卸船机电气系统安全保护设计上的浅析2.docx
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卸船机电气系统安全保护设计上的浅析2
卸船机电气系统安全保护设计的浅析
上海海得控制系统股份有限公司起重事业部龚吉
关键词:
安全继电器SAFTYRELAY
安全模块SAFTYMODULE
变频器INVERTER
人机界面HMI
起重机监控系统CRANEMESSAGESYSTEM
停车类别CATGORYSTOP
安全等级SAFTYCLASS
1.概述
卸船机主要有连续卸船机和抓斗式卸船机两类,目前国内大部分散货码头还主要是采用抓斗式卸船机。
上世纪九十年代前,中国还只能设计制造小吨位卸船机,经过二十多年的发展,我国已经可以自行设计制造2500吨/小时卸煤量的大型卸船机。
以国民经济的高速稳定发展,我国对卸船的需求量也持序增长,目前卸船机的机械部分设计制造均能由我国公司独立完成,国内主要的设计生产厂家有:
上海振华,上海港机厂,中国华电工程等等;但电气方面的设计和调试,上述机械制造厂均大部分外包给外国公司,国内卸船机的电气设计制造基本上被ABB,SIEMENS,KONE,ALSTOM等垄断。
在此浅谈一下卸船机的电气设计和选型。
2.电气系统的配置
电气系统的最上层为实时检测显示系统,它由触摸屏HMI,起重机监控系统(CMS)工控机,打印机等组成,其通过PROFIBUSDP或ethernet等与PLC间的通讯获取整机实时信息,完成整机运行状态的图形显示,故障显示,报警,报表管理等。
中间层为PLC,是系统的控制核心,由CPU单元,开关量I/O,模拟量I/O,通讯模块,高速计数模块等组成。
最下层为主传动层,由各机构变频器组成,所有变频器可通过各自的通讯卡挂在总线网上控制,也可全部通过端子控制命令和模拟量给定控制。
接受PLC的统一控制。
3.安全原理设计
硬件回路设计时要对整机系统进行分析,划分各个电气设备故障对卸船机产生的故障程度,包括对人身和设备的损害。
对每一个不安全因素进行评分,制定卸船机不安全因素评估和相应对策表,尽量消除或减少不安全因素。
3.1中压配电安全设计
中压配电系统主要由中压配电盘和变压器连锁控制;中压进线电缆应要求有漏电流检测功能(欧盟国家标准要求),当检测到漏电流超过设定值时,应断开出线柜断路器;变压器断路器和变压器室门应有连锁功能,当需要打开变压器室门时,必须先断开变压器断路器,方可能打开变压器室门,当变压器室门打开后,则变压器断路器就无法合闸。
若要合闸变压器断路器,则必须先关闭变压器室门,能后才何以合闸变压器断路器。
以上功能都是通过安装在变压器室门上和变压器出线柜上的程序功能锁自动实现的。
这样可以避免因工人操作错误而产生的危险安全隐患。
3.2控制系统安全回路的设计
抓斗卸船机是一种特殊起重机械,机械和电气都有特殊安全要求。
急停回路的设计要单独于PLC控制和调速器传动,急停回路不能采用普通的继电器,继电器回路达不到起重机安全等级。
根据EN954-1标准和IEC/EN61508标准的安全保险要求,急停回路需要用安全继电器(SAFTYRELAY)。
这种安全继电器有自身故障检测及复位功能。
如下图:
115V电源给定后,四个急停按钮全部没被按下,此时KA01和KA02导通,给Y33和Y34一个“1”脉冲逻辑,安全继电器3TK2827吸合,瞬动触点13与14导通,23与24导通,瞬动触点31与32断开,延时触点47与48,57与58立即导通,设备可以正常运行。
当四个急停按钮中的任可一个被按下,Y10和Y11,Y12断开,瞬动触点13与14,23与24立即断开,瞬动触点31与32立即导通,延时触点47与48,57与58按设定延时时间后断开,急停按钮复位后,必须给Y33和Y34一个复位信号,安全继电器才能吸合。
安全继电器的延时触点控制机构传动动力电源的合/分,产生一个机械紧急停车。
