区域安全技术，打造安全文化

由于竞争日益激烈，供应链日益紧张，世界各地的制造业企业正被要求承担更多的责任。生产和客户组织的管理层都密切关注停机时间和交付日期，而工作场所安全可能很少受到关注。

在制造业和工业环境中，工人安全是人类的基本要求。它保护工人，防止不必要的停机时间，并满足标准遵从性。尽管如此，车间安全可以被视为一种生产力消耗——一项繁重而昂贵的义务，对整体运营几乎没有增加价值。但一流的公司将安全视为核心价值和生产力驱动力。他们意识到，通过安全的流程、程序和技术实施来推动员工行为，使他们能够远远超越简单的合规，除了大幅降低伤害率之外，还能提高生产率和更高的效率。安全的工作场所还能提高员工的满意度，这对留住员工尤为重要。这需要先进的规划和工程，最新的安全组件，以及建立整体安全文化的愿望。

功能安全

正如许多国际标准所定义的那样，遵循功能安全生命周期为机械安全提供了一个系统的过程。首先，通过进行风险评估，确定事故和不安全情况的潜在原因，然后，设计一个安全系统，帮助降低这些风险，实现合规性，并提高生产力。

根据定义，功能安全是设备或系统整体安全的关键部分，它依赖于自动保护在响应输入时正确运行，包括对可能的操作员错误、硬件和软件故障以及环境变化的安全管理。随着越来越多的产品和系统集成了复杂的微电子和软件，评估和实现与安全相关的功能可能具有挑战性。

随着物联网(IoT)在许多领域(如能源领域的智能电网)成为现实，产品和系统正在相互连接;汽车行业的联网车辆和自动驾驶;医疗保健行业向电子健康的转变;智能家居产品;以及制造业自身的工业物联网(IIoT)，包括机器人、工业控制系统、智能工厂和供应链。

实现功能安全始于一个过程，至少包括以下步骤:

1. 识别安全风险和所需的安全功能。这意味着必须了解危险和安全功能。功能审查、正式危害识别和风险分析(HAZID)、危害和可操作性研究(HAZOP)以及事故审查的过程将确定这些问题。
2. 评估安全功能所需的风险降低。这将涉及安全完整性水平(SIL)性能或其他量化评估。SIL适用于安全相关系统的端到端安全功能，而不仅仅适用于系统的组件或部分。
3. 确保安全功能按照设计意图执行，包括在不正确的操作员输入和故障模式的情况下。这包括由合格和有能力的工程师管理设计和生命周期，按照公认的功能安全标准执行流程。
4. 通过确定平均故障间隔时间和安全故障分数(SFF)以及适当的测试，验证系统是否符合指定的SIL、汽车安全完整性级别(ASIL)或性能级别(PL)。SFF是系统在安全状态下发生故障的概率:危险(或临界)状态由系统的故障模式和影响分析(FMEA)或故障模式、影响和临界分析(FMECA)确定。
5. 进行功能安全审计，以检查和评估在相关产品生命周期阶段一致和彻底应用适当的安全生命周期管理技术的证据。如果不考虑系统作为一个整体及其与之相互作用的环境，就不能确定安全性或功能安全性。

安全和自动化
Pilz Automation Safety (Canton, Michigan)的运动专家Brandon Cox表示，大多数公司都在建立一种以安全为导向的文化，这与使用安全组件是两码事。“至少，我们需要进行风险评估，这可能会导致一个全新的自动化结构，它与现有网络通信，但设计了一个安全功能。”

设计这样的安全自动化结构遵循上面概述的结构，并将plc和传感器等组件与特定的安全组件(如光幕、门锁和可以监视、运行和控制工厂车间设备和过程的防护组件)联系在一起。

例如，智能伺服放大器被用作广泛的电机技术的驱动控制器。它们可用于操作所有常见类型的电机，从伺服电机到异步和直线电机，包括旋转直接驱动，直线伺服电机和特殊电机的应用。

Pilz安全伺服放大器

这样的现代伺服放大器不仅仅是驱动电机。他们提供:

