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基于GB27607机械压力机电气安全系统的集成控制

文档作者：邵光存李海明杨帅王学军郭来平姜新军文档来源： 1．济宁科力光电产业有限责任公司 2．济南铸造锻压机械研究所有限公司		点击数：	更新时间： 2021年02月27日
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文章编号：1672—0121(2015)06—0077—02
基于GB27607机械压力机电气安全系统的集成控制
邵光存 ，李海明 ， 杨帅 ，王学军 ， 郭来平z，姜新军
(1．济宁科力光电产业有限责任公司，山东济宁272000；
2．济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南250306)
摘要：随着社会发展和进步，国家对安全生产的重视程度和要求越来越高。2011年GB27607机械压力
机的安全技术要求出台。本文依据国家标准，研究一种集成控制系统，监控机械压力机的安全相关设备，为压
力机制造商提供一种安全的控制方案，提高压机安全性，保护操作者人身安全，实现安全生产。该集成控制系
统的功能安全满足IEC 61508的SIL3和ISO 13849的PLe。
关键词：机械压力机；电气安全系统；GB27607；集成控制系统；安全生产；功能安全
中图分类号：TH188．2：TG315．5 文献标识码：B DOI：10．163160．issn．1672—0121．2015．06．021
机械压力机是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机
构、螺杆机构传动的锻压机械，通过对坯件施加强大
的压力使其发生变形和断裂来加工零件，是机械工
业中量大面广的工作母机。具有生产效率高，易于实
现机械化、自动化等特点。同时，机械压力机操作时
存在冲压、挤压等危险因素，如果在设计、制造和操
作过程中，风险评估不充分或安全措施不够全面，将
给操作者带来巨大伤害【“。
1 我国机械压力机安全生产现状
为保障操作者人身安全，201 1年GB27607机械
压力机安全技术要求标准发布。标准从压力机设计、
工作危险区域防护、控制系统、维保和其他危险等5
个方面，提出机械压力机的基本安全要求。但2014
年国家公布的机械压力机产品质量监督抽查结果，
参与抽查的60家企业60批次产品，竟然发现51家
企业生产的51批次产品不符合标准要求【2'3】。
分析其中原因， 主要是企业和操作者对安全生
产的重视程度或对功能安全的理解不充分。早在
1996年美国率先实施过程512业仪表系统的安全标
准，2000年国际电工委员发布了功能安全标准IEC
61508，2003年发布了适用于石油、化工等过程212业
的标准IEC 61511，并成为美国国家标准。我国直到
2006年才等同采用IEC 61508和IEC 61511，发布
国家标准GB／T 20438 和GB／T 21 109，仅为推荐性
标准而非强制性标准，且尚未发布与标准相应的应
用指南或指令，某种程度上限制了功能安全标准在
收稿日期：2015—05—09
作者简介：邵光存(1982一)，男，工程师，从事机械安全防护相关领域
研究
我国的实施步伐 。本文基于国情和GB 27607的安
全要求，按照功能安全理念，从风险评估、安全完整
性等级和安全生命周期三方面，提供一个经济可靠
的机械压力机安全保护方案。
2 控制系统设计方案
用于机械压力机电气安全的控制系统采用ISO
13849—1指定的4类结构，两独立输入单元采用冗余
方式接收外部设备信号，两控制单元独立进行逻辑处
理，分别输出控制信号(图1)。急停、安全光幕、双手
按钮等安全相关功能部件的工作状态，通过输入电路
传送到控制单元，控制单元根据压力机特性和GB
27607的要求，采用失效断言技术判断安全设备的状
态，输出安全控制信号，控制双联阀和急停工作并检
测受控设备的状态，防止机床发生危险失效。
安全设备的工作状态，通过安全输出控制机床运行。
控制单元由主控制核和从控制核组成，两控制
核组成功能相同的双核系统，每个控制核包括控制
模块、输入模块、功能模块、输出模块、测试模块和内
核通信模块6部分，如图2所示。
主控制
用于检测主控制核输出的测试信号。
两控制核配合工作，采用IS013849中性能等级
PLe推荐的技术，将外部压力机安全设备、机床电气
布线、控制系统输入电路和控制核组成闭环的输入信
号链，控制核与控制系统输出电路和压力机安全控制
从控制
图2 FPGA内部功能结构框图
2．1．1 主控制核设计方案
主控制核产生系统的工作指令，控制外围电路
输出周期性检测信号，检测外部设备和机床电气的
布线状态，形成闭合的检测信号链。根据返回的检测
信号和设备特性，判断压力机的安全状态，控制压力
机制动电路工作，防止发生冲压危险。
主核控制模块产生系统工作指令，协调内部各模
块工作。测试模块接收工作指令，依次输出外部和内
部测试信号，逐点检测外部设备和内部电路的工作状
态，形成控制核、压力机安全设备、布线和控制系统内
部电路的闭环信号链。输入模块根据测试信号依次判
断每个输入信号的正确性，将输人信号状态发送到功
能模块。功能模块根据每个压力机设备的特性处理输
入信号，如根据GBFF 19671中llIC类型处理双手装
置的功能逻辑，监控双手信号的一致性，采用失效断
言技术判断双手装置的启动条件。对于安全光幕信
号，检测输入信号安全性的同时，结合压力机工作状
