罗克韦尔安全控制系统在新钢材矫直设备中的应用———罗克韦尔安

［编辑简介］：本文介绍以罗克韦尔GuardLogix 控制器为核心的安全控制系统在某钢材制造商新钢材矫直设备中的应用实例。说明了该集成解决方案的硬件组成、连接方式与实施过程。重点讨论其安全流程和达到的安全标准。［摘要］：基于罗克韦尔自动化的 GuardLogix 创建的创新安全控制系统不但加快了 Smorgon　Steel 新钢材矫直设备的开发过程，而且还带来真正的长期灵活性。［关键词］：罗克韦尔 安全控制系统 钢材矫直设备　　
  　　基于罗克韦尔自动化的 GuardLogix 创建的创新安全控制系统不但加快了 Smorgon　Steel 新钢材矫直设备的开发过程，而且还带来真正的长期灵活性。
  解决方案
整套集成的“安全与标准”控制解决方案包含以下组件
· Allen-Bradley GuardLogix 控制器
· 19 个基于带“DriveGuard”的PowerFlex 70 AC 变频器建立的变速驱动应用
· 两个独立的 DeviceNet 网络：DeviceNet 和 DeviceNet Safety
· Allen-Bradley Flex I/O 和安全 I/O
· Allen-Bradley Guar．ｍａｓｔｅｒTLS-GD2电磁安全锁
· 通过 EtherNet/IP 连接到 GuardLogix的 Allen-Bradley PanelView Plus HMI
· 来自罗克韦尔自动化 TechConnect的技术支持
  取得的成果
集成安全控制解决方案可实现
· 快速灵活的开发
· 使用常见的标准控制方法对安全控制系统进行编程和管理
· 简化/并行的系统组态和故障处理
· 与其它控制应用集成因此可帮助 Smorgon Steel
· 达到世界级的操作安全性
· 实现实质上的货运成本消减
· 优化生产
· 远程控制整个过程
   
  
  　　无论什么工厂，开发一个既绝对安全、又能实现最佳生产 KPI 的生产系统都将是一项挑战。而在以高生产率加工大块重产品时，情况则更是如此。要在工程设计/开发时间紧迫的情况下快速实现此目标，无疑会需要非凡的创造力，尤其是安全控制和自动化领域的创造力。
　　澳大利亚领先的钢材制造商 Smorgon Steel 在最近升级它的一座角钢和槽钢车间时便遇到了这一挑战。该车间位于墨尔本近郊拉弗顿北面的制造厂区，年产角钢和槽钢 5 万吨，钢材长度最长为 15 米。过去，需要到厂区外离 Smorgon 工厂四公里处的一家独营矫直厂对钢身进行最终的矫直流程。在该工厂于 2005 年 3 月停止运行时，这家钢材加工巨头便遇到了真正的困难。
  
