設(shè)計一個多層方式實(shí)現(xiàn)工作單元安全

工業(yè)自動化 (IA) 的增加，特別是工業(yè)機(jī)器人的使用，增加了操作人員與其他移動設(shè)備或移動機(jī)器的部件之間發(fā)生意外交互的機(jī)會。設(shè)計人員有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)?、通常是重疊的安全預(yù)防措施，以免造成生產(chǎn)中斷、人員受傷甚至死亡等事故。

雖然安全是最重要的，但設(shè)計師在設(shè)計時還必須密切關(guān)注初始成本和總擁有成本。

本文將討論工廠安全措施最佳實(shí)踐，并介紹一些用于建立和維護(hù)安全工業(yè)環(huán)境及其應(yīng)用的技術(shù)和產(chǎn)品。

工廠安全影響到組織中的所有人

工業(yè)工廠的安全是一個多方面的話題，需要從車間到管理層的所有組織層面的參與。理想情況下，安全工廠是從頭開始設(shè)計的，但是許多工廠建筑早在自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用、使用工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 技術(shù)興起之前就已經(jīng)存在了。

許多國家和國際安全標(biāo)準(zhǔn)適用于不同類型的工業(yè)機(jī)械、安全設(shè)備和生產(chǎn)流程。其中包括：

• ANSI/RIA 15.06（機(jī)器人與機(jī)器人系統(tǒng)安全）

• ISO 13856-1:2013（機(jī)器安全：壓敏保護(hù)裝置）

• ISO 13849-1（機(jī)器安全：控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分）

• ANSI B11.19-2003（保護(hù)設(shè)備和保護(hù)員工免于截肢）

• CSA Z432-16（機(jī)器維護(hù)）

在開始之前，設(shè)計人員必須花時間熟悉適用的規(guī)范。

開發(fā)安全的工廠環(huán)境的首選方法分多個層次。這一過程始于對危險的綜合識別、評價和分析，并對其相對重要性進(jìn)行評估。

有幾種方法可以減少由此識別的危險帶來的風(fēng)險。實(shí)例包括：

• 降低危害的潛在嚴(yán)重程度。

• 提高避免危害的可能性。

• 減少進(jìn)入危險區(qū)域的人員數(shù)量，或其暴露時間。

在初步分析之后，下一個階段是建立危險控制等級，根據(jù)有效性和對每個風(fēng)險的偏好順序來對這些措施進(jìn)行評級。ISO 12100:2010（機(jī)器安全 – 設(shè)計的一般原則）是針對風(fēng)險降低分級概念和方法的主要標(biāo)準(zhǔn)。

首選的解決方案是完全消除風(fēng)險，或者使用更安全的替代方案，最大程度地減少意外人機(jī)交互的機(jī)會（圖 1）。例如，安裝自動化材料裝載系統(tǒng)，替代人工裝載操作。

如果這不可行，次一級的最可取做法是增加保護(hù)裝置，防止危險事件的發(fā)生。如果保護(hù)裝置被激活，它通常會啟動一個沒有人工輸入的自動操作；機(jī)器被關(guān)閉，或者機(jī)器人被禁用，直到操作人員執(zhí)行手動復(fù)位。這類裝置的實(shí)例包括光幕、聯(lián)鎖和壓力墊。

其他的選擇不太理想，因?yàn)樗鼈冃枰说男袆幼鳛槲ｋU規(guī)避的一部分：這些選項(xiàng)包括視覺或聲音警報、加強(qiáng)安全培訓(xùn)，以及防護(hù)裝備，例如面罩、耳塞或手套。

圖 1：危險控制等級按照影響和實(shí)現(xiàn)方式對保護(hù)措施進(jìn)行分級。（圖片來源：SICK）

在改造現(xiàn)有工作區(qū)域方面，主動防護(hù)裝置還有另一個優(yōu)點(diǎn)：安裝速度。它們可在不重新設(shè)計工作流程或培訓(xùn)人員的情況下添加到新安全程序中，而這兩項(xiàng)工作都需要幾個月的執(zhí)行時間。

設(shè)計一個多層方式實(shí)現(xiàn)工作單元安全

現(xiàn)代工業(yè)工作單元采用多層安全方式：設(shè)計人員必須將安全墊、光幕、激光等主動措施與視覺和聲音報警指示器結(jié)合起來（圖 2）。預(yù)期的結(jié)果是：操作人員收到可能存在不安全情況的警告。如果他們冒險進(jìn)入險境，幾個獨(dú)立裝置就會在災(zāi)難發(fā)生前關(guān)閉作業(yè)。