• 定位(通过总线或输入驱动)
• 能够存储数百个运动任务
• 通过运动任务实现复杂的运动序列
• 速度控制
• 转矩控制
• 电动齿轮功能

Pilz安全伺服放大器
安全卡与伺服放大器的结合产生了安全驱动的解决方案——安全运动。智能伺服放大器可用于标准plc和运动控制系统。它们提供安全的输入和输出以激活安全功能，还可以提供各种编码器接口以及与所有公共总线系统的连接。运动被精确地监控在它出现的地方，从而减少了反应时间。同时成本也降低了，因为有更少的外部安全组件。

时间与空间
安全装置、监测装置、输出触发器、机器电机等的反应时间都必须考虑在内，即使总数在毫秒范围内。在一份题为“计算安全距离”的白皮书中，作者Devin Murray是Schmersal USA的功能安全工程师，他说，如果安全装置放置得太近，触发安全装置后很可能会暴露在残余危险中。一旦进行了时间停止测量，它们就可以用于ISO中所要求的给定安全装置的安全距离公式

13855 (机械安全。与人体各部分接近速度有关的安全措施的定位）.

用安全驱动员工行为 过程、程序和技术 实现使改进 生产力和更高的效率

ISO 13855关于最小安全距离的一般公式为:S = (K x T) + C，其中S为最小距离，单位为mm, K为人类接近速度，单位为mm/ S, T为总停止时间，单位为秒，C为入侵距离。不同的非分离保护装置会对这个一般公式有一定的变化。例如，安全垫的公式为S = (1600 x T) + 1200，因此，如果安全垫正在保护机器危险，并且总停止时间为100毫秒，则安装的最小安全距离将为1360毫米。光幕的配方将取决于垂直或水平安装及其分辨率(检测能力)。如果我们以前面的机器为例，使用垂直分辨率为14mm的光幕，总停止时间为80毫秒，则公式为S = (2000 x T) + C，其中C由8 (d - 14)计算，d表示光幕分辨率。对于这种设置，光幕的最小安全距离将是160毫米。

车间越来越紧
根据SICK公司的说法，当前的安全趋势要求更小的解决方案占地面积和最大的解决方案灵活性、功能性和安全性。随着大量可用的监测和防护场的出现以及它们的尺寸越来越小，安全激光扫描仪在区域和通道保护方面的需求也越来越大。这种趋势是由新型工业应用的适应所驱动的。

工业自动化领域新引入的安全激光扫描仪现在提供所需的更小占地面积，并为客户的整个安全系统提供远程诊断和执行安全控制逻辑的额外潜力。安全激光扫描仪的基本操作使用飞行时间测量。光脉冲从扫描仪中发射出来，对周围环境进行二维扫描。如果发射的光击中物体，它就会反弹回来，被扫描仪接收。一个旋转的镜子将光脉冲以扇形传播出去，角度可达270度。即使安装在空间受限的区域，扫描仪也能检测到用户配置区域内的物体。波束检测高度低至离地面35毫米，可重复检测工人的鞋子，具有成本效益和易于安装。

由于这些原因，小型扫描仪是理想的应用，如自动引导推车(agc)或作为任何行业的安全垫替代品。目前市场上越来越紧凑的车辆需要更小尺寸的扫描仪。至于安全垫，较小尺寸的激光扫描仪提供了无磨损的解决方案，对场地尺寸的要求较低，可以隐藏在更紧凑的空间中，可以减少机器的整体占地面积，节省成本。

三重字段集减少停机时间
三场集合是现在一些较小尺寸激光扫描仪提供的功能。三场组可编程为一个保护场和两个警告场。安全和警告字段或“区域”是可自由编程的，可以动态或静态地更改。一旦在定义的“警告区域”检测到物体，扫描仪可以启动输出信号-一个声音和/或可见的指示器，可以通知该区域的人员，他们太接近危险。三场集合的优势可以在移动应用程序中发现，通过使用警告场输出来减慢车辆的速度。类似地，静止应用程序可以使用警告字段输出来降低机器速度，而不是完全停止。这意味着所需的保护场地更小，从而节省了占地面积，并最大限度地减少了停机时间。

