造纸车间浆料制备系统的安全急停链设计

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　　摘要： 安全急停链作为一种提升机械本质安全的措施，已经越来越多地在引进制浆造纸装备的操作要求和基础工艺包中被提及。本文结合海外项目工程案例，从安全类别和停止类型的确定、安全急停的分组及布置、急停功能的电气设计三个方面，介绍了安全急停链的适用规范、配置要求以及在造纸车间浆料制备系统中的设计及应用。
　　关键词：急停功能;安全继电器;急停链;浆料制备
　　中图分类号：TS734;TS736  文献标识码：A  DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.03.008
　　Abstract： The safety emergency stop chain is a measure to improve the intrinsic safety of machinery. It has been required more and more in operation requirements and basic design packages of the import pulp and paper equipment and projects. From the definition of safety category and stop type， the grouping and arrangement of safety emergency stop， and the electrical design of emergency stop function， the article introduced the related standard and configuration requirements of safety emergency stop chain  of stock preparation system based on the overseas project.
　　Key words： emergency stop function; safety relay; emergency stop chain; stock preparation
　　在机械设备和工程安全设计方面，满足基本安全和健康要求是各国，尤其是发达国家，凭借自身优势限制其他国家产品进入的重要筹码之一。发达国家一直主张通过提升机械本身的安全性来保证生产中的安全性，这种强调机械本質安全的理念已经在欧美等发达国家得到普遍推广[1]。但这一理念在国内的制浆造纸机械及工程设计行业中却并未得到广泛的重视。这不仅限制国内制浆造纸机械及工程安全设计水平的提升，更容易在部分出口的机械设备及工程项目上造成技术准入壁垒，阻碍我国制浆造纸装备制造业及工程技术的海外拓展[2]。
　　安全急停链作为一种提升机械本质安全的措施，已经越来越多地在引进制浆造纸装备的操作要求和基础工艺包中被提及[3]。对这类项目，设计院及工程公司往往只是根据外方已确定好的安全类别、设备分组、装置布置完成最终的电气、自动化图纸详细设计，而对于电气功能原理设计背后的设备风险评价到安全急停链定级分组的过程却了解甚少。
　　在面对国产制浆造纸装备及自主工艺包时，由于设备风险评价和安全功能的定级分组需要设备制造商与设计院、工程公司在机械、工艺、电气、自动化等专业之间相互配合，且安全急停链所涉及的国内外不同体系技术法规和标准又相对繁杂，不同主持单位选用的风险评价方法及评价结果可能又不尽相同，种种因素在源头上对实际工程中的安全急停链的分类、分组造成了困难，对安全急停链的设计和实施产生了困扰。所以借鉴海外EPC项目的先进经验，正确理解安全急停链概念、适用标准和设计原则显得十分重要。
　　1 安全急停链的设计
　　1.1 总体要求
　　根据GB 16754（EN13850）定义，急停功能由单人的动作触发，避免产生或减小存在对人的各种危险，以及对机械或正在进行中工作的损害。急停功能用于在紧急情况下立即停止设备并将设备设置为安全状态。根据工艺过程子系统和设备的区域布置，将带有紧急停止功能的电动机和设备进行分组，一条急停链对应一组。如果急停链中的任何一个紧急停止按钮或拉线开关被触发，则属于该急停链的所有电动机将被停止，并且设备将被控制到安全状态。急停链中的电动机和设备一直处于安全锁定的状态，直到急停链中所有急停开关被恢复到正常，并且由人工通过复位确认按钮手动解除急停。
　　根据GB/T 16855.1（EN13849-1）《机械安全 控制系统有关安全部件》中要求，安全类别定义了安全部件耐故障方面所要求的工况。安全类别B类，即当出现故障时，能导致安全功能丧失;安全1类，即通过选择和应用合适的元件来实现改进耐故障的能力;安全2、3、4类则是通过改进控制系统安全部件的结构来实现。具体的安全类别需要根据风险识别和风险评价的结果确定，根据工艺设备规程及布置情况，通常在造纸车间里实现紧急停止功能的安全部件及控制系统应至少满足2类（Cat2）的要求，符合2类的系统结构详见图1。符合要求的安全控制系统（SRS）或安全继电器都可以用来实现紧急停止功能，并还可以考虑将车间DCS系统作为测试设备，定期检查安全急停链的紧急停止功能是否存在故障。
