常用汽车底盘检测设备安全控制系统设计

汤雪峰

摘 要：设计了一款以皮尔兹（PILZ PNOZ）S4型安全继电器为主的汽车底盘检测设备安全控制系统。该系统将主设备与安全继电器的常开安全触点连接，当出现故障时，安全继电器的常开安全触点能够立即断开，保护电路、设备和人员的安全。

关键词：汽车底盘;检测设备;安全模块;安全继电器

中图分类号：U463.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）34-00-04

Design of Safety Control System for Common Automobile Chassis Testing Equipment

TANG Xuefeng

（Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology， Taicang Jiangsu 215411）

Abstract： This paper designs a safety control system of automobile chassis detection equipment based on PILZ PNOZ S4 safety relay. The system connects the main equipment with the normally open safety contact of the safety relay. Even if there is a fault， the normally open safety contact of the safety relay will be disconnected immediately to protect the safety of circuit， equipment and personnel.

Keywords： automobile chassis;testing equipment;safety module;safety relay

1 安全控制系统整体介绍

一套完整的安全控制系统主要由安全输入信号、安全控制模块和被控输出元器件3个部分组成。其中，安全控制模块最为复杂，主要采集安全输入信号进行安全输出控制。在自身出现故障时，安全控制模块依然要发挥安全控制作用，同时要能检测到安全输入信号及被控元器件的故障并做出合理反应。安全继电器、安全可编程控制器和安全总线系统是常用的安全控制模块。

本设计中安全控制系统的安全控制模块选用皮尔兹（PILZ PNOZ）S4型号的安全继电器，其安全输出有继电器触点输出和晶体管输出两种形式。两种输出形式都至少能保证2个安全通道进行输出控制，其中一个安全通道故障时，另外一个安全通道依然能保证安全继电器安全功能的实现，并且快速检测出故障通道。

2 安全控制系统结构设计

汽车底盘检测设备存在较高的危险性，所以在其安全系统设计中必须考虑周全。安全控制系统由两个安全继电器作为安全模块分别控制两个运行模式，且两个安全继电器无法同时工作。安全继电器运行时，会向控制模块可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的公共端输出24 V电信号，使PLC程序运行。当PLC中的程序运行时，会为主阀提供工作信号，促使主阀将气压传输到阀岛，同时PLC会对电磁阀发出电控信号使其工作。安全控制系统结构框图如图1所示。

3 系统主要硬件

系统硬件主要器件包括手持安全按钮、皮尔兹（PILZ PNOZ）S4型安全继电器、主阀和阀岛以及工作方式选择开关等几部分，下面分别进行分析。

3.1 手持安全按钮

手持安全按钮可以用来控制设备的运行和停止。当手持安全按钮部分按下时，触点闭合，安全继电器得到信号，再将信号发送到PLC执行工位自动运行程序;当松开或全部按下按钮时，触点常开信号断开，工位自动运行程序暂停。手持安全按钮剖视图2所示。

3.2 皮尔兹S4型安全继电器

皮尔兹S4型安全继电器集多种功能于一身，拥有双安全通道，在一条通道出现故障后另外一条完好的安全通道仍然可以保护电路安全[1]。它占用空间面积非常小，可以在更小的空间内得到更好的应用。设备工作出现紧急状况时，安全继电器可以关断气源、切断设备的动力电源，从而达到保护设备的目的。皮尔兹S4型安全继电器的外形如图3所示。

该型安全继电器主要结构为：器件中的A1、A2是电源接线端子（供电电压有直流24 V和交流220 V两种，可根据项目需求选择）;S11、S12和S21、S23分别为安全通道1和安全通道2的接线端子;S34是复位/启动接线端子;Y32是输出端子;13和14、23和24、33和34为3项安全常开触点;41和42为辅助常闭触点。安全继电器的状态由面板上6个LED指示灯表示，电源供电正常时Power灯常亮;安全通道1闭合时ln1灯常亮;安全通道2闭合时ln2灯常亮;安全触点闭合，Y32有电平输出时Out灯常亮;S34有复位输入信号时Reset灯亮;安全继电器外部故障时Fault灯常亮，安全继电器内部故障时Fault灯闪烁。