圖 2：在一個自動化的工作單元中使用了多種不同的安全裝置，這樣如果操作人員冒險進(jìn)入險境，幾個獨(dú)立裝置就會在災(zāi)難發(fā)生前關(guān)閉作業(yè)。（圖片來源：Digi-Key）

越來越多的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接這些裝置；數(shù)據(jù)用于跟蹤和記錄事件，并確定未來改進(jìn)的領(lǐng)域。下面，我們將討論一些主要的安全裝置及其應(yīng)用。

安全墊：傳統(tǒng)但仍然有效的解決方案

安全墊是防止員工或輪式機(jī)器進(jìn)入不安全區(qū)域的有效手段。通常，一個安全墊使用一個斷開開關(guān)，當(dāng)指定的最小重量壓在墊子上時，開關(guān)閉合。開關(guān)閉合會導(dǎo)致產(chǎn)生一個信號，發(fā)送到安全墊控制器，控制器再發(fā)起一個停止信號，發(fā)送到被保護(hù)的機(jī)器。

Omron Automation and Safety的UM5-4836就是一個很好的實(shí)例：它使用了由 24 號鋼制成的兩個導(dǎo)電板組成了開關(guān)（圖 3）。30 kg (66 lbs) 的激活力可以閉合開關(guān)。安全墊包括集成的四線電纜，它讓控制器能夠監(jiān)控故障情況，例如永久斷開連接或物理損壞。

圖 3：Omron UM 系列安全墊系統(tǒng)包括墊子和控制器，還有各種剪片，用于將墊子固定在地板上。（圖片來源：Omron）

多個安全墊可以串聯(lián)在一起，在機(jī)器周圍形成一個安全區(qū)域。安全區(qū)域要與像 Omron 的MC3、MC4或MC6這樣的安全墊控制器結(jié)合在一起：MC6 可以容納最多 6 個單獨(dú)的安全墊區(qū)域。

早在 20 世紀(jì) 50 年代，安全墊就一直是工廠中區(qū)域保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)形式。但要注意，作為一種機(jī)電技術(shù)，安全墊必然會受到物理、環(huán)境和操作上的濫用，并且觸頭可能因?yàn)殚L期重復(fù)使用而磨損。安全墊仍然在現(xiàn)代高度自動化的工廠中被廣泛使用。

光幕可以防止進(jìn)入危險區(qū)域

如果設(shè)計人員需要隔離危險機(jī)器，或者建立一道“看不見的墻”來隔離區(qū)域，那么安全光幕就是一個合適的選擇（圖 4）。光幕包含一系列光電發(fā)射器，它們會將同步的平行紅外光束投射到匹配的接收單元。當(dāng)不透明物體進(jìn)入感應(yīng)場，遮斷一個或多個光束時，接收器會檢測到事件，而光幕會向被保護(hù)的機(jī)器發(fā)送停止信號。

發(fā)射器模塊包含能夠發(fā)射紅外線 (IR) 序列脈沖的 LED。脈沖調(diào)制為特定的頻率，而接收器中相應(yīng)的光電晶體管被設(shè)計為只檢測指定的脈沖和頻率。這種技術(shù)改善了對外部光源的過濾。

圖 4：通過對每個光束軸執(zhí)行屏蔽控制，光幕可以區(qū)分工件和操作人員 (a)。它還可以包括一個盲區(qū)動作 (b)，以使永久障礙物被忽略。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation）

在傳送帶等應(yīng)用中，光幕具有屏蔽功能：當(dāng)一個意想不到的物體通過時，會使生產(chǎn)線停止，但當(dāng)一件產(chǎn)品通過時，生產(chǎn)線就不會停止。

如果啟用屏蔽功能的成對發(fā)射器/接收器檢測到傳送帶上的產(chǎn)品（圖 4a），它可以禁用指定數(shù)量的通道，以防止錯誤觸發(fā)。但是，操作人員仍會中斷其中一個活動通道，并且引起報警。當(dāng)屏蔽系統(tǒng)檢測到產(chǎn)品已通過時，它會重新啟用已經(jīng)被屏蔽的通道。

另外，盲區(qū)功能可以禁用通常阻塞的通道（圖 4b），例如被一臺設(shè)備阻塞的通道。

Panasonic Industrial Automation 的SF4B系列光幕包括了針對不同應(yīng)用優(yōu)化的多種產(chǎn)品?！癏”系列設(shè)備的目的是探測手掌大小的物體，光束垂直間距為 20 毫米（0.8 英寸）。例如SF4B-H28(V2)有 28 個發(fā)射/接收通道，形成一個 500 毫米 (mm) 或 21.7 英寸 (") 高的光幕。該產(chǎn)品的工作范圍為 0.3 m 到 9 m。

