传感器

工业安全技术的发展和应用

2007年07月13日

　　1 安全的必要性

　　为什么要采用安全的产品，设计，技术？先来看一看安全的反面：事故。事故会导致什么样的额外成本或者损失？通过下面的罗列可以发现，事故的损失通常远远超过我们的想象。事故的所有成本就如一座漂浮的冰山。

　　10%的冰山部分是在海平面以上的，是可见的。它们包括伤害的成本恢复，雇主的责任，第三方责任等，而另外90%的冰山部分是在海平面以下的，是不那么显而易见的。这些损失主要包括：

　　材料损毁

　　机器与工具受损

　　生产延误

　　整理工作

　　支付伤害费用

　　加班费用

　　额外的行政工作

　　临时工费用

　　罚款

　　法律顾问

　　公司形象负面影响

　　事故原因的调查与询问工作

　　现在从正面来看待安全，就是说，安全会给人们带来什么益处？下面列举一些安全能够给予人们的回报：

　　减少停机时间

　　稳定的生产

　　强制的规则

　　品质标准

　　易诊断

　　高可靠性

　　在法律诉讼中处于有利的位置

　　法律保护

　　责任感

　　全面的声誉

　　个人和机械的安全

　　生产

　　长的使用寿命

　　维护保养

　　安全产品

　　良好的商业意识

　　出口机会

　　CE认证
　
　　2 如何才能得到安全的设备

　　安全的必要性明确以后，下一个问题就是，怎样的设备是安全的？如何才能得到安全的设备？

　　判断设备的安全与否，第一的准则是国家和地区的安全标准。通常人们可以看到标语或口号：安全第一。实际上这不太符合逻辑，因为没有绝对的安全。安全必定要受到技术发展现状的限制，以及经济上成本的限制。随着全球经济一体化地深入，中国已经完全融和到世界经济中。其结果是大量合资企业将欧洲的安全标准随着设备带入国内，同时我国的大量机电设备出口到欧洲，都必须面对欧洲的安全标准。笔者希望和大家分享对机械设备安全控制的认识，利于对设备的消化吸收和技术进步。

　　按照欧洲标准，要得到一个安全的设备，必须遵循一下的步骤：标准的选择，风险评估，风险减少和安全电路设计。按照欧洲安全标准，“制造商有义务来评估鉴别其机器所带来的危险，制造商必须考虑其评估，从而来设计和建造他的机器”。

　　2.1 风险评估（依照欧洲安全技术标准：EN 9541）

图1 风险评估示意图

　　图1中，S表示伤害的程度：1＝轻伤，2＝重伤或死亡；F表示面临危险的时间和频率：1＝从无到经常发生，2＝从经常发生到持续发生；P表示避免危险的可能性：1＝在特定条件下可能，2＝几乎不可能。

　　2.2 风险减少的步骤

　　(1) 通过设计减少风险（一般主要是通过设计消除危险的隐患，如减少引起危险的力或速度，通过优良的人类工效学设计）；

　　通过设计来避免危险的接近。

　　(2) 采用安全防护措施

　　带互锁装置的可移动安全门（必须使用安全的控制回路）；

　　固定的安全门（符合相关的规格和颜色等）；

　　光栅（必须使用安全的控制回路）；

　　安全地毯（必须使用安全的控制回路）；

　　紧急停止设备（必须使用安全的控制回路）；

　　双手控制（必须使用安全的控制回路）。

　　(3) 实施个人保护措施，比如听力保护、安全眼镜、防毒面具、采用适当的劳防设备等。

　　(4) 采用通过通知和警告提示信息，固定的危险标志，创建安全工作流程，培训使用者等。
　　
　　2.3 安全系统的设计和器件

　　根据上文中风险评估得出的等级，在表1中列出了对应所需要的期间和安全系统的要求。

　　系统中的安全输入信号主要有急停按钮，光栅，安全门，安全地毯和安全缓冲器，双手按钮等。安全输入设备的基本要求是可靠地给出有关安全的指令和信号。同时其设计要利于安全控制系统检测出其自身的故障和外部接线等故障。