通常情况下，对于快速移动的机器或车辆，你需要一个更大的安全区域，以弥补更长的制动时间。如果安全区域不能适应不断变化的机器环境，车辆将无法绕过拐角，或者机器将需要一个保护区域来覆盖所有可能的危险位置。为了在紧凑的空间中使用快速，您需要能够平衡安全区域以最大限度地提高生产力。在车辆上切换区域最简单和最安全的方法是使用编码器。这项技术已经过调整，使车辆可以进行急转弯-内置公差功能，以最大限度地提高可用性。这样做的优点是，速度信号从编码器发送到扫描仪，而无需与车辆控制系统交互。使用文具机安全简单地选择危险区域，通常不需要编码器。相反，位置信号可以直接从机器发送到扫描仪，并用于根据机器的当前位置监测区域。

IIoT连接
通过工业物联网(IIoT)监控设备包括连接和数据收集方面的安全考虑。与预期操作的显著偏差可能表明存在以下任何问题。工人可能暴露在不安全的工作环境中，或不适当地使用机器。合规性可能会受到损害。

例如，如果风险评估确定一个联锁门每天将打开六次，安全性能计算将确定机电联锁在需要更换之前安全运行多长时间。如果实际性能表明门每天被操作12次，则联锁的寿命减半，影响合规性。智能安全系统甚至可以提前触发开关更换，以保持合规性。相反，如果门每天被打开0次，则可能表明设备发生了故障，正在被覆盖，或者机器的操作与设计不同，必须进行调查。

同样，e -stop仅用于紧急情况，但通常用于其他目的，如清除堵塞。这种误用会增加废料和停机时间。在联网企业中，E-stop激活的时间戳、停机时间、线路和换班详细信息都可以记录下来，并用于纠正任何不安全的使用。

得到合作
工人和机器人之间日益密切的合作自然引发了安全问题。协作机器人本身能保证应用程序的安全吗?“不可能，”Universal Robots全球技术合规官Roberta Nelson Shea说。

“是的，系统变得更加复杂，但它们现在也有了以前不存在的安全功能。系统变得更加可靠，减少了那些原本需要照看或修理机器的人员的暴露。”

Shea描述了四种与安全相关的协作操作类型:

1. 安全吗?额定监测停止，在不移除电源的情况下确保停止。
2. 操作者在自动操作过程中对机器人的手动(“手动引导”)驱动和控制。
3. 速度和分离监测(SSM)，外部安全设备，如安全激光扫描仪或安全视觉系统，根据与任何入侵的分离距离控制速度。
4. 动力和力限制(PFL)机器人，其内部动力和力限制安全功能控制速度、扭矩和运动，因此冲击不会造成伤害。

我们如何开始评估安全性?“首先你需要一个应用程序——即使只是一个概念，”Shea回答说。因素包括:

• 计划做什么?
• 末端是什么?执行器?
• 这种情况会发生在哪里?
• 这个区域是什么样子的?还需要什么设备和动议?
• 应用程序的初始布局是什么?考虑运动、路径、速度、操作员位置、接触电位、进入障碍等。

预测各种接触情况 对工程安全和机器人技术至关重要

“最重要的是自动恢复操作，”谢伊说。符合安全标准的PFL协作应用程序通常是“低负载、低速”应用程序。许多PFL应用程序使用安全扫描器，通常以比标准语言允许的更高速度运行应用程序，同时没有入侵。入侵触发器将降低速度，当达到降低速度的时间小于停止的时间时，这就符合要求，这也需要更少的地面空间。

Shea补充说:“在符合ISO/TS 15066:2016附件A的降低速度和设置下，如果使用PFL机器人，则不需要停止操作。”“根据风险评估，人可以与机器人系统互动。当所有人都离开扫描仪区域后，允许全速和操作自动恢复。”

结论
虽然现代区域安全组件继续展示出越来越多的功能，但具有功能安全评级的组件只能与它们投入使用的环境一样好。安全文化应被视为提高生产效率的必然结果。所有利益相关者都可以努力降低安全系统的复杂性，提高使用的便利性。公司必须持续评估、培训、监控和支持他们的人员和安全系统。创建和维护你的安全文化必须是首要任务。

有各种各样的标准，涵盖在世界各地不同地点执行的特定类型的设备或系统。MCMA和它的母组织推进自动化协会(A3)维持着一份标准和标准开发组织的列表