造紙車間漿料制備系統的安全急停鏈設計

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　　摘要： 安全急停鏈作為一種提升機械本質安全的措施，已經越來越多地在引進制漿造紙裝備的操作要求和基礎工藝包中被提及。本文結合海外項目工程案例，從安全類別和停止類型的確定、安全急停的分組及布置、急停功能的電氣設計三個方面，介紹了安全急停鏈的適用規范、配置要求以及在造紙車間漿料制備系統中的設計及應用。
　　關鍵詞：急停功能;安全繼電器;急停鏈;漿料制備
　　中圖分類號：TS734;TS736  文獻標識碼：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
　　在機械設備和工程安全設計方面，滿足基本安全和健康要求是各國，尤其是發達國家，憑借自身優勢限制其他國家產品進入的重要籌碼之一。發達國家一直主張通過提升機械本身的安全性來保證生產中的安全性，這種強調機械本質安全的理念已經在歐美等發達國家得到普遍推廣[1]。但這一理念在國內的制漿造紙機械及工程設計行業中卻并未得到廣泛的重視。這不僅限制國內制漿造紙機械及工程安全設計水平的提升，更容易在部分出口的機械設備及工程項目上造成技術準入壁壘，阻礙我國制漿造紙裝備制造業及工程技術的海外拓展[2]。
　　安全急停鏈作為一種提升機械本質安全的措施，已經越來越多地在引進制漿造紙裝備的操作要求和基礎工藝包中被提及[3]。對這類項目，設計院及工程公司往往只是根據外方已確定好的安全類別、設備分組、裝置布置完成最終的電氣、自動化圖紙詳細設計，而對于電氣功能原理設計背后的設備風險評價到安全急停鏈定級分組的過程卻了解甚少。
　　在面對國產制漿造紙裝備及自主工藝包時，由于設備風險評價和安全功能的定級分組需要設備制造商與設計院、工程公司在機械、工藝、電氣、自動化等專業之間相互配合，且安全急停鏈所涉及的國內外不同體系技術法規和標準又相對繁雜，不同主持單位選用的風險評價方法及評價結果可能又不盡相同，種種因素在源頭上對實際工程中的安全急停鏈的分類、分組造成了困難，對安全急停鏈的設計和實施產生了困擾。所以借鑒海外EPC項目的先進經驗，正確理解安全急停鏈概念、適用標準和設計原則顯得十分重要。
　　1 安全急停鏈的設計
　　1.1 總體要求
　　根據GB 16754（EN13850）定義，急停功能由單人的動作觸發，避免產生或減小存在對人的各種危險，以及對機械或正在進行中工作的損害。急停功能用于在緊急情況下立即停止設備并將設備設置為安全狀態。根據工藝過程子系統和設備的區域布置，將帶有緊急停止功能的電動機和設備進行分組，一條急停鏈對應一組。如果急停鏈中的任何一個緊急停止按鈕或拉線開關被觸發，則屬于該急停鏈的所有電動機將被停止，并且設備將被控制到安全狀態。急停鏈中的電動機和設備一直處于安全鎖定的狀態，直到急停鏈中所有急停開關被恢復到正常，并且由人工通過復位確認按鈕手動解除急停。
　　根據GB/T 16855.1（EN13849-1）《機械安全 控制系統有關安全部件》中要求，安全類別定義了安全部件耐故障方面所要求的工況。安全類別B類，即當出現故障時，能導致安全功能喪失;安全1類，即通過選擇和應用合適的元件來實現改進耐故障的能力;安全2、3、4類則是通過改進控制系統安全部件的結構來實現。具體的安全類別需要根據風險識別和風險評價的結果確定，根據工藝設備規程及布置情況，通常在造紙車間里實現緊急停止功能的安全部件及控制系統應至少滿足2類（Cat2）的要求，符合2類的系統結構詳見圖1。符合要求的安全控制系統（SRS）或安全繼電器都可以用來實現緊急停止功能，并還可以考慮將車間DCS系統作為測試設備，定期檢查安全急停鏈的緊急停止功能是否存在故障。
　　此外，安全急停鏈的設計及實施還應參照GB 5226.1（EN60204-1）《機械安全 及其電氣設備第一部分：通用技術條件》、GB 16754（EN13850）《機械安全 急停設計原則》、GB/T 19670（EN1037）《機械安全 防止意外啟動》中的相關規定。 　　1.2 電動機及設備的急停
　　為滿足緊急停止功能的需要，電動機控制中心（MCC）應配備必要的附加部件。對于普通電動機，可以使用安全繼電器或安全控制系統，經硬線聯鎖，觸發電動機主接觸器斷路跳閘，來執行電動機電路的緊急停止功能。對于有緊急停止功能要求的變頻電機，其變頻器應配備主接觸器，用以切斷變頻器的電源。緊急停止信號由安全繼電器或安全控制系統的硬線聯鎖送至變頻器，主接觸器由變頻器控制。為滿足緊急停止功能的所有組件均需按照GB/T 16855.1（EN13849-1）的要求選擇匹配的安全組件。
