安全电器及其应用

1.安全控制系统

数控机床的安全保护主要涉及图5.2-1所示的急停（紧急分断）、安全门监控、双手操作、行程检测、转速监控、光幕、安全地毯等。其中，光幕、安全地毯多用于数控冲剪、激光加工等无法通过防护罩保护的加工设备；转速监控一般由驱动器实现，较少使用专门的安全电器；而急停、安全门监控、双手操作、行程检测是绝大多数数控机床的共性要求，本书将重点对此进行说明。

图5.2-1 数控机床的安全保护要求

图5.2-2 安全电气系统的组成

安全电气控制系统一般由图5.2-2所示的检测（输入电器）、逻辑控制、输出（执行电器）三部分组成。在数控机床上，常用的输入电器有安全行程开关、急停按钮、双手操作按钮等，数控冲剪、激光加工等机床有时还使用光幕、安全地毯等器件；逻辑控制通过电磁式或电子式安全继电器、安全监控继电器等组合装置及电器组成的安全电路实现；执行电器则有安全接触器、安全电磁铁等。

用于安全控制系统的电器称为安全电器，它由电器生产厂家按ISO 13849、IEC 62061、IEC 61508、EN 60204/EN 954等标准要求生产。专业生产厂商主要有德国的Pilz、Elan等公司等，此外AB、SIEMENS等大型集团也可提供此类产品。

安全电器除了需要满足安全标准规定的可靠性及操作、安装等安全要求外，其最大特点是触点通断必须满足图5.2-3所示的强制执行（Positively-driven）条件，即安全输入的主要触点必须为操作力强制断开的常闭触点，以保证触点即使出现熔焊，也能够强制断开；器件从一个触点断开到另一触点接通有足够大的行程，常开/常闭触点不允许有同时接通的现象；当某一触点发生熔焊时，距离另一触点接通至少应有0.5mm的间隙。

图5.2-3 强制执行条件

2.输入电器

数控机床用于紧急分断等安全电路控制的常用输入电器有图5.2-4所示的几种。

图5.2-4a为紧急分断电路最常用的急停按钮，根据安全标准规定，急停按钮必须为红色蘑菇头、并带有强制分断和强制锁定功能。急停按钮一旦动作，需要通过旋转、拉拔或利用钥匙，才能解除锁定。

图5.2-4b为紧急分断用的安全行程开关，它带有强制分断、强制锁定功能，行程开关一旦动作，需要通过解锁按钮操作，才能解除锁定状态。

图5.2-4c为移动式操作盒，可用于危险区域的紧急分断控制。

图5.2-4d为双手操作组合件，可用于夹具、卡盘、安全防护门等双手操作控制电路，组合件安装有急停按钮和两只带有操作保护罩的双手操作按钮。操作者只有通过双手同时操作，才能执行相关动作；而防护罩则从根本上防止了单臂操作的可能性。

3.电磁式安全继电器

电磁式安全继电器的功能专用、结构独立。根据安全控制的功能要求，它分紧急分断与安全门控制、双手操作控制、转速监控等，产品的外形如图5.2-5所示。(www.xing528.com)

早期的电磁式安全继电器采用类似于继电器的结构，其体积较大，如Pilz的PONZ系列、SIEMENS的3TK280系列等，当前的产品均采用了类似PLC模块的结构形式，产品结构紧凑，安装方便，如Pilz的PNOZ X、PNOZ C系列及SIEMENS-3TK281～5系列、AB公司的MSR系列、Elan公司的SRB系列等。

图5.2-4 安全输入电器

a）急停按钮 b）行程开关 c）移动式操作盒 d）双手操作组合件

图5.2-5 电磁式安全继电器

a）PNOZ b）PNOZ X c）3TK280 d）3TK281～5

电磁式安全继电器采用了符合安全标准的冗余控制技术，其内部一般设计有2～3只继电器的冗余控制电路和相关电子电路，故又称安全继电器组合装置。安全继电器可输出2～8对2常开或2常开/1常闭触点串联的安全冗余触点，部分产品还带有1或2对辅助触点输出、1～2点晶体管集电极开路输出。电磁式安全继电器的结构简单、使用方便、触点容量大，但其功能单一、扩展性较差，目前已逐步被电子式安全继电器替代。

4.电子式安全继电器与系统

电子式安全继电器是新一代的安全继电器产品，产品采用了类似PLC的模块化结构，可通过多个模块的组合，扩展功能、增加输入/输出，构成多功能安全控制系统。需要注意的是：本书所述的电子式安全继电器是指以多功能、可扩展为基本特征，内部采用电子电路控制的安全继电器，而不是仅以晶体管作为安全输出的安全继电器。

电子式安全继电器的常用产品有Pilz公司的PONZ S（Sigma）系列、SIEMENS公司的3RK3系列安全系统等，其外形如图5.2-6所示。

图5.2-6 电子式安全继电器

a）PNOZ S b）3RK3

电子式安全继电器由内部电子电路进行控制，可实现多种安全功能。安全继电器不仅可用于紧急分断、防护门控制、双手操作等传统的安全控制，且还具有状态显示、延时设定、自动启动和测试、手动/自动复位、输入类型和通道选择等多种功能，其操作方式和时间可设定和选择。继电器的输入既可以是传统的触点，也可与接近开关、磁性传感器、光幕、安全地毯等检测装置直接连接；安全输出可以是冗余的继电器触点，也可选择固态继电器、大功率晶体管输出。

SIEMENS公司3RK3电子安全系统还采用了可编程技术，它可通过基本模块、通用I/O模块、接口模块等组件，构成适应不同控制要求的、类似于PLC的通用安全控制系统。

电子式安全继电器的功能强、扩展性好、使用灵活方便，是新一代的安全继电器产品，但标准产品的安全触点容量一般小于电磁式安全继电器，部分公司的产品可通过选择大容量输出扩展模块，提高安全触点的通断容量。