　　此外，安全急停链的设计及实施还应参照GB 5226.1（EN60204-1）《机械安全 及其电气设备第一部分：通用技术条件》、GB 16754（EN13850）《机械安全 急停设计原则》、GB/T 19670（EN1037）《机械安全 防止意外启动》中的相关规定。 　　1.2 电动机及设备的急停
　　为满足紧急停止功能的需要，电动机控制中心（MCC）应配备必要的附加部件。对于普通电动机，可以使用安全继电器或安全控制系统，经硬线联锁，触发电动机主接触器断路跳闸，来执行电动机电路的紧急停止功能。对于有紧急停止功能要求的变频电机，其变频器应配备主接触器，用以切断变频器的电源。紧急停止信号由安全继电器或安全控制系统的硬线联锁送至变频器，主接触器由变频器控制。为满足紧急停止功能的所有组件均需按照GB/T 16855.1（EN13849-1）的要求选择匹配的安全组件。
　　在急停链中，每个紧急停止按钮的状态以及安全继电器的状态需通过硬线送至车间DCS系统，这些信号在DCS系统中仅用于急停链回路的状态指示。若急停链通过安全控制系统实现，则这些状态信号可以通过现场总线与DCS系统进行传输。
　　根据GB 16754（EN13850）中的要求，急停功能的设计应在急停装置动作后，以合适的方式停止机器的危险运行和操作，而不产生附加风险，且无需人的进一步干预。其中“合适的方式”可能包括：选择停机类别、应用预定的停机顺序、选择最合适的减速率[2]。合适的停机类别方式应根据设备风险评价的结果来确定，也可参考GB 5226.1（EN60204-1）中9.2.5.4条目的要求。对于普通直启电动机而言，0类停机（立即切断机器致动机构的动力源）最为常见。对于变频电动机，则有可能选择尽快停止危险运作的可控方式（类别1停止），比如传动系统的急停。
　　按照工艺子系统和设备布置区域的分组，除在急停链中必须具有紧急停止功能的电动机或设备以外，其他根据工艺过程要求配套執行的停止动作可以由车间DCS系统中的软件逻辑触发动作。比如DCS系统根据软件逻辑，由电动机或设备紧急停止造成的FAULT状态而触发气动阀门的电磁阀失电，单作用执行机构弹簧复位等。
　　1.3 安全急停装置
　　用于实现紧急停止功能的安全继电器，应布置在电气房间单独的盘、箱、柜中。安全继电器应为电动机回路提供必要数量的230VAC无源干触点，并将继电器的状态接入DCS系统。除安全继电器外，实现紧急停止功能的安全系统也可以由可编程安全逻辑控制器实现。
　　带清晰安全标识的紧急停止按钮或拉线开关应布置在现场设备附近，且易于观察并方便接近的位置。参考EN1034-1《Safety requirements for the design and construction of paper making and finishing machines Part 1： Common requirements》条目5.7的要求，一个急停链中的紧急停止按钮相距不应超过15 m。
　　紧急停止按钮或拉线开关应具有2N/C+1N/O（2个常闭触点+1个常开触点），每个急停按钮和拉线开关的两个常闭触点都将接入对应急停链中的安全继电器或安全控制系统。紧急停止按钮应带拉拨复位或旋转复位功能，拉线开关应带有就地状态指示。这里特别需要指出的是，作为安全功能的紧急停止功能只能通过使用紧急停止按钮或拉线开关激活，不能通过  车间DCS系统的逻辑或人机界面（HMI）交互方式激活。
　　除用以触发紧急停止功能的急停按钮和拉线开关外，还需在车间危险区域外的安全位置设置带有指示灯的复位确认按钮，复位按钮的位置应具有良好的视野，以便能观察到是否还有人在危险区域内。指示紧急停止状态的复位按钮指示灯的电源由急停链安全继电器或安全控制系统输出提供。
　　2 工程实例
　　以某中东地区年产31万t文化纸机工程项目的浆料制备系统为例，该项目基础工艺包及主体设备由芬兰VALMET公司提供。综合建设地及主体设备供应商的要求，工程设计及建设严格按照当地规范及欧洲标准执行。
　　由于我国在机械安全技术标准方面更多地采用了欧盟或ISO/IEC的国际标准，且国际标准化组织又几乎全盘接受了欧洲标准化组织关于机械安全的标准[1]，所以此项目中涉及机械安全的工程设计对国内项目及其他适用或对标欧洲标准的造纸工程都具有借鉴意义。
　　2.1 确定安全类别和停止类型
　　本工程的浆料制备系统包括碎浆、备浆、损纸处理、白水回收等工艺子系统，涉及的主要工艺设备有：水力碎浆机、链板输送机、盘磨机、压力筛、疏解机、多圆盘浓缩机、损纸浓缩机等。根据ISO 13849-1（GB/T 16855.1）和ISO 14121（GB/T 16856）的要求，中方工程设计人员与VALMET公司的设备技术人员一起采用风险图方法，对浆料制备系统中的主要工艺设备进行风险评价，按伤害严重程度S，暴露于危险的频率或持续时间F，规避或减小伤害的可能性P，来确定安全急停链部件的性能等级PL（Performance Level）和所需安全类别（Category）。图2和图3分别为风险图的安全类别和性能等级。
