安全的意义

机器安全技术不仅可以降低操作人员的风险,还可以提升企业的利润。

很多企业已经意识到机器和工厂安全对于实现商业目标有着重要意义。它们开始逐渐关注机器安全解决方案提升机器的总体设备效率。无论是从概念上还是实践中,这么做都可以有效的提升企业的制造能力。

安全可以通过减少由于危险操作条件引起的意料之外的停机次数,延长生产时间。而这些危险的操作条件还可能导致碰撞、伤害甚至死亡事件。

对于那些希望在残酷的竞争环境中幸存下来的企业来说,这已经变得越来越重要,他们必须要不断的努力提高运营水平才能获得更大的利润空间。对于安全的关注也就越来越必要,因为机器自动化水平的提高使得企业对于经济效率、稳定并且成本有效的生产要求也更高。

但是,尽管在产品和元件制造中机器是非常高效并且可靠的,对于那些经常从事相关工作的员工来说,可能受到伤害的概率也在增加。这不仅会导致意外事故中工人的痛苦和伤病,也会为问题企业带来费用高昂的连带责任。

必须要指出的是,每一个与工作相关的伤害都会导致严重的后果,绝不仅仅是与伤害相关的直接医疗成本而已。这些直接的成本包括受伤员工的治疗费用和机器的停工损失。而另一方面,间接的花费要多得多,包括保险费用增加、人力成本增加、对相关机器进行隔离检测的时间以及调查事故发生原因的一切行政成本。不单单是受伤的员工需要承受伤痛和折磨,对于其他合作员工心理上和信心上的影响也是必须要注意的。无论是从情感上、财务上还是心理上,都不应该允许此类事件发生。

心理上的波动和生产损失都是工厂不希望看到的,因此就需要创新型的安全策略和技术,不仅能够减少工人受伤,还能够通过提升机器工作时间显著增加制造生产量和生产效率。

这可能需要有效的安防策略,评估操作员如何与机器进行接触,还需要包括机器设计或者整个工厂的安全网络,而不是在出现问题的时候简单的关机或者停止生产。新的安防策略需要一个安全控制器,可以决定哪些设备需要关闭,而哪些设备还可以继续运行。

简单而有效

通常,在工厂使用任何特定类型的机器之前,都需要确定风险的水平。但是为了保证工人安全、保障公司财产,还可以采用简单但是有效的方法提高机器操作员的安全,确保机器不会因为事故出现不必要的损坏。

从这一点来说,安防解决方案业已证明是一种有效的方法,可以保证机器超级安全,并且实施起来非常简单。这些方案包括安全灯幕、带有安全互锁开关的互锁护罩、以及安全控制和模块。

一个最简单的机器安全解决方案就是使用“护罩”。它包括两种类型:固定护罩,装备物理安全栅,可以阻断危险;以及互锁护罩,可以允许频繁接触机器(在可能出现危险的情况下),但是只允许进给物料、元件和工具,以及调整和维护。互锁护罩通常配有安全互锁开关,它可以在护罩被移动的时候激活或者关闭机器控制系统。这些开关是面向应用进行的设计,有机电、光纤、射频、应答器、磁性开关等多种选择。

护罩的互锁开关可以分成两大类:接触式和非接触式。最常见的一种开关是机电开关,通过与开关的物理接触进行工作。举例来说,当互锁护罩被移动的时候,移动会对开关有一个机械力,然后产生一个力开启电触点,在护罩关闭的时候给机器断电。

另一方面,像光、射频和磁力这些非接触式开关并不需要在运行过程中有任何的物理力。它们会产生一个能量束,比如光纤中的光,在终止护罩移动的时候关闭机器。

对于保护员工和机器来说,互锁护罩和开关是非常有效的保护方法。它们还可以为避免事故提供更加“明显”的保护手段。所谓的明显与安全光幕这种安全仪表的“不可见”形成了鲜明对比。