  　　据 Smorgon Steel 项目电气负责人Wayne Pearse 表示，保持生产是当时公司的头等要务。“Smorgon 需要为市场供货并且我们信奉客户至上”，Pearse 表示。该公司很快便认同，整个矫直车间迁至拉弗顿北厂区是最佳的选择。虽然这项决策的主要优点是可大幅降低钢材运输成本，但却面临一项关键挑战，即确保迁址工作能在很短的时间内完成，并且要不影响当前的产量。
　　作为一项临时措施，Smorgon Steel 将该厂外厂房的租期延长了六个月并配备了自己的人手。期间，新的厂内矫直设施的设计和开发工作已正式开始。整个项目从概念到调试阶段必须在这六个月内完成。压力就此开始。
  让我们直奔主题
　　原厂外矫直设施在很大程度上依靠叉车和人力来移动钢材，完成这一最重要的物料装卸工作。每捆重达两吨的钢材都需要经过运输、解带、拆捆、定位和矫直过程，然后再重新包装以便运输，这其中没采用任何自动化或远程控制。据 Pearse 表示，任务繁重的人员和叉车都拥挤在一个有限、繁忙的工作空间中，这为 Smorgon Steel带来了不可接受的安全风险。必须要有更好的方式。
　　该公司确实下决心采用“更好的方式”：采用一个由链式传送机、换辊工作台和高架起重机组成的网络取代原来的“叉车加人工装卸”型物料装卸系统，在重钢产品经过矫直流程时对其进行处理。整个流程的大部分工作都将在三个用围栏隔离的“安全区域”内进行处理，以确保人员可远离具有潜在危险操作。借助集成的安全控制系统，整个矫直、钢材运送、拆捆和捆扎流程都可通过隔离区域外的控制台进行远程控制。
　　在新矫直车间的设计过程中，Smorgon Steel 全厂的安全文化是一项重要的考虑因素。新车间将主要应用大家已熟悉的“厂内标准”安全隔离工作台和安全门锁定系统。
　　该设计流程非常全面、系统，其中甚至包括了一个由 Smorgon 操作员、技术人员、工程师和常驻现场安全代表所组成的团队来实施的正式风险分析。根据澳大利亚机器安全防护标准AS4024 的要求，该公司通过风险矩阵来确定必要的系统安全类别。全厂范围需要达到类别 3 的要求，急停系统则需要达到类别 4 的要求。公司还就此咨询了外部的安全管理组织。Pearse解释说，“Smorgon 通过与 WorksafeVictoria 合作来确保符合所有安全法规”。
　　他还表示，“通过对液动和气动装置采用双关双放和反馈机制，以及对驱动器采用安全关断功能等，我们确定在这三个安全区域都可达类别 3 要求”。“我们的设计流程从根本上指出了什么是所需的智能控制以及如何实施。”
  实现安全的快车道
　　尽管这一宽泛的系统概念从设计方面已经完成，但是控制平台本身仍是一个问题。传统上实现安全控制的方法是部署一对相连的控制器，即一个为常规 PLC，另一个为专用的安全控制器。
　　控制系统的设计和开发通常分为两个不同的阶段：首先建立基于 PLC 的常规控制作为系统的“基础”，而“安全”控制方面则是在第二阶段来改进。
　　尽管此方法已在 Smorgon Steel 拉弗顿北厂区内的许多安全控制应用中采用，但此矫直车间项目的紧迫性迫使Pearse 不得不评估其它选择方案。如果存在一个同时集成有安全和标准控制的平台，将有助于更快地实施，并且灵活性会更强。
　　随着 Allen- Bradley GuardLogix 控制器的发布，一个理想的选择方案便呈现在 Pearse 面前，这款控制器是工业自动化集团罗克韦尔自动化在其 Logix系列集成架构控制解决方案中最近新增的产品。
　　Allen-Bradley GuardLogix 控制器以双处理器安全架构为特色，在一个平台即可实现集成的安全和常规控制。GuardLogix 使用 RSLogix 5000 编程软件，从而用户能使用熟悉的标准控制方法对安全控制系统进行编程和管理。
　　Pearse 在办公室内仅用了两天时间便对自己提议的控制解决方案中基于GuardLogix 的试验系统（其中还包括Allen-Bradley 变频器，安全网络和I/O）完成了连接、编程和运行，而且“运行”了近三个小时。如此快速的部署加上系统在一系列苛刻的电气测试下所表现出的优异性能使 Pearse 确信，GuardLogix 是此快速项目的理想解决方案。Pearse 表示，“当我确认GuardLogix 取得 TÜV 认证后，我们便全力以赴地实施”。
  集成解决方案
　　GuardLogix 控制器是整个新矫直车间成套集成的“安全与标准”控制解决方案的核心部分。该基于集成架构的系统由一个无缝的网络组成，其中包括控制器、驱动器、DeviceNet通信和分布式 I/O。
　　该车间的 19 个可变速驱动应用（用于控制该车间众多的链传动转换台、起吊机等）都采用了带有“DriveGuard”选项的 Allen-Bradley PowerFlex 70 AC 变频器。此外，AllenBradley Flex I/O 和安全 I/O 的分布式组合还能支持该车间的分布式 I/O 需求。
　　正是对矫直车间的 19 个变速驱动器应用了带有“DriveGuard”的 PowerFlex70 变频器，为 Pearse 及其团队节省了安装时间、人工和车间主控制盘柜中的宝贵空间。DriveGuard 由一个安装在 PowerFlex 70 变频器内部的电子选项卡组成，以此为每个变频器提供了符合类别 3 规定的“安全关断”功能。更重要的是，DriveGuard 在实现此类别 3“安全关断”功能时并不需要早期类别 3 驱动应用中常用的双驱动输出安全接触器。由于独立安装的驱动器多达 19 个，在车间主控制盘柜和开关室中节省的空间相当可观。
　　驱动器和分布式 I/O 都通过DeviceNet 与系统的 GuardLogix 核心相连。为标准通信和安全通信分别采用了两个单独的 DeviceNet 网络，即常规的 DeviceNet 网络和达到类别4 要求的 DeviceNet 安全网络。据Pearse 表示，分布式 I/O 和DeviceNet 的结合极大地缩短了现场
安装和布线时间。“尽管单一的DeviceNet 安全网络便已足够，我们还是选择了将两者分开，因为这样便可同我们厂的其余网络保持一致”，Pearse 表示。
　　GuardLogix 处理器以及 19 个 PowerFlex70 AC 变频器都装在中央控制盘柜内，而车间的三个控制台使操作员可在本地控制生产设施以及安全和 Flex I/O。　　
　　由于 Pearse 的项目团队能够同时开发标准和安全控制系统以及相关代码，整个控制系统得以在紧迫的项目工期内成功完成和调试。“GuardLogix 的全集成特性使我们能对整个控制系统执行全面操作，而且架构已成功建立，因此还为系统的发展提供了一种既不复杂又灵活的途径”，Pearse 称。“此外，由于标准和安全控制应用同一个 [RSLogix 5000] 编程环境，系统组态和故障处理的时间也得以削减。”

