一文读懂---自动化立体仓库电气安全的优化改造

前言

欧美企业在自动化仓库安全的防护上走在前列，国内多数企业在安全上意识还比较淡薄，相应的关于安全的配套设施还没有跟进。为保障仓库稳定运行及人员安全，需对自动化立体仓库的安全设计进行优化。

电气安全控制系统

电气安全控制系统提供了一种安全可靠的保护手段，能最大程度地发现并阻止设备的不安全状态， 保护人身和设备安全，减少损失。

电气安全控制系统由安全输入信号（如安全门开关、安全光幕、急停按钮等）、安全控制模块（如安全PLC、安全继电器）、被控输出元件（如主接触器、继电器等）三部分组成。安全输入信号通过双回路线路连接到安全控制模块。

电气安全控制方式

(1)使用普通继电器搭建具有自锁和互锁功能的双回路线路。能达到较低的安全等级。其优点是成本低廉，缺点是维护和改造十分复杂，无法监控。

(2)使用安全继电器搭建安全回路。此控制方式成本适中，能达到较高的安全等级，但如果安全元件多线路依然比较复杂，不适于大型生产线。

(3)使用安全PLC和安全总线进行安全控制。安全PLC的CPU采用冗余的多处理器结构。各个处理器之间相互比较，一旦出现不一致，PLC发出报警信息；安全PLC对内部的RAM、EPROM、输入输出寄存器等元件进行实时监控，并且采用特殊的测试脉冲对输入信号和输出被控元件进行检测，一旦发现任何隐患，PLC立刻切换至安全保护状态。安全总线系统适用于大型、分布式的安全控制系统。其原理是在现有工业总线的基础上，加入了一系列的连接检测、地址检测、时间检测、CRC 冗余校验等措施，能达到较高的安全等级。安全PLC的优点是可编程性能强大，使用安全总线能实现很高要求的安全控制， 但成本较高。

(4)使用可编程安全继电器进行安全控制。它介于安全PLC和安全继电器之间，即具有一定的可编程性，价格却不是很高。

电气安全功能分类

(1)冗余功能。安全PLC具有冗余功能，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。安全线路一般使用双回路控制，其中一条线路发生故障，另外一条线路依然能起到安全保护作用，另外安全PLC对故障回路具有诊断功能，能及时发现故障并报警。

(2)安全区域功能。人员违规进入安全门或穿过安全光幕，触发安全输入信号切断设备电源，保证生产人员的安全。

(3)触点防粘连功能。普通继电器在长时间电弧的作用下有可能发生触点的粘连，而安全继电器有强制导向机构，常开常闭接点保持0.5mm以上的间隔，能防止同时粘连。

自动化立体仓库控制系统的

安全优化方案

基于以上理论我们对某项目自动化立体仓库控制系统进行了安全优化。该项目由2台堆垛机、若干台输送机组成，入库口和出库口分别位于仓库的前端和后端。改造前和改造后的平面图如图1和图2。

图1 某自动化立体项目仓库平面图（改造前）

图2 某自动化立体项目仓库平面图（改造后）

改造前该项目所具备的电气安全保护如下：

(1)货叉与水平行走、垂直升降的联锁。当堆垛机水平行走或载货台垂直升降时，货叉机构的控制电路被切断，货叉不能伸出；当货叉离开载货台上对中位置时，堆垛机水平行走和载货台高速升降电路被闭锁。

(2)限制货叉在货格内微升降的行程。用限制微升降时间的办法，间接控制其升降行程，以防止货叉与货物或货架相撞，造成事故。

(3)入库时货格内虚实探测。载货台左右两侧安装有激光探测器，自动方式堆垛机到某货格入库，在伸叉存入货物之前，先探测货格内有无货物，以防双重入库，造成事故。

(4)钢丝绳松绳和过载保护。起升机构的钢丝绳通过弹簧固定在横梁上，采用行程开关检测弹簧的伸长，松绳时弹簧变形最小，过载时变形最大。两种情况下，均碰压行程开关发出报警信号，使堆垛机停止动作。

(5)货物位置和外形检测。堆垛机载货台上装有若干对射光电开关，用于货物外形检测，防止货物突出载货台或货垛倒塌造成事故。

(6)声光信号。堆垛机开机时先用蜂鸣器和红色报警指示灯发出信号，以警告检修人员和过往的行人。

(7)失速保护装置。当堆垛机的载货台升降时，由于某种原因（如钢丝绳或链条断裂，起升电动机或减速器断轴等）引起载货台失速下坠，当达到失速保护装置限定的速度时，超速保护装置能触发行程开关切断电源。

