降低机器人风险：如何设计安全的工业环境

工业自动化 (IA) 的增加，特别是工业机器人的使用，增加了操作人员与其他移动设备或移动机器的部件之间发生意外交互的机会。设计人员有责任采取适当的、通常是重叠的安全预防措施，以免造成生产中断、人员受伤甚至死亡等事故。

虽然安全是最重要的，但设计师在设计时还必须密切关注初始成本和总拥有成本。

本文将讨论工厂安全措施最佳实践，并介绍一些用于建立和维护安全工业环境及其应用的技术和产品。

工厂安全影响到组织中的所有人

工业工厂的安全是一个多方面的话题，需要从车间到管理层的所有组织层面的参与。理想情况下，安全工厂是从头开始设计的，但是许多工厂建筑早在自动化技术广泛应用、使用工业机器人和工业物联网 (IIoT) 技术兴起之前就已经存在了。

许多国家和国际安全标准适用于不同类型的工业机械、安全设备和生产流程。其中包括：

• ANSI/RIA 15.06（机器人与机器人系统安全）
• ISO 13856-1:2013（机器安全：压敏保护装置）
• ISO 13849-1（机器安全：控制系统的安全相关部分）
• ANSI B11.19-2003（保护设备和保护员工免于截肢）
• CSA Z432-16（机器维护）

在开始之前，设计人员必须花时间熟悉适用的规范。

开发安全的工厂环境的首选方法分多个层次。这一过程始于对危险的综合识别、评价和分析，并对其相对重要性进行评估。

有几种方法可以减少由此识别的危险带来的风险。实例包括：

• 降低危害的潜在严重程度。
• 提高避免危害的可能性。
• 减少进入危险区域的人员数量，或其暴露时间。

在初步分析之后，下一个阶段是建立危险控制等级，根据有效性和对每个风险的偏好顺序来对这些措施进行评级。ISO 12100:2010（机器安全 – 设计的一般原则）是针对风险降低分级概念和方法的主要标准。

首选的解决方案是完全消除风险，或者使用更安全的替代方案，最大程度地减少意外人机交互的机会（图 1）。例如，安装自动化材料装载系统，替代人工装载操作。

如果这不可行，次一级的最可取做法是增加保护装置，防止危险事件的发生。如果保护装置被激活，它通常会启动一个没有人工输入的自动操作；机器被关闭，或者机器人被禁用，直到操作人员执行手动复位。这类装置的实例包括光幕、联锁和压力垫。

其他的选择不太理想，因为它们需要人的行动作为危险规避的一部分：这些选项包括视觉或声音警报、加强安全培训，以及防护装备，例如面罩、耳塞或手套。

图 1：危险控制等级按照影响和实现方式对保护措施进行分级。（图片来源：SICK）

在改造现有工作区域方面，主动防护装置还有另一个优点：安装速度。它们可在不重新设计工作流程或培训人员的情况下添加到新安全程序中，而这两项工作都需要几个月的执行时间。

设计一个多层方式实现工作单元安全

现代工业工作单元采用多层安全方式：设计人员必须将安全垫、光幕、激光等主动措施与视觉和声音报警指示器结合起来（图 2）。预期的结果是：操作人员收到可能存在不安全情况的警告。如果他们冒险进入险境，几个独立装置就会在灾难发生前关闭作业。

图 2：在一个自动化的工作单元中使用了多种不同的安全装置，这样如果操作人员冒险进入险境，几个独立装置就会在灾难发生前关闭作业。（图片来源：DigiKey）

越来越多的工业网络连接这些装置；数据用于跟踪和记录事件，并确定未来改进的领域。下面，我们将讨论一些主要的安全装置及其应用。

安全垫：传统但仍然有效的解决方案

安全垫是防止员工或轮式机器进入不安全区域的有效手段。通常，一个安全垫使用一个断开开关，当指定的最小重量压在垫子上时，开关闭合。开关闭合会导致产生一个信号，发送到安全垫控制器，控制器再发起一个停止信号，发送到被保护的机器。

Omron Automation and Safety 的 UM5-4836 就是一个很好的实例：它使用了由 24 号钢制成的两个导电板组成了开关（图 3）。30 kg (66 lbs) 的激活力可以闭合开关。安全垫包括集成的四线电缆，它让控制器能够监控故障情况，例如永久断开连接或物理损坏。

图 3：Omron UM 系列安全垫系统包括垫子和控制器，还有各种剪片，用于将垫子固定在地板上。（图片来源：Omron）

多个安全垫可以串联在一起，在机器周围形成一个安全区域。安全区域要与像 Omron 的 MC3、MC4 或 MC6 这样的安全垫控制器结合在一起：MC6 可以容纳最多 6 个单独的安全垫区域。

早在 20 世纪 50 年代，安全垫就一直是工厂中区域保护的标准形式。但要注意，作为一种机电技术，安全垫必然会受到物理、环境和操作上的滥用，并且触头可能因为长期重复使用而磨损。安全垫仍然在现代高度自动化的工厂中被广泛使用。

光幕可以防止进入危险区域

如果设计人员需要隔离危险机器，或者建立一道“看不见的墙”来隔离区域，那么安全光幕就是一个合适的选择（图 4）。光幕包含一系列光电发射器，它们会将同步的平行红外光束投射到匹配的接收单元。当不透明物体进入感应场，遮断一个或多个光束时，接收器会检测到事件，而光幕会向被保护的机器发送停止信号。

