升制 动器 控制 1 F D O 小车急停控制 l F D 0 6 E S 7 3 2 6 2 BF 1 0一 小 车制动器控制 1 F D 0 O A B O 1 0 通道 D O2块 俯仰急停控制 1 F D 0 俯仰制 动器 控制 1 F D O 重量传感器控制 3 F D O 4 ． 1 紧停 的设计回路 由图 1 4可知 ，应用 安全 P L C可大 量节省 接 线 、外部电缆 和连接 端子 ，只需要 保证 接线正确 即可达到安全等级。另外 ，还可 以避 免 由于触点 的动作快慢 ，或紧停 2副触点动作不 一致 而造成 的安全继 电器动作 ，软件没反应的情况。 r II 前 e穰 一盖 趸 一 嘴 1 2 一 ∞ 辐著 12 1 2 ， ， ， ， ， l _ Ⅺ 6 7 硝 ‘ 6 9 “ o 星 塞 至 塞 萋 謇 l l l 1 O1 2 O1 3 O1 4 O1 5 OI 6 ， 6 l l D 蛔 狮2 ． 、 优 F回3 瓣 lH 战 趟 _P 2 ∞ 4 7 7 ＆ 赔 疆 ∞ c 娥 ， l 。 1 ≤ 口 鞴 1 总 图 1 4 紧停设计回路 4 ． 2超速 、超程的设计回路 由图 1 5可知 ，应用安全 P L C，原本复杂的安 全保护回路 变得很清晰 ，只需 简单的培训 ，维修 人员就能够迅速发现问题所在 ，快速响应。运用 安全 P L C的优势显著 ， 复杂的回路做在 P L C内， 外 幢 ] 搿 l 翳 2 ” 4 - ∞ h口‘ 怕 1 l - ， - l 矗一 7 ■H口‘ 圆 【 - H N a．睁 一 j I 1 [ 一 ， ” l 3 g ， 骆 柏 l i l i l i l 荨 g g 辜 g g ； 麓 茹 一箍 - 茄 一 饕 嬲 D F Ⅱ * 幽幽．‰l m 舞 P 嚣 嚣 a{ N ／ s l E 1 C 卧NNE I CI ／ ANN I g L l a M ． E L l O g a t s r C HA ／ q H L 1 r 犯 t 。 。 踟一 争 ． 糍 置 一 I ∞ - 舶 l l。 i l l l l l ．嚣 ， ．筹 ． D _ 姊 t 即 - 眦 F 固 m l雕 嘧 删幽 幽 瞄 - M ， ∞ 4 ’ 船 “ 图1 5 超速、超程设计回路 部的回路变得更加清晰，维护方便，也降低维护 成本。 5 总结 由于目前安全 P L C系统已经技术成熟，有 很 多品牌 的安全 P L C已经大 量推 向市 场 ，安全 P L C已经普 及 到众 多行 业 的设 计 标 准 中去 。港 口设 备 由于体 型 大 ，起 重量 大 ，一 旦发 生 事故 都 是恶性 事故 ，对 操 作人 员 和维 修人 员 有很 大 威胁，运用安全 P L C系统 ，可将这些威胁降到 允许的范围内，最大程度保护人员安全和设备 财产安全 。 作 者潘荣毅 地 址 上海市浦东新区东方路 3 2 6 1 号 A座 2 9 1 3室 邮 编 2 0 0 1 2 5 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 5 4 5 0 t 级全路面汽车起重机轻量化液压缸成功问世 近日，徐工首套 4 5 0 t 级全路面汽车起重机轻量化液压缸顺利完成试制，该产品凭借着超前的轻量化设计和突 出的可靠性品质，使徐工核心零部件轻量化产品在市场竞争中得以全面延伸。 4 5 0 t 全路面汽车起重机轻量化配套液压缸的成功问世，是在继承以往经验的基础上 ，不断加大液压缸轻量化 应用的结构优化和分析， 采用新材料、新结构 、 新工艺，通过薄壁缸筒阀座免焊接技术、减重耳环十字型加强筋 结构等一系列先进技术的应用，不仅减轻了整缸质量，同时也大大提高了产品的稳定性和安全性 ，为主机带来更 好的操控性以及更低的功耗表现，也为徐工核心零部件打造轻量化产品拓展出更广阔的发展空间。 ～ 7 8一 起重运输机械 2 0 1 4 8