(8)货叉力矩限制器。货叉伸缩受阻时力矩限制器发出信号切断货叉机构电源，防止损坏货叉。

我们在此基础上共进行了7个方面的改进，具体措施如下：

(1)拉绳开关安装于堆垛机巷道的两侧的货架上，用钢丝绳沿着巷道两侧把开关连接起来。当人员在巷道内作业而堆垛机突然启动时，在现场沿线任意处拉动钢丝绳，钢丝绳牵动驱动臂旋转，通过传动轴带动扭力弹簧使精密凸轮发生位移，驱动微动开关切断控制线路，使得堆垛机停止运行。2个巷道共安装4个Leuze拉绳开关，如图3所示。

图3 拉绳开关

(2)立体仓库四周安装安全护栏，设置4个安全门，每个安全门安装1个Leuze安全门开关。维修人员需要进入安全护栏防护区域作业时，由安全门进入，安全门打开时触发安全输入信号，切断区域内动力电源。安全门开关配有钥匙，进入库区内的维修人员随身携带该钥匙，其他人员无法关闭安全门开关，进一步保证了维修人员的安全，如图4所示。

图4 安全门

(3)项目的入口和出口处由于安装了输送机用于货物的运送，不能安装安全门。于是在出入口的安全围网两侧分别安装1对SICK 安全光幕，共计2对。该型号安全光幕带有屏蔽信号接口，可接入输送机光电开关信号，用于区分光幕被触发是货物的正常通过还是人员的违规通过，从而对于人员的违规情况动作触发安全输入信号，切断区域内动力电源，如图5所示。

图5 安全光幕

(4)操作台、地面站主控箱操作面板、堆垛机操作面板处安装急停按钮开关，共计4 个。此按钮只需直接向下压下，就可以快速的让整台设备立马停止。要想再次启动设备必须释放此按钮，也就是只需顺时针方向旋转大约45°后松开，按下的部分就会弹起。也就是“释放”了。

(5)堆垛机的前进后退、上升下降极限位采用施耐德行程开关，每台堆垛机共4个行程开关。堆垛机在正常运行时，前进后退、上升下降的移动位置根据激光、条码测距仪的位置值在极限位范围内变化， 当遇到异常情况如PLC采集的位置值出现错误、变频器失控等情况，堆垛机碰到极限开关，触发安全输入信号，切断设备动力电源。

(6)堆垛机上安装两个欧姆龙槽形光电开关， 在巷道的两端分别安装减速带，堆垛机在到达减速带的位置时若速度未能降低到安全值则启动强制减速功能，使堆垛机以较低速度逼近巷道终端，一旦碰动限位开关，便能立即停车，避免堆垛机高速冲向极限位置发生猛烈碰撞事故。

(7)根据以上配置，地面站安全功能达到了14个，单台堆垛机的安全功能为5个，我们采用安全PLC的控制方式。地面站主PLC采用西门子S7-1515F安全PLC，堆垛机采用S7-1511F安全PLC。拉绳开关、安全门开关、安全光幕、急停开关任意一个节点触发安全输入信号，安全PLC立即输出信号给输出侧的接触器，切断380V动力电源，如图6所示。

图6 安全PLC

结论

该自动化立体库电气控制安全优化后，系统的安全性能得到很大程度的提升，效果显著。拉绳开关、安全门开关的设置保证了维修人员的人身安全，安全光幕的设置大大降低了违规操作人员的危险性，堆垛机行程开关的设置大大提升了设备发生异常情况时的安全性，防止危险的进一步扩散。急停开关的设置给操作人员在发现危险情况时提供了最快速的触发结构来阻止险情的发生和蔓延。安全PLC的冗余多CPU结构以及对安全输入输出器件的脉冲检测，对安全硬件的安全性进行实时监控，最大程度地保证了安全硬件的可靠。基于该项目的实施经验，将来我们准备把安全控制的优化应用到更大更复杂的自动化立体仓库项目中去，大型的项目中由于分布式控制的大量应用，总线的安全性显得格外重要，但如果将这些安全设备连接到非安全的现场总线系统上去，就会存在比较大的安全隐患，因此除了目前这6项安全措施外，我们准备采用安全总线协议、七级安全滑触线等，具体的应用情况待后期实施后再做讨论。

随着国家对安全问题重视程度的不断提高和以人为本理念的深入贯彻，相信安全控制在未来的自动化立体库项目中将得到更加广泛的关注和应用。

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作者：

江苏六维智能物流装备股份有限公司房逸鹤/万峰华/葛春志/阎激光/张杨磊

来源：《物流技术》

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