安全自动化时代到来
日期：2008-10-19 21:10:24 来源：本站整理
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随着自动控制技术在机器设备中的大量应用，机器设备的运转速度以及生产效率都得到大幅提升，与此同时，机器复杂程度的提高也可能会因为操作人员的失误引发意外事故。根据美国职业安全与健康研究所(NIOSH)的调查，与机器设备相关事故的致命率仅次于机动车辆相关的事故。生产现场发生事故除了会导致人身伤害，还会带来因停机、检修以及起诉赔偿带来的经济损失。RockwellAutomation发布的《提供安全的价值》白皮书(http://designnews.com.cn/0808-516.aspx)中指出：“对于制造商来说，进行预先性的安全措施将带来长期的收益。安全措施将保护员工以及公司底部生产线，因为减少意外和安全事故将提升士气，而且更少的设备停工时间就
意味着更好的生产。”
大多数最终用户和机器设备制造商都已经认识到加强机器安全的好处，除了保护操作人员免收伤害外，减少机器停机时间、加速上市以及减少起诉都可以降低企业的运营成本。然而保证机器设备和操作人员的安全并不只是加装一个急停按钮那么简单。不同的企业或者设备有不同的安全需求。对于一台机器或者整个工厂的设计，首先要确定当前或者发展中可能存在风险的等级，通过评估、设计、选择、验证以及维护等一系列程序来建立真正安全的生产环境，这些都要遵循相关的国际安全标准和规则。
安全标准与风险评估
在进行机器的安全防护设计时，首先进行的风险评估包括几个方面：研究相关的标准和指令;认知机器设备的危险性;在机器的生命周期的各个阶段对可能出现的危险进行检查;风险的预估;风险减少的方法。通常来讲，风险评估的流程可以用下图来表示。
国际上与机器安全控制相关的标准有EN 954-1、EN ISO 13849 和IEC62061。SCHMERSAL 公司的刘有奇博士介绍说：“EN 954-1 是老的欧洲机器控制系统安全标准，也是目前设计工程师进行风险评估时参考最多的指令。可以根据潜在危险出现的频率，可能造成的受伤程度以及可预防性等因素进行分析，来判断机器(或者某一部分)的危险等级。”EN954-1将危险等级分为B、1、2、3、4五个等级，等级4为最高的危险等级。控制等级分为4 级，安全控制等级必须大于等于其危险等级。
“新的安全控制标准EN ISO13849-1 在2009年12月将会取代EN 954-1 强制执行，但目前处于过渡阶段，EN 954-1还继续有效。”刘博士补充说。
EN ISO 13849-1 的全称是机器的安全——控制系统有关的安全部件。Pilz 公司的黄之炯经理介绍说：“这个标准将会帮助我们量化的判断硬件系统的安全性。其安全等级通过P L r(Required Performance Level，对于每一个安全功能，达到所要求的风险减少的水平)来评定。”新的标准甚至还考虑到安全控制系统中所用到的安全器件本身的安全性和可靠性，比如元件的使用年限等问题，这在EN954-1中是没有体现的。“另一个安全标准IEC62061 的全称是针对机器领域的电气/电子/可编程电子系统的功能安全。其安全等级通过SIL(Safety Integrity Level)安全完整性来评定。” 为了让设计工程师可以轻松地根据新标准执行系统化的程序，Pilz公司专门开发了一款软件工具PAScal安全计算器，它可以计算机械设备安全功能的PFH D 值。根据EN ISO 13849，将用制定的性能指标对结果进行验证，或根据EN IEC 62061，采用安全完整性级别进行验证，并列出需要采取的所有措施，通过图例向用户显示何处可能需要提高安全等级。
目前国内安全相关标准基本参考国际相关标准制定。SCHMERSAL公司的王廷琪先生说：“由于国内存在很多行业性的标准，国内用户在参考国际标准的同时，也会参考相关的行业标准。”
对于设计工程师来讲，应该考虑尽可能在机器的设计上把危险减少到最少。“根据相关的标准对机器进行过危险性分析后，需要按照三个思路来减少事故的可能性：在设计机器时将可能出现的危险降低到最少;对于无法避免的危险，采取必要的安全保护措施;对用户进行培训，避免剩余危险可能导致的伤害。” 黄之炯说。
安全集成系统
给机器设备加装安全光栅、急停按钮等安全元件是经常采用的安全防护的方式。在机器正常运行时，电源处于开通状态，一旦出现非正常运行状态，比如操作员越过安全光幕或者按下急停按钮，电源就会马上切断。多数情况下，这种简单的开断方式可以挽救操作员生命和保全肢体。但是这种传统的安全系统也有一些缺点，比如需要大量的硬接线和机柜空间将所有的继电器、急停按钮、控制器和传感器连接起来。
这种传统的硬接线方式的安全系统独立于原有的负责机器运行的控制系统，通常后附加上的。Rockwell Automation公司的安全专家Dan Homebeck 说：“它就像是一个‘黑盒子’，这种安全系统被附加上去而不是与其他的控制系统一起设计的。”
Siemens 公司的李佳说：“早先的解决方案是将标准系统和安全系统相互独立，而安全集成系统是将标准系统和安全系统合二为一。”
安全集成系统的基本原理与传统的硬接线系统一样，能够感知非正常工作状态并采取动作，但是安全集成系统与机器的
标准控制系统共存，他们共享一个数据网络，安全集成系统的逻辑在原有的自动化系统和运动控制硬件上运行，比如PLC 和智能驱动器。
据Bosch Rexroth 公司的RichardHuss 先生介绍，将安全技术集成到伺服驱动系统中能够提供最短的反应时间(不到2msec)，并且易于安装从而减少了OEM 设备制造商的工作量。Safe Motion通过设定轴参数(如选择机器状态中的扭矩和速度)来限制轴运动。与安全相关的数据在两个有独立微处理器的通道中被传输和处理。当发现某个通道中有监视参数存在误差时，驱动系统就会进入安全模式。