皮尔兹S4型安全继电器主要工作模式有自动复位/启动模式、手动复位/启动模式、下降沿检测复位/启动模式、上升沿检测复位/启动模式、带启动测试的復位/启动模式等。通过面板上的模式选择按钮来设置工作方式。其中：自动复位/启动模式下，安全通道闭合，安全继电器自动就绪;手动复位/启动模式下，安全通道闭合，启动电路闭合后，安全继电器就绪;下降沿检测复位/启动模式下，安全通道闭合，启动电路闭合后断开，安全继电器就绪;上升沿检测复位/启动模式下，安全通道闭合启动电路闭合一定时间后，安全继电器就绪;带启动测试的复位/启动模式大多用于安全门，安全继电器会检测安全门的开与关的状态。本设计所选的模式是带触点间短路检测的自动/手动启动，当手持按钮半按下或安全继电器得到电信号使安全通道闭合时，安全继电器会进行启动检测。

3.3 主阀和阀岛

主阀是气源处理的三联件，包括减压阀、过滤器和油雾器。其中，减压阀可对气源进行稳压，减少气压突变对其他硬件的损伤;过滤器可对气源进行清洁，压缩水分，防止空气中的水分进入装置;油雾器可对部件进行润滑，延长机体寿命。主阀外形如图4所示。

阀岛是拥有统一的进气源，拥有独立输出端的多个电磁阀的组合体。通常情况下，每个电磁阀都为常闭。当收到电控信号时，电磁阀打开，送出气动信号，使其他气动元器件运行。阀岛外形如图5所示。

主阀和阀岛设备中的主要工作方式为：主阀的运作由系统中的PLC控制，当电源接通、PLC对其发出工作信号时，主阀开始工作，将气压通过连接的气管传输到阀岛，阀岛接收到PLC发出的电控信号后控制各气动元件运行。

3.4 工作方式选择开关

工作方式选择开关有三个挡位，分别为1、0、2。1挡为自动运行，0挡为手动运行，2挡为工位自动运行。其开关外形如图6所示。

4 系统主要电气线路设计

系统电气线路设计主要包括电源电气线路、模式选择电气电路、自动模式安全控制线路和手动模式安全控制线路等。

4.1 电源电气线路

设备中电源部分的线路是总电源将电压分配至各空气开关，空气开关再将电压传输到接线端子排分配给所属元器件，并且控制所属元器件的工作电压通断。本设计的安全控制系统主要由空气开关提供电压，空气开关将电压分配至工作方式选择按钮和控制手动运行的安全继电器上，控制工位自动运行模式的安全继电器工作电压由工作方式选擇按钮控制。

4.2 模式选择电气线路

设备中模式选择部分的线路是设备工作模式选择按钮中的两个挡位（0挡和2挡）分别接入控制手动运行时的安全继电器和控制工位自动运行时的安全继电器。设置执行时将模式选择按钮调到0挡，选择按钮上的一对常开触点闭合，此时控制手动运行的安全继电器的S11、S12和S21、S22两对触点得电，开始执行手动程序。当模式选择按钮调到2挡，选择按钮上的另一对常开触点闭合，此时控制工位自动运行的安全继电器的电源接线端子得电运行。

4.3 自动模式安全控制线路

设备中模式选择按钮调到自动运行时，安全继电器得电。当手持安全按钮半按下时，安全继电器得到工位自动运行的信号。安全继电器中的触点S12并联到复

位/启动接线端子中的S34，所以工位自动运行时进行启动检测[2]。将面板上的模式选择按钮调到自动/手动启动时，可实现带触点间的短路检测。当手持按钮半按下和松开或者全部按下时，可以达到控制工位自动程序的运行或停止的目的。安全继电器的两对常开触点13、14和23、24由空开接入后连接到执行器，当两个触点吸合时，执行器得到工作电压运行。