3.3起升、开闭和变幅机构的下降超速保护设计。
抓斗卸船机的起升,开闭和变幅机构的上升、下降运动是势能变化运动,当下降运动时由于势能变化,电机在出现某些故障时有可能发生速度超过机构允许运行速度,此时安装在电机轴上的速度保护开关动作,产生超速故障,设备要一级机械停车。
超速故障是重要故障,此类故障回路安装EN954-1和IEC/EN61508的安全保险要求,需要用安全继电器回路,而不能用一般继电器回路代替。
3.4起升、开闭,小车和变幅机构的超行程保护设计。
起升,开闭,小车和变幅机构安装安全等级要求都必须安装二级安全限位保护,一级为正常行程范围内的停车,另一级是作为一级正常行程停车限位失效后的特殊保护限位,当产生超程故障时,设备要一级机械停车。
超程故障是重要故障,此类故障回路安装EN954-1和IEC/EN61508的安全保险要求也需要用安全继电器回路,而不能用一般继电器回路代替。
3.5变频器安全运行保护设计。
变频器的控制方式有两种:
全总线通讯控制:
即控制命令和速度给定全部由总线通讯给定;全硬件I/O信号控制:
即控制命令由I/O端子控制,速度给定通过模拟量给定;另外有这两种方式组合控制方式-即控制命令通过外部硬线I/O控制,而速度和方向通过总线给定。
根据EN954-1和IEC/EN61508标准,全总线通讯方式控制不能符合安全保险要求,因此卸船机变频器控制设计不能选择全通讯控制方式。
符合EN954-1的与安全有关的类别:
类别
基本安全原则
控制系统要求
出现故障时的动作
B
选择符合相关标准的元件
按照好的工程实践进行控制
安全功能可能会丧失
1
选择元件与基本安全原则
使用经过测试的可靠的元件以及经过证明的安全原则
安全功能可能会丧失,但比B类的可能性要小
2
选择元件与基本安全原则
循环测试,测试间隔必须与机器及其应用相适应
每次测试时检测到故障
3
安全电路的结构
单个故障不能引起安全功能丧失,如果合理可行,必须检测到此单个故障
安全功能得到保证,除了出现故障累积的情况
4
安全电路的结构
单个故障不能引起安全功能丧失,在下次需要安全功能时或之前,此故障必须被检测到。
故障累积不能引起安全功能丧失
安全功能始终得到保证
符合IEC/EN61508的安全保险级别(SIL):
SIL1:
表示每小时未检测到危险故障的概率在10-5与10-6之间;
SIL2:
表示每小时未检测到危险故障的概率在10-6与10-7之间。
符合EN954-1的第1类与符合标准IEC/EN61508的SIL1安全保险级别具有可比性;符合EN954-1的第3类与符合标准IEC/EN61508的SIL2安全保险级别具有可比性;“断电”安全功能不能被认为是一种电机断电方法,如有必要,必须使用一个VARIO负荷开关。
“断电”安全功能不是设计用于处理变频器过程控制或应用功能中的任何故障,变频器上的可用的输出信号不能被认为是安全信号,必须被集成到安全控制/命令电路中。
IEC/EN60204-1标准定义了三种停车类别:
◆类别0:
通过立即除去机器执行元件上的动力停车(即非受控停车)。
◆类别1:
受控停车,机器执行元件上仍有动力,用以停车,在停车后再除去动力。
◆类别2:
受控停车,机器执行元件上仍有动力可用。
按照IEC/EN61800-5-2定义的两种停车功能:
◆安全转矩关闭(“STO”)
◆安全停车1(“SS1”)
根据以上一些标准对安全保护和停车过程的要求定义,用PLC的输出控制变频器的运行命令只能符合EN954-1的B类安全类别;PLC输出模块的输出信号是不能被认为是安全信号,如果PLC输出通过继电器控制变频器的运行则可达到EN954-1的1类安全类别;如果各机构的正常行程停止限位信号与PLC输出继电器串联后控制变频器运行命令,则可达到EN954-1的2类安全类别;如果在控制/命令电路中使用安全继电器模块,各机构的正常行程停止限位信号与PLC输出继电器串联后集成到安全继电器中控制变频器运行命令,则可达到EN954-1的3类安全类别。
