简化设计分区安全 消除繁琐安全电路

Medalist Manufacturing利用全新分区安全理念提升OEM机器生产率。

美国中西部一汽车装配厂的操作员穿过一台铆接机的安全光幕,该机器能将两个零件铆接起来。机器自动停止;他把第一个零件装入框中;当他离开光幕后,机器重新启动。当机器的该部分工作时,操作员穿过另一个光幕,然后将第二个零件装入铆接机。铆接工序完成后,两个部件被铆接起来,这时将其从机器上拆下。接着准备进入下一个加工周期。

虽然对操作员来说这只是普通的一天,但铆接机正在使用新技术来彻底改变机器的安全性(图1)。

 

安全区域生产率

图1:Medalist的自动铆接机利用分区安全理念,操作员可以在一个区域工作,而机器则在另一个区域运行。

它被称为分区安全理念。它能为机器制造商、设备所有者和运营商带来众多好处。分区安全简化了设计,消除了复杂的安全电路,提高了机器生产率,而且降低了成本。

 

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什么是安全?

在发生碰撞或急刹车时,汽车的安全带能够保护乘客避免因撞上车内物体而受伤。机器人周围的围栏能够保护人员不被机器人伤到。在这些情形中,安防就是保护个体免受环境伤害。安保不允许未授权人员接触设备,从而达到保护设备的目的。

“作为机器总风险降低策略的一部分,设计师通常要通过应用包含一项或多项安全功能的安全防护装置来实现一定的风险降低。”巴鲁夫自动化(上海)有限公司的产品经理马骞先生说道。当前巴鲁夫提供的安全产品系列有:安全HUB 、急停开关、光幕、安全门开关、RFID安全防护锁、RFID安全传感器等等。“针对机器安全,我们还可以提供系统级解决方案,而且兼顾标准与安全自动化。”

马骞,巴鲁夫自动化(上海)有限公司的产品经理

据马骞经理介绍,巴鲁夫的系统级解决方案可以简化客户的安全实施,具体步骤如下:

1.以硬接线方式连接到安全继电器的安全设备。

2.安全PLC实现以一个控制器控制标准设备和安全设备。

3.这一解决方案适用于使用Profisafe的客户,无需另外与接线排接线,也无需使用单独的安全网络(如DeviceNet),更无需使用昂贵的专利电缆。

4.值得一提的是,巴鲁夫将直接在IO-Link上构建安全性 - 立即搭建IO-Link主站,不需要使用安全HUB。

 

更好的安全措施

在位于爱荷华州Pella的Medalist Manufacturing公司,当我们收到订单开始制造自动铆接机时,我们一直在寻找更好的方法以满足现今的操作员安全要求。机器的高循环速率要求操作员每10至12秒进出零件装载区。

制造企业必须保证从事生产设备安装、运行、调整、维护的员工的安全与健康。虽然最终用户负责培训员工的安全工作流程,但OEM必须设计并制造安全且符合政府、行业法规与指令的机器。

作为汽车、包装和材料处理等定制工业设备的制造商,Medalist非常欢迎最新的标准与技术。因此,公司必须满足机械指令的第3类架构以及D级(PLd)的性能水平。第3类架构需要冗余或双通道来实现所需的安全性能:即安全地停止运动。

安全功能的传统设计方法是为装载站的安全回路安装一个阀歧管。进气歧管是一种昂贵的冗余安全卸料阀。必须在第二个装载区安装一个完全相同的安全电路。但是对于双区域机器而言,该设计会排出过多空气,成本高昂,无法满足更高的循环速率要求,因为大多数冗余卸料阀无法满足需求更高的系统。

Medalist转而采用全新的分区安全理念以实现其安全功能的目标。

 

Box Story 2

汽车制造需要先进的安全防护技术 

目前,汽车制造生产线可分为冲压、焊装、涂装和总装四大核心工艺。冲压车间采用大型压力机,若安全防护不够会造成很大程度的伤害;焊装车间机器人的大量使用,提高了生产效率,但安全防护措施更是不可缺少;总装/涂装车间的设备主要以输送带,升降机组成,在安全防护中做到如何区分人和物料就显得尤为重要。劳易测电子贸易(深圳)有限公司的安全专员徐国辉先生解释,“汽车制造生产线中先进的生产设备、工艺,使生产操作人员处于危险之中。因此,需要先进的安全防护技术,以确保操作人员的人身安全,维护企业的利益。”

安全防护必须符合相应的机械指令和安全标准,安全表现分为三大类:A类标准为基本的安全标准,为设计和建造机器需遵从的基本原理,B类标准为通用的安全标准,定义安全相关参数的标准值,C类标准为专用的安全标准,主要考虑怎样设计和建造专用的机器。“根据相应的安全标准,对风险进行评估,分析风险等级,从而选择合适的安全保护等级和防护措施,并进行安全功能设计。”徐国辉先生强调道。

刘震,施迈赛工业开关制造(上海)有限公司总经理 

在他看来,实现整个汽车工艺过程中的设备人身安全性,常见的技术防护措施有物理防护设备和非物理防护设备,物理防护设备是防止或避免身体部位直接触及作业危险点的机械防护设备,可设计为固定式和移动式,包括机械围栏,防护罩,防护门等。非物理防护设备则是通过定时隔离实现保护作用,常见的光电保护装置有:安全光幕/安全光栅,安全激光扫描仪,安全地毯等。

