安全的脚步从未停歇

    安全正在成为一个热门话题,而且不再停留在概念中。随着机器安全国际标准的变化,安全技术变得越来越全面、易用和低成本化,机器安全在中国越来越深入人心。

 

    如果在5年之前提到机器安全保护和安全设计的问题,大多数的用户可能会嗤之以鼻——“这玩意儿如此昂贵,设计和调试如此复杂,还动不动影响到我的生产效率,是不是得不偿失?”如今,越来越多的汽车制造商、机床制造商、印包机械制造商……,合资乃至本地制造商,纷纷关注并采用机器安全产品和系统。在这中间,我们发现,国际安全标准的最新进展、安全与标准在控制、编程和网络多个层面的集成化、安全一体化解决方案的完善、基于系统化理念的第三方安全评估与咨询机构,已经成为未来中国机器安全市场的几大重要驱动力。

壁垒还是炼金石

    经历金融危机之后的中国机械设备出口正在享受着一次强劲反弹的浪潮,统计数据显示,2010年中国机械设备行业实现出口交货值14,493.80亿元,同比增长34.32%,增速比上年同期(-18.53%)提高52.85个百分点。而欧盟统计局公布的数据表明,我国早在2006年便已取代美国,成为欧盟最大的进口贸易伙伴国。

    就全球范围来看,当前的工业机器设备出口到不同的地区或国家会涉及到不同的认证要求。例如,中国目前没有把工业机器设备列为强制性国家认证的范围,但欧盟和欧洲自由贸易区就有相关的强制性安全准入制度和专门的法规,只有加贴CE标志,确保符合相关安全法规认证要求的机器产品才能在欧盟市场自由流通。而从国内来看,越来越多的跨国企业集团在国内开设生产基地,大量的设备开始在国内招标采购,其设计方案一般延续国外的设计,安全等级要求均非常高。“同时随着我们国家对劳动保护要求的提高,以及对安全标准执行的严格程度越来越高,越来越多的行业和生产单位,不断的提高设备安全等级,逐渐向欧美标准靠拢,对安全产品的需求也会日益增加”,施耐德电气中国传感器及安全产品事业部总经理梁峻诚认为。

    欧盟区目前与工业机器直接相关的法规通常有三个,即机械指令(2006/42/EC),低电压指令(2006/95/EC)和电磁兼容指令(2004/108/EC),其中新机械指令是自2009年12月29号之后正式取代旧机械指令(98/37/EC)而生效的,由于机械指令是工业机器类产品的纲领性法规要求,带来了很多新的重要要求。很显然,后经济危机时代的国际标准技术壁垒正变得越来越高,出口企业生存环境日益严苛,当然从另一个角度看,这也是提升中国设备出口商产品技术竞争力的一块炼金石。

 

    事实上,为了适应上述新法规的强制性要求,欧洲标准化委员会对大量法规所涉及的协调标准进行了更新。比如:A类标准EN ISO 12100:2010(机械安全-设计的基本原则-风险评估和风险降低)取代了EN ISO 12100-1, -2和EN ISO 14121-1;B类标准EN ISO 13849-1, -2:2008(机械安全-机器控制系统与安全有关的部件的设计原则及验证),取代 EN 954-1:1996;EN ISO 13857:2008(机械安全-防止上、下肢触及危险区的安全距离)取代EN 294:1992和EN 811:1996;C类标准中EN 1010系列标准中第一、第二和第三部分已经更新到2010版;车床的标准更新为EN ISO 23128:2010等等(更多最新的机械安全标准可访问http://europa.eu)。“以上所有这些标准的更新随之带来的是对机器设备设计和制造的安全要求提高到了更高的层次和水平”,TÜV莱茵检测认证服务(中国)有限公司负责商用与工业产品服务的项目经理李仕新认为,“以EN ISO 13849-1, -2:2008取代EN 954-1:1996为例,该标准的强制生效日期变为2011年12月31日。也就是说,从现在开始,国内的机器设备出口商还有大概半年的准备时间,如果国内的机器制造商不抓住有限的时间进行相关的技术储备和设备安全控制系统的更新,就意味着有可能被拒出欧盟市场。”