   
   
  
  一致的安全与维护
　　在新车间的实施过程中，保持安全标准不论是在操作上还是外观上的一致性都非常重要。Pearse 的目标是确保像安全门锁定机构和流程这样的安全系统，在操作和外观上都与工厂其余地方完全相同。Pearse 表示，“安全流程的不同只会引起混淆并最终造成事故。”
　　三个安全区域的每一个都配备了一个安全隔离工作台，而且至少有一道安全门可允许操作员手工接触到产品。控制系统可确保在安全门能打开前，隔离所有的能源，并使相应设备停止运行。在完成隔离后，安全门上的指示灯将表明系统处于安全状态，并允许操作员打开安全门。只有在操作员在安全门上锁上个人的挂锁后才允许进入，并将在出门时将挂锁取下。每道安全门都配有一个 Allen-BradleyGuar．ｍａｓｔｅｒTLS-GD2 电磁安全锁，它对于安全区域进出安全门的控制例程能符合类别 3 要求起着极为重要的作用。
　　由于使用了通过 EtherNet/IP 连接到GuardLogix 的 Allen-Bradley PanelViewPlus 人机界面 (HMI)，因此能更容易地维持矫直设施运行良好。该PanelView HMI安装在主 PLC 盘柜中，过 Pearse 及其团队的组态后，可提供详细的系统诊断信息，从而使技术人员不必直接访问 GuardLogix 程序代码即可执行故障分析。而且罗克韦尔自动化还通过 TechConnect 提供进一步的系统支持，TechConnect 是罗克韦尔自动化为其硬件和软件产品提供的全厂级技术支持。
　　Pearse 解释说：“Smorgon 是TechConnect 客户，而且 Smorgon 将这些专家的意见视为该系统维护计划不可分割的一部分。”
  
  灵活的未来
　　由于新矫直设施于 2005 年 9 月开始完美地运转，Pearse 设想在拉弗顿北厂区进一步应用 GuardLogix 解决方案。Pearse 表示，“我们计划实施一个无线连接到高架钢坯起重机的钢坯仓库访问系统。GuardLogix 将帮助我们无缝地将此应用集成到我们的控制系统中– 并－且我们能够再一次同时开发常规和安全控制。”
　　除了推广 GuardLogix 的使用外，Smorgon 控制系统的在线访问对该公司来说也是需要优先处理的事务。“考虑到每周五天的全天候运转，支持离线诊断的网络连接势在必行”，
Pearse 表示。“我们已经具有通过现场PC 网络实现连接的基础设施，因此厂外连接便是一个顺理成章的后续步骤。”
　　创新的 GuardLogix 集成安全控制系统已帮助 Smorgon Steel 实现了两方面的成功：厂外矫直所不具有的世界级操作安全性和大幅下降的运输成本。通过利用罗克韦尔自动化的集成架构展现了超常的创新性，Pearse 及其团队不但做到了优化生产，而且还确保了在 Smorgon Steel 车间工作的绝对安全性。