态处理安全光幕信号，压力机回程期间，启动安全光
幕抑制功能，上死点位置启动安全光幕的自动复位功
能，在保证安全的前提下提高压力机工作效率。输出
模块根据功能模块处理结果，控制外部开关装置的工
作状态，并在控制信号中调制动态检测信号，周期性
检测外部开关装置的受控状态，形成输出和反馈的闭
合信号链。内核通信模块将主控制核的指令信息、输
入信号状态、输入设备处理状态、输出状态和故障检
测状态等信息实时发送到从控制核，接收从控制核发
部件组成闭环的输出信号链，
两控制核之间采用失效断言技
术和动态检测方法，形成闭环
监控信号链。两控制核组成独
立的双通道，对每个安全输出
可控可寻址，通过两核之间的
动态监控实现loo2D结构。控
制核设计过程中，采用功能安全标准强烈推荐的模块
化方法和半形式4ETy~ 等措施圈，保障系统安全。
2．2 输入单元设计方案
输入单元采用光电隔离方式并行接收急停、安
全门、光幕、凸轮、超程、模式、双手等安全设备的状
态信号，将外部设备状态转换为内部逻辑电平后，内
部检测电路按照测试模块的输出时序，逐路检测输
入电路的正确性。通过外部测试和内部检测方式，动
态监控压力机设备和输入电路的合法性，采用冗余
方式将每个输入信号分别发送到两控制核。
2．3 输出单元设计方案
输出电路采用推挽结构输出控制信号，利用开
关管交越特性反馈输出电路的工作状态。通过交越
特性反馈输出状态，可有效避免电路故障引起调制
和反馈信号短路导致的危险失效。两控制核独立控
制输出单元的工作状态，依次输出每个输出通道的
活性检测信号，交越产生的反馈信号依次输出到两
控制核，两控制核采用失效断言技术判断反馈信号
的正确性。为满足PLe系统的要求，采用动态检测技
术监控每个输出通道的状态，同时采用双通道输出
急停、安全阀等安全控制设备的驱动信号， 通过
EDM 功能监控安全阀等设备的开关状态，实现输出
控制的闭环监控。
3 结语
本文设计的安全控制系统，将急停、光幕、双联阀
等机械压力机所有电气安全相关部件集成控制，根据
压力机控制系统的工作指令完成冲压工作，保证压力
机原有工作特性的基础上，对压力机的安全输入设备
和安全控制设备进行闭环监控，实现危险操作区域的
全方位防护，使机械压力机电气控制系统满足GB
27607的安全要求。安全控制系统性能等级达到PLe，
安全完整性等级为SIL3，获得国际和国家权威机构的
文章编号：1672—0121(2015)06—0079-04
PRoFINET总线技术在西门子
TIA博途软件中的应用
王斌。曲杰。张国旭，张明，王宁，朱煜
(济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南250306)
摘要：PROFINET总线技术是PROFIBUS国际组织创新的基于工业以太网的开放标准，同时也可以采用
网关结构来集成Profibus设备到T-业以太网上来，降低了产品升级的成本，此技术的出现标志着现场总线技
术有了重大革新。本文结合SIMATIC s7—1200 PLC和SINAMICS$120驱动系统，详细阐述了PROFINET总
线技术在TIA博途软件中的应用。
关键词：PROFINET；TIA博途；S7—1200 PLC；S120驱动系统
中图分类号：TP336 文献标识码：B DOI：10．16316／j．issn．1672—0121．2015．06．022
0 前言
PROFINET 由PROFIBUS国际组织(PROFIBUS
Intemational，PI)推出，是新一代基于工业以太网技
收稿日期：2015—01—20
作者简介：王斌(1988一)，男，助理工程师，从事电气系统设计研发
术的自动化总线标准，用于实现工业以太网的集成
和一体化的自动控制解决方案。它可以应用在基于
工业以太网通信的分散式的现场级设备和需要苛求
时间的应用集成， 以及基于组件的分布式自动化系
统集成中。PROFINET是一种基于工业以太网的自
动化通信系统，也是一套全面的以太网标准，可以在
功能安全认证。系统的诊断覆盖率DC=99．99％ ，危险
失效概率PFH。=1．15xlO-s，单通道危险失效时间MT—
TFa=83．6年，其功能特性和安全特性都达到世界先进
水平，安全输出电路部分获得国家发明专利。同时，本
文设计的安全控制系统立足国情，在提高机械压力机
电气系统安全性的同时，实现标准化生产，节约成本，
促进工业安全和功能安全事业发展。
【参考文献】
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[4】靳江红，吴宗之，赵寿堂，等．安全仪表系统的功能安全国内外发
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【5] IEC 61508-2010 Functional safety of electrical／electronic／
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Geneva， Switzerland．2010．
Integrated control of electrical safety system for mechanical press based Oil GB 27607
SHAO Guangcun ，LI Haiming ，YANG Shuai ，WANG Xu~un ，GUO Laiping~，JIANG Xinjun

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