    新旧版本的本质区别在于,新的EN ISO 13849-1, -2:2008对控制系统的要求从EN 954-1对安全有关控制系统的结构确定论,上升到确定论加可靠性的更高要求,所以,对与安全有关的元器件的选型要求会更高,而且选用符合要求的元器件的成本也会更高。李仕新认为,“这种所谓的增加制造成本的技术壁垒应该引起国内相关机器制造商的足够重视。”

    此外,由于可编程电子控制器件作为系统控制核心越来越多的应用到工业设备中,功能安全的概念也被引入到工业机器的设计领域,基于IEC 61508系列标准派生到工业机械领域关于机器功能安全的标准IEC 62061也已经在2010年5月26号被欧标所采用,其版本号为EN 62061:2005/AC:2010,所以,如果国内的机器制造商的控制核心是自行设计的可编程电子系统而且也执行与安全有关的功能,将在出口设备时面临更大的挑战。 

不断改进的系统工程

    机器安全是一项综合性的系统工程,决不只是购买安装一些安全保护产品那样简单,它包括了风险评估、安全设计、安全实施、CE认证、安全验证等一系列过程,同样也是一个不断反复和改进的过程。

    作为一家全球领先的专业安全提供商,德国Pilz公司提出的安全咨询业务生命链理念体现了安全改进的系统性。Pilz中国技术专家黄之炯认为,一般工厂中会有各种类型的机械,其重要性与安全性各不相同,对于工厂经理而言,他需要知道哪些重要机器的安全程度较低,哪些机器的安全程度尚在可接受范围,哪些机器可以直接淘汰。针对这样的需求,Pilz能够提供工厂评估业务,针对一个工厂内不同状态的机器,根据目前机器的安全性、维护与使用情况、风险程度等要素进行评估,以平衡计分卡的形式,得出每台设备的分值。这也就意味着,得分越高的机器状态越好,工厂经理通过快速地浏览根据得分排列的机器列表,能够迅速了解到哪些机器是值得改造并且能够快速提升整个工厂安全性的,这是一个良好的决策依据,对于后续的风险评估以及安全设计、安全改造,也能够提供参考。

    对于每台机器安全的风险评估是整个系统工程中至关重要的一步。该步骤首先需要确定机器的使用环境和条件:譬如可能涉及哪些速度、负载、物料等等。例如模具冲压机每小时能生产多少瓶子?以及在什么温度下处理了多少材料?其次要确定危险:譬如机器的哪些方面可能对人造成伤害?需要考虑被拉住、被压碎、被工具割伤、被机器或物料的锋利边缘切伤的可能性。其他原因像机器的稳定性、噪音、振动及物料的发光发热也需要考虑,同样还有热表面的灼伤、化学伤害或高速导致的摩擦也需要考虑。“这一步需要考虑在机器生命周期(包括制造、安装、报废等过程)内所有可能出现的危险”,施耐德梁峻诚经理概括道。

    在上述工作的基础上,还要按照风险的严重程度确定他们的优先级——潜在危险的相关风险可能由潜在伤害的严重程度与发生的可能性相乘获得(如图)。风险评估的结果应该是一张包含机器上所存在的多种风险的表格,并包括了每种风险的严重性的描述。“风险评估不是一个精确的科学,其目的是指导风险降低。”

    值得注意的是,风险评估的过程同样是一个反复改进的过程——风险需要确认、划分优先级、量化、设计降低风险的步骤(首先是安全设计,然后是安全防护),然后整个过程要重复进行,来评价这个单独的风险是否已经被降低到允许的水平同时没有引入额外的风险。

  

集成安全的力量

    标准与安全的集成设计实在是当前安全应用层面的一大进步。这种集成已经体现在PLC控制硬件、工程环境和网络安全通信等多个层次。换句话说,集成安全关注的是通过单一平台同时实现安全和标准,大大提高了设计、实施和维护效率,相比传统的独立安全系统成本大大降低。在这方面,西门子、罗克韦尔自动化、Pilz、Omron、施耐德电气等走在了市场的前沿。

    西门子安全PLC产品经理李佳肯定了安全集成带来的应用效益,“尤其是在布线成本、兼容性和日后维护改造方面节约了成本。”西门子的S7系列安全PLC从设计上也体现了标准与安全的集成理念——集成的控制器、集成的安全通信协议PROFIsafe以及集成的编程环境Step 7。