卸船机电气系统从安全要求需要达到EN954-1的第3类安全类别和IEC/EN60204-1的停车类别1的受控停车;下面是ATV71变频器不同设计达到的不同安全类别:
1:
符合EN954-1的第1类安全类别,符合IEC/EN61508的SIL1安全保险级别,以及符合IEC/EN60204-1的类别0停车类别:
2:
符合EN954-1的第3类安全类别,符合IEC/EN61508的SIL2安全保险级别,以及符合IEC/EN60204-1的类别0停车类别:
图中A2为没有延时断开触点的XPSAC安全模块;
3:
符合EN954-1的第3类安全类别,符合IEC/EN61508的SIL2安全保险级别,以及符合IEC/EN60204-1的类别1停车类别:
图中A2为带有延时断开触点的XPSAC安全模块
3.6司机室控制安全设计
司机室是操作工人操作的主要场所,因此司机室的安全与否直接关系到工人的人身安全,因此在设计过程中要充分考虑到所有的危险因素:
1:
司机室是可移动的,进出司机司机室的平台都有防护门,防护门上都要安装限位与司机室行走控制连锁,门限位安装要成正逻辑,即门打开时门轴上安装的凸轮压住限位使其动作常闭触点断开;当门关上后,凸轮回位凸轮凹处使限位在弹簧作用下回位,常闭触点复位闭合,司机室才能允许运行。
这样可以避免因限位复位弹簧失效而产生的危险因素。
2:
司机室行程内要设计防止正常停车限位失效后的超程保护限位,以避免因停车限位故障后发生的危险。
在2.2节中讲到超程保护回路是最后一道保护,因此为了降低未检测到的故障概率以达到安全标准,在司机室超程控制回路需使用具有自身安全的安全继电器。
4.软件程序故障保护设计
下面以我司引进国外先进卸船机控制软件的基础上开发的卸船机程序说说如何设计故障保护停车,设计时要对整机系统进行分析,划分各个电气设备故障对卸船机产生的故障程度,包括对人身和设备的损害。
4.1故障保护停车过程
1:
定义
停车流程:
电机转速回零,制动器关闭,主接触器分断。
总停车流程(ATG)——所有机构机械制动
一级停车流程(AT1)——机构机械制动
二级停车流程(AT2)——机构电气制动+机械制动(主接触器不分断)
三级停车流程(AT3)——机构电气制动(按正常减速斜坡停车)
总停车请求(ARG)——激活总停车流程ATG(如:
控制分按钮命令)
一级停车请求(AR1)——激活一级停车流程AT1(如:
机构切换)
二级停车请求(AR2)——激活二级停车流程AT2(如限位到达)
总停车故障(FLTG)—激活ATG
一级停车故障(FLT1)—激活AT1
三级停车故障(FLT3)---激活AT3
四级停车故障(FLT4)—仅显示
出现FLTG,FLT1,FLT3停车故障以后,机构按相应的流程停车,故障消失并按故障复位按钮,然后重新合控制合按钮,控制系统可以继续运行。
申请ARG停车请求以后,所有机构按相应的流程停车,重新合控制,控制系统可以继续运行。
申请AR2停车请求以后,各机构按相应的流程快速停车,反方向可以继续运行,停车请求的条件消失,控制系统可以继续同方向运行,不需要故障复位和重新合控制按钮。
2:
停车过程
●ST1:
1级停车过程
●ST2:
2级停车过程
●ST3:
3级停车过程
3种停车过程各不相同,每个过程都只有在停车结束,且引起停车请求的故障消除后才能取消。
ST1停车过程:
⑴立即关闭制动器,停止机构的运动。
⑵使该机构相关的器件回复到安全状态。
ST2停车:
⑴关闭制动器,迅速停止机构的运动。
⑵零速度给定输入到调速器。
该过程是机械电气停车过程,这类故障与电气传动设备无关。
ST3停车过程:
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- 机电 系统安全 保护 设计 浅析