“安全集成系统可以带来更高的生产效率，传统的安全系统在机器非正常运行情况下，会切断电源，让设备停机或者部分设备停机，而安全集成系统的功能不一定要设备完全停机，而是通过让设备运转的速度降低，对操作人员不会造成人身伤害。”B&R 公司的上官小晶先生说。B&R公司推出的一套全集成安全系统解决方案是以SafeLOGIC为安全控制器， 以工业以太网Ethernet POWERLINK 为安全现场总线的安全控制系统，还包括SafeIO、安全电源、安全伺服、安全设计软件等安全产品。“我们可以在标准的IO组中加上内嵌安全功能的IO 模块，通过编程组态来实现安全控制而不是硬接线。由于安全集成系统与原有的自动化系统共享一个数据总线或者一些硬件，系统的数据传输和处理速度都可以大幅度提高，同时还节省了大量布线、安装、试运行和维护的成本。”
更多致力于安全自动化的供应商，比如Siemens 和RockwellAutomation也提供相应的安全集成系统，Rockwell Automation全系列的安全产品包括现场安全检测产品(光栅、地毯等)、互锁开关、安全继电器、急停装置、安全PLC、安全接触器、安全变频器、安全运动控制器以及安全网络等涉及感应输入、信息传送、逻辑控制、输出执行等各环节产品。通过Allen-Bradley GuardLogix 系统，用户可以将SIL3安全控制嵌入到ControlLogix 平台内，使系统同时实现安全和标准控制功能。据Siemens公司的李佳介绍，Safety 安全集成解决方案可以提供最大化的安全解决方案，从传感器通过评估到设备或系统的安全控制系统。
安全自动化的未来
对于中国的机器设备制造商来说，考虑更多的仍然是成本问题，额外增加安全功能的投入无疑会使自己的利润空间降低。很多企业只是在出口到国外的机器或者用户提出安全防护需求时，才会考虑增加安全措施。
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大多数最终用户和机器设备制造商都已经认识到加强机器安全的好处，除了保护操作人员免收伤害外，减少机器停机时间、加速上市以及减少起诉都可以降低企业的运营成本。然而保证机器设备和操作人员的安全并不只是加装一个急停按钮那么简单。不同的企业或者设备有不同的安全需求。对于一台机器或者整个工厂的设计，首先要确定当前或者发展中可能存在风险的等级，通过评估、设计、选择、验证以及维护等一系列程序来建立真正安全的生产环境，这些都要遵循相关的国际安全标准和规则。
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安全标准与风险评估
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国际上与机器安全控制相关的标准有EN 954-1、EN ISO 13849 和IEC62061。SCHMERSAL 公司的刘有奇博士介绍说：“EN 954-1 是老的欧洲机器控制系统安全标准，也是目前设计工程师进行风险评估时参考最多的指令。可以根据潜在危险出现的频率，可能造成的受伤程度以及可预防性等因素进行分析，来判断机器(或者某一部分)的危险等级。”EN954-1将危险等级分为B、1、2、3、4五个等级，等级4为最高的危险等级。控制等级分为4 级，安全控制等级必须大于等于其危险等级。
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对于设计工程师来讲，应该考虑尽可能在机器的设计上把危险减少到最少。“根据相关的标准对机器进行过危险性分析后，需要按照三个思路来减少事故的可能性：在设计机器时将可能出现的危险降低到最少;对于无法避免的危险，采取必要的安全保护措施;对用户进行培训，避免剩余危险可能导致的伤害。” 黄之炯说。
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安全集成系统
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给机器设备加装安全光栅、急停按钮等安全元件是经常采用的安全防护的方式。在机器正常运行时，电源处于开通状态，一旦出现非正常运行状态，比如操作员越过安全光幕或者按下急停按钮，电源就会马上切断。多数情况下，这种简单的开断方式可以挽救操作员生命和保全肢体。但是这种传统的安全系统也有一些缺点，比如需要大量的硬接线和机柜空间将所有的继电器、急停按钮、控制器和传感器连接起来。
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这种传统的硬接线方式的安全系统独立于原有的负责机器运行的控制系统，通常后附加上的。Rockwell Automation公司的安全专家Dan Homebeck 说：“它就像是一个‘黑盒子’，这种安全系统被附加上去而不是与其他的控制系统一起设计的。”
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Siemens 公司的李佳说：“早先的解决方案是将标准系统和安全系统相互独立，而安全集成系统是将标准系统和安全系统合二为一。”
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更多致力于安全自动化的供应商，比如Siemens 和RockwellAutomation也提供相应的安全集成系统，Rockwell Automation全系列的安全产品包括现场安全检测产品(光栅、地毯等)、互锁开关、安全继电器、急停装置、安全PLC、安全接触器、安全变频器、安全运动控制器以及安全网络等涉及感应输入、信息传送、逻辑控制、输出执行等各环节产品。通过Allen-Bradley GuardLogix 系统，用户可以将SIL3安全控制嵌入到ControlLogix 平台内，使系统同时实现安全和标准控制功能。据Siemens公司的李佳介绍，Safety 安全集成解决方案可以提供最大化的安全解决方案，从传感器通过评估到设备或系统的安全控制系统。
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安全自动化的未来
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对于中国的机器设备制造商来说，考虑更多的仍然是成本问题，额外增加安全功能的投入无疑会使自己的利润空间降低。很多企业只是在出口到国外的机器或者用户提出安全防护需求时，才会考虑增加安全措施。
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