这些屏幕会减少那些经常接触的机器的未激活护罩的概率,同时它们还允许危险区域逐渐可见,允许任何机器轻易进行维护和修理。它们支持不用应用的安全无阻生产流程,但是它们并不适合那些不能够快速停机、生产弹出材料、或者主要使用高温环境下的机器。

不适应这些生产条件,是因为这类应用会对安全光幕造成干扰。安全光幕是由一个可以向光电晶体管接收器发射光束的LED阵列组成。“光幕”的工作原理如下,当一个不透明物体通过光幕的时候,它会在发射器和接收器之间形成一个不完整的光通道,进而产生一个中断信号,停止所有危险操作。因此,根据其操作原理,流程环境中的高温和不可预知会对安全光幕的效果产生负面影响。

功能集成

通过对带有标准控制系统的简单安全方案进行集成,可以实现一定程度的灵活性和有效安全性,对工厂产生深远的影响。从这个意义上来说,可以在连接和监视安防设备(比如互锁护罩、开关和光幕)的时候使用安全模块和安全控制器。

安全模块可以从很多方面提升机器的安全性能。它们可以通过连接安全设备,增加安全功能。它们还可以监控或者执行一两项避免导致这些设备安全功能丧失故障和失效的任务。同时,它们也拥有监控自身电路和输出的附加能力。

另一方面,安全控制器可以用来集成多种安全设备,或者取代多个安全模块,以相对经济的方式达到所需的安全性能。基本上,易于配置的安全控制器可以取代多个专用的安全模块,集成紧急停止按钮、互锁开关、安全光幕和很多其他设备,从而提供一套性价比很高的安全解决方案,不仅可以防止对于机器的损害,也可以避免对于人员的伤害。

这些安全控制器也可以提供多种安全相关的功能,比如安全光幕的静音和绕过,在检测到进入危险区域时启动设备,监视其控制下的外部设备,或者检测人工重置功能。

现在可以采取使用安全PLC的更加先进、更加智能的安全解决方案。它们不仅取代了传统的硬布线安全中继器,并且大幅度提升了安全系统的灵活性。举例来说,当一台PLC已经安装完毕控制机器的时候,可以在系统中加入安全PLC。如果安全PLC可以与控制PLC联网,这种解决方案可以加强系统的监控能力。并且,将控制功能和安全系统集成到一台PLC当中,也简化了机器控制和安全系统之间的协调工作。这是因为集成的安全PLC支持所有的数据传输到人机界面,可以用来快速方便的进行故障诊断。这种方法简化了控制和安全的协调工作,对于控制和安全电路使用同一种编程语言,无论是在设计还是实施的每一个阶段,流程都变得简单了很多。

除此之外,这种网络安全系统利用唯一的PLC,具有比传统硬布线方法更多的收益。通过使用安全网络监控安全电路中的每一台设备,也简化了布线。另外的一项优势在于故障诊断,因为每一台联网的安全设备都可以借助相同的人机界面与控制系统的其他部分进行通讯。

这些优势显著降低了停机时间以及与故障相关的成本,也就可以让公司显著减少机器的生命周期成本。在这一点上,总体的拥有成本显著下降,尤其是在这些系统是复杂的机器系统的时候。

使用总线

安全总线可以用来与多台安防设备连接,对于单一一台机器来说非常昂贵、复杂且没有必要。然而,在拥有多种机器系统的工厂中,通过集成安防设备使用标准控制系统进行操作,通过总线网络进行连接,可以在整个工厂层实施灵活、有效的安全解决方案。

安全网络对于硬布线方式有很多优势,尤其是在诊断方面。这也就是说,在出现问题的时候不需要关闭整台机器或者整个生产线,安全控制器可以决定哪些设备和流程需要置于安全状态,而哪些可以继续正常运行。

在通用网络上的集成还提供了强大的数据捕捉能力。通过单一的网络、控制器和人机界面,操作员能够了解车间中各种事件的全部情况。强化的关键数据获取能力,帮助操作人员调整流程变量,了解到所有的子系统都在提供决策所需的关键性反馈。它还允许操作员进行更加有效的主动维护,这也是任何安全系统的重要元素。