 

    来自AB的GUARDLOGIX同样不仅是一个安全控制器,而且是一个兼具安全控制的标准ControlLogix处理器,实现SIL3安全控制。通过RSLogix 5000标准开发环境,同时管理安全与标准功能,工程师无需手动隔离标准功能内存和安全功能内存,也无需担心为实现安全性而必须考虑的逻辑隔离问题。有鉴于这些设计优势,国内知名汽车制造商上汽通用五菱在N300焊装生产线电控系统中,主控PLC采用GuardLogix L62S加Guard I/O模块代替了之前的ControlLogix标准控制器加独立安全继电器与安全元器件硬接线的方式,排除了复杂的安全硬接线,使得故障更加容易查找,从而降低了焊装线的故障率,使汽车焊装生产线运行更加得安全、稳定和可靠。

    2009年,Pilz公司推出了一个全新的自动化系统—PSS 4000,希望为使用者提供一个整合性的解决方案,包括过程控制、安全控制、诊断可视化功能以及运动控制等——这是一个典型的集成安全平台,采用Pilz全新的网络协议SafetyNET p—安全实时以太网,网络配置、PLC编程、运动控制配置、诊断配置、可视化界面编辑等所有功能都集成于PAS4000一个软件界面下,避免使用者在设计自动化系统时,多次安装软件以及频繁地切换软件窗口,减少设计阶段的时间。

灵活多变的安全解决方案

    从普通继电器搭建自锁和互锁功能的双回路,到用安全继电器构建安全回路,再到适合大规模复杂应用的网络化可编程安全PLC,安全控制的方式已经发生了重大的改变。近年来,兼顾功能和价格的独立可编程安全继电器又成为一种安全“新宠”,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,这方面Omron公司的G9SP系列安全控制器和罗克韦尔自动化的SmartGuard 600系列是颇具代表性的解决方案。与其他普通安全继电器不同,可编程安全继电器针对中小型安全应用,通过编辑器自由编程,通过RS232C/以太网或扩展I/O方式与标准控制器集成,设计数据可通过独立存储盒自由扩展到其他控制器,并且直接连接各种安全输入设备。这无疑是一种灵活而经济的安全解决方案。

    覆盖安全输入、安全控制和安全输出的全链安全解决方案也已经逐步完善。施耐德梁峻诚经理说道:“安全产品正在逐渐从简单的单功能安全保护逐渐向集成化、智能化、网络化发展。” 施耐德电气“完整安全链”的理念,正是强调设备安全不是靠简单的安全产品堆砌实现的,而是要靠“安全信息采集环节”“安全型号处理环节”和“安全保护执行环节”构成的“完整安全链”来实现。说到底,是一个系统的概念。

    安全技术的应用需要具有更多的选择和更高的灵活性,由于安全和标准产品越来越多地在控制系统设计中无缝整合,安全性已不再是一个独立的需求,而是同时被完成。面对日益严苛的国际安全准入要求,日益苏醒的国人安全意识,安全的脚步将不会停歇。

    特别感谢:TUV莱茵中国公司、西门子工业自动化、罗克韦尔自动化、施耐德电气中国、欧姆龙中国、Pilz中国公司对本文提供的帮助。

近期即将举办的机器安全活动

    2011年7月20日,《亚洲控制工程》杂志将携手国际第三方权威的安全认证检测机构——莱茵检测认证服务(中国)有限公司,共同在上海召开“2011工业机器安全论坛”,主旨是通过机器安全,保护工厂人员、财产和环境。

    本届工业机器安全论坛,将致力于推动中国机器设备制造商的设计与生产安全理念与企业文化,针对欧盟即将强制实行的新的EN ISO 13849-1, -2:2008安全标准,重点从最新的国际安全认证体系、机器安全与标准控制的集成设计、安全产品应用实践等多个层次,开拓用户的应用思路,并最终为汽车制造、加工机床、电子制造设备、包装机械、印刷机械、起重机械、工程机械、工业机器人、风机制造、物料搬运机械等各个工业用户提供完整的工业机器安全解决方案。详情可访问亚洲控制工程网站www.ceasia-china.com

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