发射器模块包含能够发射红外线 (IR) 序列脉冲的 LED。脉冲调制为特定的频率，而接收器中相应的光电晶体管被设计为只检测指定的脉冲和频率。这种技术改善了对外部光源的过滤。

图 4：通过对每个光束轴执行屏蔽控制，光幕可以区分工件和操作人员 (a)。它还可以包括一个盲区动作 (b)，以使永久障碍物被忽略。（图片来源：Panasonic Industrial Automation）

在传送带等应用中，光幕具有屏蔽功能：当一个意想不到的物体通过时，会使生产线停止，但当一件产品通过时，生产线就不会停止。

如果启用屏蔽功能的成对发射器/接收器检测到传送带上的产品（图 4a），它可以禁用指定数量的通道，以防止错误触发。但是，操作人员仍会中断其中一个活动通道，并且引起报警。当屏蔽系统检测到产品已通过时，它会重新启用已经被屏蔽的通道。

另外，盲区功能可以禁用通常阻塞的通道（图 4b），例如被一台设备阻塞的通道。

Panasonic Industrial Automation 的 SF4B 系列光幕包括了针对不同应用优化的多种产品。“H”系列设备的目的是探测手掌大小的物体，光束垂直间距为 20 毫米（0.8 英寸）。例如 SF4B-H28(V2) 有 28 个发射/接收通道，形成一个 500 毫米 (mm) 或 21.7 英寸 (") 高的光幕。该产品的工作范围为 0.3 m 到 9 m。

“F”系列产品的间距为 10 mm (0.4")，可以保护手指等较小的对象。SF4B-F79(V2) 有 79 个传输/接收对，保护高度为 790 mm (31.1")，工作范围为 0.3 m 到 7 m。

SICK C4C-SA03030A10000 发射器及其配对的 C4C-EA03030A10000 接收器组合成为一个 300 mm (11.8") 的光幕，最大工作范围为 15 m（49 英尺）。该公司还提供了一系列的发射器/接收器对，保护高度最高可达 900 mm (35.4")。

激光扫描仪系统可在区域保护方面实现灵活的设计

在过去的几十年里，激光技术也开始帮助改善工厂车间的安全。安全激光扫描仪可提供某个区域的三维保护，并且通过针对危险指定不同的警告和安全带（也称为区域），为设计人员提供更大的灵活性，让他们能够量身定制系统响应（图 5）。

图 5：激光扫描仪允许设计人员设置不同响应级别的多个安全区域。（图片来源：SICK）

一旦在外部警戒区检测到物体或人，扫描仪就会将警告信号发送给听觉或视觉指示器，该指示器会通知他们存在潜在危险。当人员或物体进入内部安全场时，激光扫描仪会发出一个信号来阻止机器人或机器的危险运动。这些区域是可编程的，可以通过对安全扫描仪的输入来动态更改。

安全激光扫描仪使用了“渡越时间”技术。发射器发出一束脉冲激光束，被入侵的物体反射并被接收器检测到。发射与接收之间的间隔时间与扫描仪和物体之间的距离成正比。

集成的旋转镜使脉冲激光束偏转，使该装置能够对周围区域进行扇形扫描。实时测量数据可以通过联网接口传输，以便在需要时进行进一步分析。

例如，SICK 的 S32B-2011BA 安全激光扫描仪使用激光二极管，产生波长为 905 纳米 (nm) 的近红外脉冲。该设备是 SICK 的 S300 系列的一部分，其保护范围为 2 m，警告范围为 8 m。另一款 S300 器件 S32B-3011BA 的保护范围为 3 m。

Omron Automation and Safety 提供的 OS32C 区域扫描仪的监测领域达到 270˚，包括两个独立的预警区域，还有一个安全区域（图 6）。OS32C 可以通过工业 EtherNet/IP 协议进行通信：它可由符合 ODVA EtherNet/IP 标准的产品进行监控，例如可编程逻辑控制器 (PLC) 和工业人机界面 (HMI) 模块。可以传输多种数据，包括系统状态、区域状态、测量细节。

图 6：Omron 的 OS32C 系列区域扫描仪具有多个可编程区域（图片来源：Omron Automation and Safety）

直到最近，激光扫描仪的价格都比安全垫高得多。但是，随着低成本的激光安全扫描仪的推出，从总拥有成本 (TCO) 的角度来看，安全扫描仪的投资回报率 (ROI) 优于老式技术。TCO 分析表明，激光扫描仪在高流量区域尤其具有优势，因为在这些区域，安全垫可能需要定期更换。

其他安全组件帮助“连点成线”

上文讨论的主要安全装置与其他安全组件一起使用，这些安全组件在技术上不是那么复杂，但在工厂安全方面发挥着至关重要的作用。其中包括紧急开关、门锁、照明塔、缆索牵引致动器等。设计人员可在 DigiKey 的安全组件页面上找到更多关于这些产品的信息。

总结

设计安全的工业环境需要多层方法，以采用多种策略来防止不必要的人机交互。

关键是首先要防止人员和设备进入潜在危险区域。安全垫、光幕和安全激光扫描仪在检测入侵和自动关闭机器方面发挥着重要作用，且无需人工干预。