降低机器人风险:如何设计一个安全的工业环境

工业自动化(IA)的增加,尤其是工业机器人的使用,正在增加人类操作员与其他移动设备或移动机器之间的意外交互的机会。设计人员有责任采取适当且经常重叠的安全措施,以避免从生产中断到伤害甚至死亡的后果。
虽然安全至关重要,但设计师仍必须设计并关注初始成本和总体拥有成本。
本文将讨论工厂安全的最佳实践,并回顾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。

工厂安全影响组织中的每个人

工业厂房的安全是一个多方面的话题,需要从组织的各个层面,从车间到行政办公室的参与。理想情况下,安全工厂是从头开始设计的,但许多工厂建筑早于自动化的广泛采用,工业机器人的使用以及工业物联网(IIoT)技术的兴起。
许多国家和国际安全标准适用于不同类型的工业机械,安全设备和生产过程。其中包括:
  • ANSI / RIA 15.06(机器人和机器人系统安全)
  • ISO 13856-1:2013(机械安全:压敏保护装置)
  • ISO 13849-1(机械安全: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(机械安全)
设计师在开始之前必须花时间熟悉适用的规格。
开发安全工厂环境的首选方法有几个层次。这个过程首先要对危害进行全面的识别,评估和分析,并对其相对重要性进行评估。
有几种方法可以降低由此确定的危险造成的风险。例子包括:
  • 降低潜在的伤害严重程度
  • 提高可以避免危害的可能性
  • 减少进入危险区域的人员数量或暴露时间
初步分析之后,下一阶段是开发一个危害控制层次结构,按照每个风险的有效性和偏好来排列这些度量。ISO 12100:2010(机械安全 - 设计的一般原则)是处理分层风险降低的概念和方法的主要标准。
首选的解决方案是完全消除风险,或者用一个更安全的替代方案,以最大限度地减少意外人机交互的机会(图1)。一个例子就是安装一个自动化的物料处理系统来取代手动装载操作。
如果这是不可行的,那么下一个最理想的做法是增加防止危险事件发生的防护装置。如果这样的设备被激活,它通常在没有人的输入的情况下启动自动操作; 机器被关闭,或者机器人被禁用,直到操作员执行手动重置。这种装置的例子包括光幕,联动装置和压力垫。
其他选择不太理想,因为它们需要人为操作作为避免危险的一部分:这些选项包括视频或音频报警,加强安全培训以及保护设备,如面罩,耳塞或手套。
危害控制等级的图像
图1:危害控制层级通过其影响和实施对防护措施进行了分类。(图片来源:SICK)
为了改造现有的工作区域,主动安全装置还有另一个优点:安装速度快。可以在不重新设计工作流程或培训人员的情况下添加新的安全程序,而这两者都需要数月时间才能实施。

设计工作单元安全的多层方法

现代工业工作单元采用多层安全方法:设计人员必须将安全垫,光幕和激光器等活动措施与视觉和听觉警告指示器结合起来(图2)。期望的结果是操作员接收到潜在的不安全情况的警告; 如果他们冒险进入危险的道路,几个独立的设备就会在灾难发生前关闭运行。
自动工作单元中使用的安全设备的图像
图2:在自动化工作单元中使用了各种安全设备,因此如果有人冒险进入危险环境,多个独立设备可以关闭操作。(图片来源:Digi-Key)
工业网络越来越多地将这些设备连接起来。数据被用来跟踪和记录事件,并确定未来改进的领域。下面讨论一些主要的安全装置及其应用。

安全垫:传统的,但仍然有效的解决方案

安全垫是防止人或轮式机器进入不安全区域的具有成本效益的手段。通常,安全垫使用打开的开关,当指定的最小重量压在垫子上时,开关关闭。开关闭合导致到垫控制器的信号,该控制器向被保护的机器发出停止信号。
欧姆龙自动化和安全公司的 UM5-4836就是一个很好的例子:它采用由24号钢制成的两个导电板,共同组成开关(图3)。一个30公斤(66磅)的激活力关闭开关。垫包括一个集成的四线电缆,允许控制器监视故障状况,如永久断开的连接或物理损坏。
欧姆龙UM系列安全垫系统的图像
图3:欧姆龙UM系列安全垫系统包括垫子,控制器和各种装饰件,以将垫子固定在地板上。(图片来源:欧姆龙)
可以将多个垫子串联连接以形成机器周围的安全区域。安全区结合了欧姆龙MC3,MC4或MC6等垫子安全控制器:MC6最多可容纳6个垫子区域。
可追溯到20世纪50年代,安全垫一直是工厂区域保护的标准形式。但是,请注意,作为一种机电技术,安全垫会受到物理,环境和操作方面的滥用,触点可能会长时间反复使用而磨损。尽管如此,安全垫广泛应用于现代高度自动化的工厂。