安全总线的概念还使得安全架构可以轻松进行升级。这就意味着各种安全解决方案,从以安全中继器到带有运动、标准和安全控制功能的全集成PAC,都连接到网络当中,工作大幅度简化,从而降低了企业在自动化和安全设备方面的费用。

安全与标准控制系统的集成,同时在多个工厂物理网络上有效传输数据,已经借助ODVA通用工业协议(CIP)这类技术成为了现实。这一工业网络应用协议为在各种CIP网络(比如DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP)上控制、配置、手机和分享数据提供了一系列标准服务。

从这个意义上,CIP允许控制和安全系统在同一个网络上共存,并且在安全和标准控制应用中分享数据。这样就可以允许工程师执行“区域控制”,将机器的一个区域置于安全状态,而其他区域继续运行。

然而,CIP独立于车间中的机器物理层网络,因此可以有更多的选项,也更加的灵活,可以针对车间中的具体问题应用安全解决方案。但是,所有的特征都显示,机器安全解决方案将会与标准控制系统结合得更加紧密,可能会成为控制设计流程的必然组成部分。

机器和工厂设计中的方法是由新的机器安全标准所驱动的。新的标准则是在自动化技术进步的背景下产生。但是另外一个方面, 使用技术遵循标准的能力已经使得安全成为整个工厂或者机器必不可少、不可或、甚至会带来新的价值的元素。

标准的问题

安全已经成为任何机器或者工厂设计中的一个最为必要的元素。但是在很多方面,机器或者车间中部署的安全会受到规则的挑战。通常,机器上的安全功能不会因为正常的生产功能而妥协。

然而,两个新一代的机器安全相关控制系统标准 IEC/EN 62061和 EN ISO 13849-1:2008 都遵循《欧洲机械指令》法案的要求,面向最佳应用的情况使用标准。前一种标准使用起来更加复杂,但是更适合于复杂应用;而后一种标准要简单的多,但是需要满足特定的控制系统设计限制。

但是这并不意味着标准排除了工厂中一定水平的机器安全解决方案。标准可能需要针对机器或者工厂中的安全元件基于可靠性数据进行计算。但是这些新的指令或者标准的首要意图,是将机器安全融入到机器设计当中。机器的设计现在已经越来越紧凑、越来越复杂并且无限可编程。

这些趋势背后的驱动因素就是机器本身的客户,他们希望在行业中立于不败之地,需要机器运行功能强大、灵活并且可靠,这已经成为了控制系统要求的一部分。而这些控制系统深度使用了复杂、可编程的技术。这说明,为了同时实现机器安全和产能的目标,与控制系统本身相关的安全通畅需要使用复杂且可编程的技术。

然而,考虑到标准,最重要的一个趋势是要认识到功能安全必须与功能控制集成。从这一点上,更加准确和高效的安全系统设计源于新的软件工具的进步,比如罗克韦尔自动化的高完善度附加指令(AOI)。

这些指令可以将代码打包,这样可以在控制网络使用之前就进行验证,并且可以在联网车间的多个节点上轻易重用。AOI的这些特点推动机器以及整个工厂内部的协同一致,它们还可以帮助简化故障诊断以及除错的过程,最小化代码错误的风险。

除此之外,指令采用签名方法,可以保护控制和安全数据免于受到无意或者有意的修改。事实上,AOI的定义应该有所不同,如果没有认可的话,签名也不能验证修改。这种修改控制功能对于需要高度遵循法律法规的行业非常重要,这些行业需要保证一致性,满足法律的要求,也需要保护机器本身上面的程序等智力资产。

安全与控制的集成,也可以提供通用编程环境的优势,帮助降低设计、配置、启动和维护的时间和成本。并且,通过单一的软件程序管理安全和控制,需要对控制和安全内存进行分离,或者使用分割逻辑隔离安全元件这些事情,都已经成为了历史。

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