安全防护系统在冲压设备中的应用

文／孔猛·山东莱恩光电科技有限公司

安全防护系统在冲压设备中的应用

文／孔猛·山东莱恩光电科技有限公司

随着自动化技术的广泛应用，对于机械保护方面的要求也在不断提高，目前我国的冲压技术由于受到投资和产能的限制，大部分仍然采用手工作业，手工取放工件，工人通过操作脚踏开关或按钮来使压力机动作，有时按钮发生故障或操作工人为了加快取放工件速度而把双手按钮进行短接改造成一个按钮，这些都给安全生产带来了重大隐患。通常，一些企业认为安装安全保护系统是件很烦琐的事情，会降低生产效率或认为这是一种“不必要的投资”，而忽略了隐形的事故成本和社会负担。在生产过程中，一旦出现事故，不仅会对操作工人的人身造成巨大伤害，企业也将会面临高额赔偿、设备或产品损坏甚至停产等，所以无论是从操作工人人身安全还是企业生产成本降低的角度考虑，企业管理者和机械制造商都应意识到安全生产的重要性。

产生危险的主要原因

⑴误操作：工序单一，操作频繁，容易使操作工人产生精神疲劳，特别是手动上下料使用脚踏开关的情况，操作工人动作失调，极易产生危险事故，使人身或设备受到伤害。

⑵违规操作：企业体制使得工人盲目追求高产量，为了加快取放工件速度而把双手按钮进行短接改造，单手操作，给人身安全带来隐患。

⑶设备故障：离合器失灵，脚踏开关、急停按钮或双手按钮失控。

在冲压机械正常工作过程中，冲压机械滑块垂直下冲速度极快，以一般100t液压冲床为例，滑块每分钟往复次数为75次，即单程一次只需要0.4s，假设采用100mm的行程进行拉深作业，若手在模具内，冲床滑块下冲伤指的时间约为0.1s，而当操作者发现或感觉到滑块下冲时，反应到大脑，再由大脑指挥手缩回的时间约为0.2～0.3s，显然手是来不及收回的，这时就会造成人身事故。但如果安装了安全光栅，在检测到手或其他部位未离开危险区域时，安全光栅会立即发出动作使冲床停车；或使用安全继电器，在开车之前强制工人使用双手操作，也可避免此类事故的发生，达到安全的目的。由上可见，安全光栅和安全继电器能有效防止事故的发生。

安全防护系统在冲压设备中的应用

一个典型的安全防护系统由以下几部分组成：

⑴安全输入设备——急停按钮、安全门、安全光栅、双手按钮。

⑵安全控制设备——安全继电器、安全PLC。

⑶安全输出设备——接触器、电磁阀、AC驱动器。

从上面的举例中我们已经得知，安全光栅和安全继电器可以有效防止事故的发生，下面就以这两种装置为例来介绍一下安全防护系统在冲压设备中的应用。

安全光栅

安全光栅（光电安全保护装置）通过发射红外线，产生保护光幕，当光幕被遮挡时，装置发出遮光信号，控制具有潜在危险的机械设备停止工作，避免发生安全事故。安装光电安全保护装置，可以有效地防止安全事故的发生，避免操作工人及第三方的危险，减少事故的综合成本。不过在使用时需要注意：对于滑块能在行程的任意位置制动停止的压力机，光电安全保护装置可实现全程保护，或与凸轮开关配合实现30°～180°之间行程的保护；对于滑块不能在行程的任意位置制动停止的压力机，光电安全保护装置只能在单次工作时实现上死点保护，即上一行程结束后，下一行程尚未启动，如果光电安全保护装置处于遮光状态，那么下一行程就无法启动（必须保证足够的安全距离）。

⑴组成。

发光器：由若干发光器件组成，发射红外光线。

受光器：由若干受光器件组成，接受红外光线，与发光器的发光器件一一对应，形成保护光幕，产生通光、遮光信号，同时通过信号电缆将信号传输给控制器对外部设备进行控制。

控制器：为发光器、受光器供电，并接受受光器传送的通光、遮光信号，输出控制信号，控制机床的制动控制回路或其他设备的报警装置，以使机床停止运行或发出安全报警。控制器有内置式控制器和外置式控制器两种类型，内置式控制器结构小巧、紧凑，可安装在设备的控制箱内；外置式控制器结构美观、牢固，可直接安装在设备上，方便操作及光幕通光、遮光状态的观察。

信号电缆：用来传输控制器和发光器、受光器之间的信号。

控制电缆：用来连接控制器和机床等设备，以实现机床或其他设备的安全控制。

安装支架：把发光器与受光器固定在机台上。

⑵工作原理。

如图1所示，发光器发出的光直射到受光器，形成保护光幕，当光幕被遮挡时，受光器产生一遮光信号，通过信号电缆传输到控制器，控制器将此信号进行处理，产生一控制输出信号，控制机床的制动控制回路或其他设备的报警装置，以使机床停止运行或发出安全报警。

图1 光电安全保护装置保护原理

⑶安全距离的计算。

如图2所示，安装光电安全保护装置时，与危险区域之间的距离必须保证要达到安全距离（Ds）。安全距离是指为了保证安全，光电安全保护装置的光幕与危险点之间所允许的最小距离。为确保操作者的人身安全，光电安全保护装置的安装位置必须符合安全距离的规定要求，否则，仍存在发生事故的可能。