　　安全系统的主要部分是控制电路。控制电路可以由安全继电器搭建而成。安全继电器是工程人员都熟悉的产品，对安全继电器的基本要求是：继电器必须可靠切断，甚至在内部触点焊死的情况下，也可以将电源从负载安全的移去，同时通过内部线路，可达到自监视、冗余、反馈等安全功能。安全继电器在小型的系统中是理想的器件。它易于理解，不需要太多的知识和工具。但安全继电器的灵活性不够好，当系统的规模变大，安全逻辑变得越来越复杂时，采用安全继电器就会使得安全系统变得过于庞大，大大加大设备的设计和调试周期和难度。这时就必须采用安全可编程控制器及安全总线系统。

　　安全系统的终极目的是当系统出现异常时有效切断负载，从根本上消除危险动作的可能性。根据危险等级的不同，需要采取单回路接触器，或者冗余接触器、冗余接触器带反馈回路检测等。

　　不可否认的是，安全系统的设计增大了自动控制系统的复杂性和系统成本。当安全系统逻辑功能确定的情况下，输出部分的增加会显著增加设备的成本。因此，如何有效地设计系统，直接关系到安全系统的广泛应用。

　　3 有效设计系统的输出

　　安全系统，无论是采用安全继电器，还是采用安全可编程控制器，在逻辑上和一般的自动控制逻辑没有太大的区别。安全系统和一般自控系统的不同，主要在输出上。安全系统的输出必须在系统出现异常时，可靠切断负载。比如电机的电源回路上会串联两个受安全系统控制的接触器，一方面提高切断能力，另一方面，可以实现互相的监测，保证对单一故障的及时检测。

　　3.1 负载电压

　　在设备的电气控制系统中，需要划分安全控制和PLC控制。

　　所有与安全相关的控制，必须在安全控制中实现。比如紧急停止的控制就包含在安全控制中。

　　在PLC中，功能的控制是通过输出来实现的，这些输出由对应的安全控制来接通和断开。这种接通和断开是通过负载电压来实现的。

图2 负载电压示例

　　图2是一个负载电压的示例。从图2中可以看出，当急停按钮被按下，或者安全门被打开时，对应回路的输出电压（负载电压）被安全切断。此时不论PLC部分的信号如何，都不会有任何危险的动作被激活。

　　3.2 负载电压的分级

　　有的系统的规模很大。比如一个典型的大型冲压设备，它有18个急停按钮、15扇安全升降门、11扇安全门、6套安全光栅、12台激光扫描器和24块废料槽盖板；设备具有调整模式、自动模式、换模模式等不同的运行模式。在不同的模式及不同的安全输入情况下，需要作出不同的安全反应。合理的安全反应是在确保安全的情况下，尽可能提高设备的利用率。也就是说，不能够在异常的情况下，把所有的负载电压一断了之。而是要根据安全逻辑的结果，有针对性的切断。

　　但是如果过于追求细化，势必使得系统的输出变得格外庞大。特别是当人们考虑设备的规模时，大型冲压设备的典型规模是，60米长，地面上12米高，地下8米深，电柜平台100米长，输出点超过1000个。如果不进行合理的设计，要兼顾安全和合理的系统规模和成本根本没有可能性。

　　根据对设备安全功能的分析，在设备中起主要作用的是主开关、控制电源开关、驱动开关、急停、安全门等。在这些安全输入的组合之下，将负载电压分为多个级别。这样在硬件设计时，按照不同输出所必须的安全条件，接到对应级别的负载电压上。从而大大减少系统的复杂性，使得系统结构明晰。

　　一个典型的负载电压划分如表2所示。

　　当一个负载接在P2之上时，如果按下急停按钮，由于P2被切断，该负载的电源被切断，不会有任何动作；但安全门的开启对该负载就毫无影响。