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 SAFTY RELAY

安全模块 SAFTY MODULE 变频器 INVERTER 人机界面 HMI

起重机监控系统 CRANE MESSAGE SYSTEM 停车类别

CATGORY STOP

安全等级 SAFTY CLASS

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PROFIBUS DP 或ethernet 等与

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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。

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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（SAFTY RELAY）。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。

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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。

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类别 符合EN954-1的与安全有关的类别： 基本安全原则 控制系统要求 出现故障时的动作 B 选择符合相关标按照好的工程实践进行安全功能可能会丧准的元件 1 控制 失 选择元件与基本使用经过测试的可靠的安全功能可能会丧安全原则 元件以及经过证明的安失，但比B类的可全原则 能性要小 2 选择元件与基本循环测试，测试间隔必每次测试时检测到安全原则 须与机器及其应用相适故障 应 3 安全电路的结构 单个故障不能引起安全安全功能得到保功能丧失，如果合理可证，除了出现故障行，必须检测到此单个累积的情况 故障 4 安全电路的结构 单个故障不能引起安全安全功能始终得到功能丧失，在下次需要保证 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

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