图2 光电安全保护装置应用现场

安全距离Ds的计算公式如下：

Ds＝KT＋C

式中 Ds——安全距离（mm）；

K——人的身体或某部分靠近危险区域的速度（mm/s）；

T——系统的总制动时间（s）；

C——附加距离（mm）。

1）K值的确定。

①当光电安全保护装置的光幕被水平安装时，应使用1600mm/s。

②当光电安全保护装置的光幕被垂直安装时，若安全距离不大于500mm，则使用2000mm/s；若安全距离大于500mm，则使用1600mm/s。

2）T值的确定。

①系统的总制动时间T包括光电安全保护装置的响应时间和压力机的制动时间两部分。

②光电安全保护装置的响应时间由光电安全保护装置的供应商给出。

③压力机的制动时间需要进行实际测量。

3）C值的确定。

①附加距离C以人手进入光电安全保护装置的光幕即感应区后，而未能达到引起光电安全保护装置感应时的进入长度为依据来确定。

②当不使用光电安全保护装置的自锁（启动—重启动联锁）功能时，根据其检测精度，在计算安全距离时，至少应使用表1的规定；当使用光电安全保护装置的自锁（启动—重启动联锁）功能时，可取C＝0。

⑷安装位置的确定。

安装位置是指光电安全保护装置的光幕相对于机床上下模口的位置，即在保证安全距离的前提下，光幕的最下一束光必须低于下模口的下边缘，最上一束光必须高于上模口的上边缘。这就涉及到光电安全保护装置保护高度的选择，其原则如下：

保护高度＞机床滑块行程＋调节量下面看几种正确和错误的安装方法，如图3、图4所示。

表1 根据检测精度确定的C值

图3 正确的安装位置示意图

图4 错误的安装位置示意图

⑸注意事项。

使用过程中如果更换模具，那么必须要按照安全距离和安装位置的要求重新调整光幕的位置。若机床有滑车现象发生，则必须及时检修调整好机床，否则，即使光幕安装位置正确也无法确保安全。另外，安全距离超过400mm时，也有必要采取其他辅助防护措施。

如图5所示，如果光幕装置周围的物体具有光滑反射面，如金属板、地板、天花板、加工件、覆盖物、隔板、玻璃板等，那么光幕的安装位置距反射面应大于允许安装距离A。A的数值可由表2中的公式计算得出，或由图6所示的坐标图查到。

图5 防止反射物对光幕产生影响的安装位置示意图

图6 允许安装距离A与保护长度L关系图

表2 允许安装距离A值的确定

周围反射物的光滑反射面，会对光幕产生影响，使光电安全保护装置失去正常功能，无法起到保护作用。安装光电安全保护装置时，请尽量远离反射物，或将反射物覆盖、遮挡，消除干扰，以确保安全。

安全继电器

根据EN574有关双手设备标准中关于双手按钮设备应用于危险机器的规定，在危险场合，特别是手工送料的机器，如冲压设备、带切割刀具的机器等，只有在双手按钮同时按下并且时间差不大于0.5s时，所做的操作才是有效操作；如果时间差超过0.5s，那么必须要等到两个手都松开按钮后，才可以再次使用双手按钮设备。只有这样，才能确保使操作人员的双手离开危险区域，免受伤害，也只有符合标准要求的双手按钮设备才可以在市场上流通使用。

图7 安全继电器SR4P2A1B24S

在这里，两个按钮不能当作双手按钮安全装置来使用。双手按钮不仅具有特殊的壳体结构设计，而且双手按钮作为一种安全装置，必须配套采用安全监控模块（又称安全继电器，如图7所示），组成一个安全的双手控制系统。其工作原理如图8所示：双手按钮的2个常开触点、2个常闭触点总共4个信号触点连接到安全继电器，由安全继电器对双手按钮的状态进行判断，当且仅当两个按钮在0.5s内同时按下时，安全继电器才会有输出，该系统才能够启动机器动作；任何一个触点的故障，均可以被监控判断；任何一只手离开按钮，安全继电器都会立刻停止输出，切断动力源，从而实现保护操作工人人身安全的目的。任何一只按钮的提前或推迟工作，都不会出现危险。

图8 SR4P2A1B24S接线图

图9 普通的双手控制盒电路

图10 安全级别较高的双手监控电路

然而有些企业贪图省钱，在双手控制系统中不购买、安装安全继电器，只是将按钮盒上的两只按钮的2个常开触点串联起来（如图9所示），接到机器控制回路上，表面上看好像是双手控制，实际上是两个按钮简单的串联，这样很容易就能够被操作人员采用简单的方法“短接”，变成单手操作。另外，一个触点的熔接故障，也同样容易使设备单手操作成为可能；如果2个触点都出现故障，甚至还会导致设备出现意外动作，从而伤害到操作人员。因此，串接起来的两个按钮是不安全的，是不可能实现双手按钮设备的安全功能的，这样做是不允许的，也是非常危险的。

切断危险的源头，避免任何误操作可能带来的风险，是项目技术管理的重要原则。双手按钮的这种操作理念同样也适用在寸动、微调等运行模式上：同时按下按钮，压机动作；同时释放，压机停止；若一只手突然释放，压机急停。

普通的双手控制盒电路如果配合SR4P2A1B24S安全继电器来使用，那么其安全级别便可得到有效地提高，并能有效防止操作工人违规操作，而且还可以实现对按钮的检测，其原理如图10所示。

结束语

机械安全不仅有利于生产工人的安全生产，也有利于企业的持续发展，提高企业的整体竞争力，随着国家一系列安全生产强制性文件的实施，机械安全必将会受到越来越多的企业的重视。

孔猛，主要从事工业安全控制类产品的开发和研究。