在汽车制造车间,使用光电保护装置代替(机械式)物理防护装置(防护罩、防护围栏栏等),减少进入时间(操作人员无需等待防护装置打开),提高生产效率(节省机器的装料时间),从人类工效学上改善工作场所(操作人员无需操纵物理防护装置);在冲压设备上,压力机的送料,取料口安装安全光幕进行防护,焊装车间的上下料工位,通常安装安全光幕和安全激光扫描仪进行安全防护;在总装/涂装车间,升降机设备的出入口安装带屏蔽功能的安全光幕/安全光栅。

 

分区安全理念 

随着制造商专注于工艺改进,传统的安全系统对生产线生产率与成本的限制越来越明显。其目标是开发低成本的安全电路,它可以安全地停止机器的一部分,而机器的其余部分仍能运行。

为了实现这一目标,ASCO工程师追求更简单、更廉价的安全方法从而在满足机械指令以及ISO13849-1要求的同时提高生产率。

最终他们研发出了具有G3现场总线电子器件的Numatics 503系列分区安全歧管。该技术可以控制并准确禁用多个独立的气动阀组,它们负责控制机器的一部分。使用503系列可以在一个歧管组件内集成两个安全区域,只禁用实现所需安全功能的必要组件的空气与电力:那些有可能接触操作员并对其构成风险的组件。当这些安全电路被启用时,机器的其余部分可以保持工作状态(图2)。

集成的气动安全

图2:该歧管集成了一个标准的非安全气动区域和两个物理上独立的安全区域。

绿色部分=非安全/标准;无光幕,低风险。真空管利用它来移除铆钉轴芯,它还被用于铆钉枪触发导向器。没有需要防护的危险。

粉色区域=1号安全区域;有自己的光幕。

蓝色区域=2号安全区域;有自己的光幕。

由于Numatics 503系列阀歧管平台具有分区安全功能,所以不需要重新设计区域控制或使用安全冗余卸料阀,而且用户可以精心选择阀、附件和流量指标。

Numatics 503系列分区安全阀歧管提供多个安全区域,每个安全电路都具有独立的冗余功能。它还允许一个非安全部分在同一分区安全歧管内共存,充分利用了现有的通信与I/O组件。机械设计师可以利用该气动硬件在歧管内创建多个区域或部分,专用于安全功能。

 

安全地提高生产率 

分区安全法非常适合Medalist的自动铆接机。该应用利用Numatics歧管上的两个安全区域—1号安全区域和2号安全区域—以及一个标准或非安全部分。这台机器的最初设计只有一个安全区域。但Medalist意识到通过增加第二个区域,操作员可以安全地在机器的一个区域中工作,而机器的另一个区域继续运行。这大大提高了机器生产率。

另一个重要优点是简化安全电路设计的能力。它不再需要具有多个会增加复杂性和成本的冗余卸料阀及其他部件的离散安全电路来安全隔离机器的不同操作点。因为不需要丢弃/耗尽整个歧管并等待它重新充满,所以分区安全法可以提高吞吐量。

此外,Medalist利用分区安全歧管满足机械指令的第3类(冗余)要求,同时达到所需的性能水平。

安装过程中没有遇到重大技术挑战。可以从网上获取Numatics的3D CAD模型,它简化了设计与配置。一旦完成以太网映射,安装就很简单了,无需技术支持。Medalist的工程师预计会花费一两天时间来首次配置该应用。不到一小时安全电路就启动了。

ASCO协助Medalist准备文件以验证机器的ISO 13849-1合规性。这项工作包括为Medalist提供ASCO的技术手册,其中引用了遵守ISO 13849要求的案例,以及分区安全歧管的CAD模型。

自动铆接机进行了有限的生产运行以完成检验和测试。虽然操作员不了解全新的分区安全技术,但汽车工厂的管理人员已经认识到它的好处。

对于OEM和设备所有者来说,分区安全简化了设计,降低了成本,同时优化了机器的安全性。最重要的是生产率和资产可用性得到改善,因为用户不必在启用安全电路时关闭整个机器。

 

Box Story 3

提高汽车生产的安全性


徐国辉,劳易测电子贸易(深圳)有限公司Safety Specialist

随着全球安全标准和技术的不断发展,制造安全逐渐成为优化生产的有力工具。工业安全标准和技术的实施不仅有助于促进风险管理和减少伤害,还可以大幅提升制造生产力和效率以及员工的积极性。

任何一台机械都有风险,“在实际生产过程中,我们可以通过严格的生产规章制度、安全培训以及采用安全劳防用具等手段减少人的不安全行为。通过合理的设计、正确的风险评估与分析以及安全自动化控制系统的正确实施等措施消除物的不安全状态。”施迈赛工业开关制造(上海)有限公司刘震总经理表示。

我国的汽车工业正经历着第三次造车浪潮,特别是中国政府对于中国汽车产业转型升级的支持,为中国车企实现弯道超车提供了前所未有的动力。同时,随着国家出台了最新的安全生产法,对于汽车生产中的工业安全也越来越重视。 

在汽车制造业四大核心工艺中冲压车间是应用安全自动化技术最多、要求最高的车间。一条高速冲压生产线由于复杂程度高,保证工艺功能的同时,还必须保证生产线在生产运行、调试、清洗以及维修过程中,不会对工作人员造成任何的伤害。“通常,机器生产商或系统集成商会采用紧急停止装置、安全门防护装置、双手控制设备、安全光幕/光栅、安全控制设备等安全保护装置来保证冲压生产线的安全性。”

施迈赛通过采用定义明确的分析过程,降低了评估机器风险所需的步骤,从而帮助提高安全性,并能够支持员工和机器安全的决策,验证系统在规定的参数和标准范围内运行,达到提高生产安全性而不降低生产效率的目的,保护员工免受伤害,并且保持设备符合最新的安全标准。

文 /CONTROL ENGINEERING ASIA

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