“F”系列產(chǎn)品的間距為 10 mm (0.4")，可以保護(hù)手指等較小的對象。SF4B-F79(V2)有 79 個傳輸/接收對，保護(hù)高度為 790 mm (31.1")，工作范圍為 0.3 m 到 7 m。

SICK C4C-SA03030A10000 發(fā)射器及其配對的 C4C-EA03030A10000 接收器組合成為一個 300 mm (11.8") 的光幕，最大工作范圍為 15 m（49 英尺）。該公司還提供了一系列的發(fā)射器/接收器對，保護(hù)高度最高可達(dá) 900 mm (35.4")。

激光掃描儀系統(tǒng)可在區(qū)域保護(hù)方面實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計

在過去的幾十年里，激光技術(shù)也開始幫助改善工廠車間的安全。安全激光掃描儀可提供某個區(qū)域的三維保護(hù)，并且通過針對危險指定不同的警告和安全帶（也稱為區(qū)域），為設(shè)計人員提供更大的靈活性，讓他們能夠量身定制系統(tǒng)響應(yīng)（圖 5）。

圖 5：激光掃描儀允許設(shè)計人員設(shè)置不同響應(yīng)級別的多個安全區(qū)域。（圖片來源：SICK）

一旦在外部警戒區(qū)檢測到物體或人，掃描儀就會將警告信號發(fā)送給聽覺或視覺指示器，該指示器會通知他們存在潛在危險。當(dāng)人員或物體進(jìn)入內(nèi)部安全場時，激光掃描儀會發(fā)出一個信號來阻止機(jī)器人或機(jī)器的危險運(yùn)動。這些區(qū)域是可編程的，可以通過對安全掃描儀的輸入來動態(tài)更改。

安全激光掃描儀使用了“渡越時間”技術(shù)。發(fā)射器發(fā)出一束脈沖激光束，被入侵的物體反射并被接收器檢測到。發(fā)射與接收之間的間隔時間與掃描儀和物體之間的距離成正比。

集成的旋轉(zhuǎn)鏡使脈沖激光束偏轉(zhuǎn)，使該裝置能夠?qū)χ車鷧^(qū)域進(jìn)行扇形掃描。實(shí)時測量數(shù)據(jù)可以通過聯(lián)網(wǎng)接口傳輸，以便在需要時進(jìn)行進(jìn)一步分析。

例如，SICK 的 S32B-2011BA 安全激光掃描儀使用激光二極管，產(chǎn)生波長為 905 納米 (nm) 的近紅外脈沖。該設(shè)備是 SICK 的 S300 系列的一部分，其保護(hù)范圍為 2 m，警告范圍為 8 m。另一款 S300 器件 S32B-3011BA 的保護(hù)范圍為 3 m。

Omron Automation and Safety 提供的OS32C區(qū)域掃描儀的監(jiān)測領(lǐng)域達(dá)到 270?，包括兩個獨(dú)立的預(yù)警區(qū)域，還有一個安全區(qū)域（圖 6）。OS32C 可以通過工業(yè) EtherNet/IP 協(xié)議進(jìn)行通信：它可由符合 ODVA EtherNet/IP 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控，例如可編程邏輯控制器 (PLC) 和工業(yè)人機(jī)界面 (HMI) 模塊?？梢詡鬏敹喾N數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)狀態(tài)、區(qū)域狀態(tài)、測量細(xì)節(jié)。

圖 6：Omron 的 OS32C 系列區(qū)域掃描儀具有多個可編程區(qū)域（圖片來源：Omron Automation and Safety）

直到最近，激光掃描儀的價格都比安全墊高得多。但是，隨著低成本的激光安全掃描儀的推出，從總擁有成本 (TCO) 的角度來看，安全掃描儀的投資回報率 (ROI) 優(yōu)于老式技術(shù)。TCO 分析表明，激光掃描儀在高流量區(qū)域尤其具有優(yōu)勢，因?yàn)樵谶@些區(qū)域，安全墊可能需要定期更換。

其他安全組件幫助“連點(diǎn)成線”

上文討論的主要安全裝置與其他安全組件一起使用，這些安全組件在技術(shù)上不是那么復(fù)雜，但在工廠安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中包括緊急開關(guān)、門鎖、照明塔、纜索牽引致動器等。設(shè)計人員可在 Digi-Key 的安全組件頁面上找到更多關(guān)于這些產(chǎn)品的信息。

總結(jié)

設(shè)計安全的工業(yè)環(huán)境需要多層方法，以采用多種策略來防止不必要的人機(jī)交互。

關(guān)鍵是首先要防止人員和設(shè)備進(jìn)入潛在危險區(qū)域。安全墊、光幕和安全激光掃描儀在檢測入侵和自動關(guān)閉機(jī)器方面發(fā)揮著重要作用，且無需人工干預(yù)。