4.4 手动模式安全控制线路

设备中模式选择按钮调到手动运行时，安全继电器两对触点S11、S12和S21、S22得电开始执行启动检测，同时输出信号给PLC执行手动程序。当发生危险时，安全继电器可以立即做出反应阻止危险的发生[3]。

4.5 安全继电器手持安全按钮电气线路

设备中的1号和2号端口接入控制工位自动模式的安全继电器的S11和S12触点，设备中的3号端口和4号端口通过端子排接入安全继电器S21和S22触点。当手持安全按钮半按下时，安全继电器会得电，再将信号输出到PLC中完成工位自动程序的正常运行。

5 系统工作模式和流程

设备手动运行时，操作人员需要持续按下控制面板上的调试按钮或半按下触摸屏侧边的使能按钮，同时PLC程序判断操作不会导致机械相撞，按钮侧边的三角形变为绿色，此时操作人员需要在触摸屏上按下相应的手动按键才能操作。发生危险时，调整按钮松开、使能按钮松开或全部按下，手动操作无效，安全继电器关断气源[4]。

设备自动运行时，操作人员需要半按下连接到安全继电器的手持按钮的安全按钮，设备自动程序开始运行。危险发生时，将安全按钮松开或全部按下，设备的自动程序停止运行，此时安全继电器关断气源。设备安全系统工作流程如图7所示。

6 系统安装与调试

安装设备时，由于每一种工作模式由单独的安全继电器控制，所以在安装接线时要区分开来。在接线时，要注意每根线不能打结，线内的铜丝不能裸露在外，要用接线端子套住压好再接入元器件中。安装主阀、阀岛及气缸时要确保气源没有打开，避免危险情况发生，安装气管时不能出现气管对折、随意乱放的情况。

设备调试过程中常见工位自动模式下安全继电器无法正常工作、手动模式下手动程序无法运行、气缸还未伸出到指定位置就缩回等问题。

为解决上述问题，按照图纸检查工作方式选择按钮的接线和空气开关的供电，结果未发现问题。推测安全继电器本身出现故障，选择更换一个新的安全继电器后问题解决。在确定安全继电器未损坏后，开始按照接线图纸对安全继电器的接线进行排查，在排查时发现安全继电器输出到PLC的接线由于没有安装牢固导致脱落，未能将信号输入PLC中，连接线重新接好后问题解决。在调试气缸时发现控制气缸缩回的磁性开关可以正常使用，在更换新的磁性开关后问题仍然没有解决，之后考虑到气缸内活塞被磁化也有可能造成这种情况，在更换气缸后解决了该问题[5]。

设计的安全系统以皮尔兹S4型安全继电器为主，将主设备与安全继电器的常开安全触点连接，当出现故障时，安全继电器的常开安全触点能够立即断开，保护电路、设备和人员的安全。

参考文献：

[1]皮尔磁工业自动化贸易（上海）有限公司.Pilz安全产品在汽车制造行业的应用[J].仪器仪表标准化与计量，2010（6）：24-27.

[2]王元.安全控制单元在轧机控制系统中的应用[J].有色金属加工，2011（2）：56-59.

[3]黄辉.标准是自动扶梯和自动人行道设备安全的保证：EN 115-1：2008+A1《自动扶梯和自动人行道的安全 第1部分：制造与安装》解读[J].中国标准导报，2012（4）：44-45.

[4]吴双丽，范磊亭，赵尊梅，等.半钢二次法成型机上安全产品的应用[J].橡塑技术与装备，2019（11）：47-50.

[5]王旭东，韩雷.安全控制单元在板坯连铸机电气控制系统中的应用[J].自动化技术与应用，2018（1）：15-18.