光幕防止进入危险区域

如果设计人员需要隔离危险机器或封闭“隐形墙”背后的区域(图4),安全光幕是一个合适的选择。光幕由一组光电发射器组成,将一组同步的,平行的红外光束投射到匹配的接收器单元。当一个不透明的物体在感应区域中断一个或多个光束时,接收机检测到该事件,并且光幕向被保护的机器发送一个停止信号。
发射器模块包含发射红外(IR)光的顺序脉冲的LED。脉冲被调制 - 以特定频率脉冲 - 并且接收器中相应的光电晶体管被设计为仅检测指定的脉冲和频率。这种技术改善了对外部光源的拒绝。
区分工件和操作人员的光幕图像
图4:光幕可以通过对每个光束轴进行屏蔽控制来区分工件和操作人员(a)。它也可以包括一个空白行动(b),所以永久的障碍被忽略。(图片来源:松下工业自动化)
在诸如传送带之类的应用中,光幕结合了静音功能,该功能仅在意外的物体通过时才使线停止,而不是当产品通过时停止。
如果屏蔽发射器/接收器对检测到传送带上存在产品(图4a),则可以禁用定义数量的通道以防止误触发。但是,操作人员仍然可以中断一个活动的通道并引发警报。当静音系统检测到产品已经通过时,它将重新启用静音通道。
此外,消隐功能可以禁用通常由一台设备阻塞的通道(图4b)。
松下工业自动化的SF4B系列光幕包括针对不同应用而优化的多种产品。“H”系列设备旨在检测手形尺寸的物体,光束之间的垂直间距为20 mm(0.8“)。例如,SF4B-H28(V2)有28个发送/接收通道,形成500毫米(mm)或21.7英寸(高)的帘幕。该产品的操作范围从0.3米(米)到9米。
“F”系列产品的间距为10毫米(0.4“),可防止手指等小物体的损坏。所述SF4B-F79(V2)提供79发射/接收双为790毫米(31.1” )的保护性和高度具有范围为0.3微米至7微米。
SICK C4C-SA03030A10000变送器及其配套的C4C-EA03030A10000接收器组合成一个最大范围为15米(49英尺)的300毫米(11.8英寸)光幕。该公司还提供一系列高达900毫米(35.4英寸)防护高度的发射器/接收器。

激光扫描仪允许区域保护的设计灵活性

在过去的几十年中,激光技术也开始帮助提高工厂的安全性。安全激光扫描仪可以提供对区域的三维保护,并为设计人员提供更大的灵活性,通过在危险区域周围指定不同的警告和安全带(也称为区域)来定制系统响应(图5)。
用于多个安全区域的激光扫描器的图像
图5:激光扫描仪允许设计者设置不同响应级别的多个安全区域。(图片来源:SICK)
一旦在外部警告区域内检测到物体或人员,扫描仪就会向听觉或视觉指示器发出警告信号,通知他们潜在的危险。当人或物体进入内部安全区域时,激光扫描器发出信号以停止机器人或机器的危险运动。区域是可编程的,可以通过安全扫描器的输入动态更改。
安全激光扫描仪使用飞行时间技术。发射器发射脉冲激光束,被入侵物体反射并被接收器检测到。发送和接收之间的时间与扫描仪和物体之间的距离成正比。
一个集成的旋转镜偏转脉冲激光束,使单位执行周围地区的扇形扫描。实时测量数据可以通过网络接口传输,以便进一步分析。
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。该装置是SICK S300系列的一部分,具有2米的保护范围和8米的警告范围。另一款S300设备S32B-3011BA具有3米的扩展保护范围。
Omron Automation and Safety公司的OS32C区域扫描仪具有高达270˚的监测区域,包括两个独立的警告区域和一个安全区域(图6)。OS32C可以通过工业以太网/ IP协议进行通信:可以通过ODVA EtherNet / IP兼容产品(如可编程逻辑控制器(PLC)或工业人机界面(HMI)模块)进行监控。可以传输各种数据,包括系统状态,区域状态和测量详情。
欧姆龙OS32C系列区域扫描仪的图像
图6:欧姆龙的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,激光扫描仪已经比安全垫贵得多。但成本较低的激光安全扫描仪正在变得可用,安全扫描仪的投资回报率(ROI)与总拥有成本(TCO)方面的老技术相比较。总体拥有成本分析特别有利于高流量区域的激光扫描仪,可能需要定期更换安全垫。

其他安全组件有助于“连接点”

上面讨论的主要安全装置与其他安全部件一起使用,这些安全部件在技术上可能不是很成熟,但在工厂安全方面起着至关重要的作用。其中包括紧急开关,门锁,灯塔和拉线式执行器等。设计人员可以在Digi-Key的安全组件页面找到更多关于这些产品的信息。

结论

设计一个安全的工业环境需要采用多层策略来防止不必要的人机交互。
关键是首先防止人员和设备进入潜在的危险区域。安全地毯,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重要作用,而无需人为干预。
 

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