　　在急停鏈中，每個緊急停止按鈕的狀態以及安全繼電器的狀態需通過硬線送至車間DCS系統，這些信號在DCS系統中僅用于急停鏈回路的狀態指示。若急停鏈通過安全控制系統實現，則這些狀態信號可以通過現場總線與DCS系統進行傳輸。
　　根據GB 16754（EN13850）中的要求，急停功能的設計應在急停裝置動作后，以合適的方式停止機器的危險運行和操作，而不產生附加風險，且無需人的進一步干預。其中“合適的方式”可能包括：選擇停機類別、應用預定的停機順序、選擇最合適的減速率[2]。合適的停機類別方式應根據設備風險評價的結果來確定，也可參考GB 5226.1（EN60204-1）中9.2.5.4條目的要求。對于普通直啟電動機而言，0類停機（立即切斷機器致動機構的動力源）最為常見。對于變頻電動機，則有可能選擇盡快停止危險運作的可控方式（類別1停止），比如傳動系統的急停。
　　按照工藝子系統和設備布置區域的分組，除在急停鏈中必須具有緊急停止功能的電動機或設備以外，其他根據工藝過程要求配套執行的停止動作可以由車間DCS系統中的軟件邏輯觸發動作。比如DCS系統根據軟件邏輯，由電動機或設備緊急停止造成的FAULT狀態而觸發氣動閥門的電磁閥失電，單作用執行機構彈簧復位等。
　　1.3 安全急停裝置
　　用于實現緊急停止功能的安全繼電器，應布置在電氣房間單獨的盤、箱、柜中。安全繼電器應為電動機回路提供必要數量的230VAC無源干觸點，并將繼電器的狀態接入DCS系統。除安全繼電器外，實現緊急停止功能的安全系統也可以由可編程安全邏輯控制器實現。
　　帶清晰安全標識的緊急停止按鈕或拉線開關應布置在現場設備附近，且易于觀察并方便接近的位置。參考EN1034-1《Safety requirements for the design and construction of paper making and finishing machines Part 1： Common requirements》條目5.7的要求，一個急停鏈中的緊急停止按鈕相距不應超過15 m。
　　緊急停止按鈕或拉線開關應具有2N/C+1N/O（2個常閉觸點+1個常開觸點），每個急停按鈕和拉線開關的兩個常閉觸點都將接入對應急停鏈中的安全繼電器或安全控制系統。緊急停止按鈕應帶拉撥復位或旋轉復位功能，拉線開關應帶有就地狀態指示。這里特別需要指出的是，作為安全功能的緊急停止功能只能通過使用緊急停止按鈕或拉線開關激活，不能通過  車間DCS系統的邏輯或人機界面（HMI）交互方式激活。
　　除用以觸發緊急停止功能的急停按鈕和拉線開關外，還需在車間危險區域外的安全位置設置帶有指示燈的復位確認按鈕，復位按鈕的位置應具有良好的視野，以便能觀察到是否還有人在危險區域內。指示緊急停止狀態的復位按鈕指示燈的電源由急停鏈安全繼電器或安全控制系統輸出提供。
　　2 工程實例
　　以某中東地區年產31萬t文化紙機工程項目的漿料制備系統為例，該項目基礎工藝包及主體設備由芬蘭VALMET公司提供。綜合建設地及主體設備供應商的要求，工程設計及建設嚴格按照當地規范及歐洲標準執行。
　　由于我國在機械安全技術標準方面更多地采用了歐盟或ISO/IEC的國際標準，且國際標準化組織又幾乎全盤接受了歐洲標準化組織關于機械安全的標準[1]，所以此項目中涉及機械安全的工程設計對國內項目及其他適用或對標歐洲標準的造紙工程都具有借鑒意義。
　　2.1 確定安全類別和停止類型
　　本工程的漿料制備系統包括碎漿、備漿、損紙處理、白水回收等工藝子系統，涉及的主要工藝設備有：水力碎漿機、鏈板輸送機、盤磨機、壓力篩、疏解機、多圓盤濃縮機、損紙濃縮機等。根據ISO 13849-1（GB/T 16855.1）和ISO 14121（GB/T 16856）的要求，中方工程設計人員與VALMET公司的設備技術人員一起采用風險圖方法，對漿料制備系統中的主要工藝設備進行風險評價，按傷害嚴重程度S，暴露于危險的頻率或持續時間F，規避或減小傷害的可能性P，來確定安全急停鏈部件的性能等級PL（Performance Level）和所需安全類別（Category）。圖2和圖3分別為風險圖的安全類別和性能等級。
　　按圖2、圖3所示的風險圖路徑，逐一對各主體設備進行風險評價，風險評價的參數整定及結果詳見表1?？紤]到在漿包水力碎漿機連續工作時，平臺操作人員隨時有墜落可能，屬于長時連續暴露在危險環境（F2），所以經過評價，水力碎漿機的安全部件性能等級PL和安全系統類別要求較其他設備高一級。根據各設備的風險評價結果和控制要求，漿料制備系統中的所有電動機均適用0類停止。