　　按图2、图3所示的风险图路径，逐一对各主体设备进行风险评价，风险评价的参数整定及结果详见表1。考虑到在浆包水力碎浆机连续工作时，平台操作人员随时有坠落可能，属于长时连续暴露在危险环境（F2），所以经过评价，水力碎浆机的安全部件性能等级PL和安全系统类别要求较其他设备高一级。根据各设备的风险评价结果和控制要求，浆料制备系统中的所有电动机均适用0类停止。
　　2.2 安全急停链的分组及布置
　　综合工艺过程子系统和设备布置情况，本工程浆料制备系统共划分为3组急停链：111HZ-1221水力碎浆机及浆包输送急停链;215HZ-1375盘磨机及浓缩机急停链;213HZ-1585损纸压力筛及疏解机急停链。
　　在实际工程中考虑各组安全急停链中的急停按钮布置时，应首先检查各设备随机配带的就地控制箱上是否已设置有符合急停链安全性能等级PL及规格要求的急停按钮，如盘磨机、浓缩机、链板机等。若有，则可以综合这些急停按钮的位置，根据一条安全急停链中的急停按钮相距不超过15 m的原则，结合安全急停链的设备区域在设备附近易于观察并方便接近的位置设置安全急停按钮。本工程浆料制备系统中的3条急停链的急停按钮分布详见图4～图6。 　　以图5 215HZ-1375盘磨机及浓缩机急停链为例，急停链中涉及的盘磨机、多盘浓缩机和损纸浓缩机均由芬兰VALMET公司供货，VALMET在这些设备的就地控制箱上都已经装配了符合要求的安全急停按钮。综合这些已有急停按钮的位置情况，设计人员在多盘浓缩机操作平台上和附近楼面区域增设了急停按钮212HS-1375F和212HS-1375G，在损纸浓缩机操作平台上增设了急停按钮212HS-1375D。总计7个现场急停按钮以保证该急停链中的现场急停按钮数量和布置符合规范要求。
　　2.3 安全急停功能的     实现
　　考虑到安全控制系统的成本及造纸工程安全功能的要求及规模，本项目安全急停链功能主要由安全继电器和配套辅助模块实现。每条急停链设计有独立的控制箱且布置在就近的MCC室内，用以放置安全继电器、扩展模块、指示灯等元件。现场采用带旋转复位的三触点输出（2个常闭触点+1个常开触点）急停按钮，以215HZ-1375盘磨机及浓缩机急停链为例，控制原理图详见图7。安全继电器选用带有两路输入及多种继电器输出的DOLD BD5935（K11），此继电器的输出回路还可以通过辅助模块DOLD BN3081（K12，K13）进行扩展。BD5935（K11）的常闭接点接入车间DCS系统用以指示安全急停鏈215HZ-1375的状态，两个常开接点分别由BN3081（K12，K13）扩展后，硬线接至各需要实现0类安全急停的电动机主接触器。安全继电器的工作电源由UPS电源提供。
　　急停按钮215HZ-1375A～G的两个常闭触点串联接入安全继电器BD5935（K11）的S12和S22输入端。另一个常开触点作为DI（数字量输入）信号接入车间DCS系统，用于指示急停链由哪个急停按钮触发，便于在系统中追溯和查询。接线图详见图8和图9。
　　布置在安全位置的复位按钮与辅助模块BN3081（K12，K13）扩展后的常闭接点串联后，接入BD5935（K11）复位功能端子。这样就能保证在故障排除且现场急停按钮都复位后，此复位按钮才能对整条安全链进行有效复位。
　　3 结 语
　　安全急停链是独立于车间过程控制的一套单独系统，是为满足机械及人身安全要求所设置的，不应与过程控制的停止功能相混淆。所以不同于DCS系统中常见的单机停机或组停机联锁逻辑，本课题讨论的都是具有“安全功能”的急停，在动作优先级上要高于DCS系统中的停机逻辑。安全急停链的设计可以理解为对机械安全相关规范及要求在车间范围内的延展，将针对单台设备的安全急停功能延伸到相互关联的一组设备上，由其中任何一个安全急停按钮就能触发整组设备的安全急停功能，通过提升整组设备的本质安全来保证车间的生产安全。
　　从上述的工程案例中可以发现，在制浆造纸工程的安全急停链设计中，相较于安全急停链的电气设计本身，如何结合制浆造纸工艺流程的生产情况，对主要工艺设备进行合理的风险评价，并根据系统及设备的布置情况完成急停链的分组和急停按钮的布置是急停链设计的难点。一般而言，制浆造纸设备供应商对自己设备的原理和运行情况有较多的认识，而设计院和工程公司则更熟悉过程工艺系统及区域布置的情况。在满足相关规范的前提下，二者应结合制浆造纸系统流程及工艺操作需求，在风险的识别及评价，安全功能的确认，急停链的分组、布置、电气设计等环节中相互协助，密切配合，以确保设计的安全急停链在符合规范的同时更加贴近生产实际，并达到保护人身、设备和车间生产安全的要求。
　　参考文献
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　　张 辉，赵小玲.国产制浆造纸装备的最新进展[J].中国造纸，2014，33（12）：63.
　　（责任编辑：黄举）
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