　　2.2 安全急停鏈的分組及布置
　　綜合工藝過程子系統和設備布置情況，本工程漿料制備系統共劃分為3組急停鏈：111HZ-1221水力碎漿機及漿包輸送急停鏈;215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈;213HZ-1585損紙壓力篩及疏解機急停鏈。
　　在實際工程中考慮各組安全急停鏈中的急停按鈕布置時，應首先檢查各設備隨機配帶的就地控制箱上是否已設置有符合急停鏈安全性能等級PL及規格要求的急停按鈕，如盤磨機、濃縮機、鏈板機等。若有，則可以綜合這些急停按鈕的位置，根據一條安全急停鏈中的急停按鈕相距不超過15 m的原則，結合安全急停鏈的設備區域在設備附近易于觀察并方便接近的位置設置安全急停按鈕。本工程漿料制備系統中的3條急停鏈的急停按鈕分布詳見圖4～圖6。 　　以圖5 215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈為例，急停鏈中涉及的盤磨機、多盤濃縮機和損紙濃縮機均由芬蘭VALMET公司供貨，VALMET在這些設備的就地控制箱上都已經裝配了符合要求的安全急停按鈕。綜合這些已有急停按鈕的位置情況，設計人員在多盤濃縮機操作平臺上和附近樓面區域增設了急停按鈕212HS-1375F和212HS-1375G，在損紙濃縮機操作平臺上增設了急停按鈕212HS-1375D。總計7個現場急停按鈕以保證該急停鏈中的現場急停按鈕數量和布置符合規范要求。
　　2.3 安全急停功能的     實現
　　考慮到安全控制系統的成本及造紙工程安全功能的要求及規模，本項目安全急停鏈功能主要由安全繼電器和配套輔助模塊實現。每條急停鏈設計有獨立的控制箱且布置在就近的MCC室內，用以放置安全繼電器、擴展模塊、指示燈等元件?，F場采用帶旋轉復位的三觸點輸出（2個常閉觸點+1個常開觸點）急停按鈕，以215HZ-1375盤磨機及濃縮機急停鏈為例，控制原理圖詳見圖7。安全繼電器選用帶有兩路輸入及多種繼電器輸出的DOLD BD5935（K11），此繼電器的輸出回路還可以通過輔助模塊DOLD BN3081（K12，K13）進行擴展。BD5935（K11）的常閉接點接入車間DCS系統用以指示安全急停鏈215HZ-1375的狀態，兩個常開接點分別由BN3081（K12，K13）擴展后，硬線接至各需要實現0類安全急停的電動機主接觸器。安全繼電器的工作電源由UPS電源提供。
　　急停按鈕215HZ-1375A～G的兩個常閉觸點串聯接入安全繼電器BD5935（K11）的S12和S22輸入端。另一個常開觸點作為DI（數字量輸入）信號接入車間DCS系統，用于指示急停鏈由哪個急停按鈕觸發，便于在系統中追溯和查詢。接線圖詳見圖8和圖9。
　　布置在安全位置的復位按鈕與輔助模塊BN3081（K12，K13）擴展后的常閉接點串聯后，接入BD5935（K11）復位功能端子。這樣就能保證在故障排除且現場急停按鈕都復位后，此復位按鈕才能對整條安全鏈進行有效復位。
　　3 結 語
　　安全急停鏈是獨立于車間過程控制的一套單獨系統，是為滿足機械及人身安全要求所設置的，不應與過程控制的停止功能相混淆。所以不同于DCS系統中常見的單機停機或組停機聯鎖邏輯，本課題討論的都是具有“安全功能”的急停，在動作優先級上要高于DCS系統中的停機邏輯。安全急停鏈的設計可以理解為對機械安全相關規范及要求在車間范圍內的延展，將針對單臺設備的安全急停功能延伸到相互關聯的一組設備上，由其中任何一個安全急停按鈕就能觸發整組設備的安全急停功能，通過提升整組設備的本質安全來保證車間的生產安全。
　　從上述的工程案例中可以發現，在制漿造紙工程的安全急停鏈設計中，相較于安全急停鏈的電氣設計本身，如何結合制漿造紙工藝流程的生產情況，對主要工藝設備進行合理的風險評價，并根據系統及設備的布置情況完成急停鏈的分組和急停按鈕的布置是急停鏈設計的難點。一般而言，制漿造紙設備供應商對自己設備的原理和運行情況有較多的認識，而設計院和工程公司則更熟悉過程工藝系統及區域布置的情況。在滿足相關規范的前提下，二者應結合制漿造紙系統流程及工藝操作需求，在風險的識別及評價，安全功能的確認，急停鏈的分組、布置、電氣設計等環節中相互協助，密切配合，以確保設計的安全急停鏈在符合規范的同時更加貼近生產實際，并達到保護人身、設備和車間生產安全的要求。
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