连载 | 工厂智能安全防护系统构建之行业实施案例
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连载目录
- 国内外安全生产的发展历史、现状与趋势
- 工厂智能安全防护系统构建之物理隔离方案
- 工厂智能安全防护系统构建之联锁保护方案
- 工厂智能安全防护系统构建之权限管理方案
- 工厂智能安全防护系统构建之安全预警方案
- 工厂智能安全防护系统构建之行业实施案例
工厂智能安全防护系统构建之行业实施案例
本篇结合智能安全防护系统的设计原则、风险评估的方法，通过常见物流装备的风险评估及几个工厂的项目案例的介绍，进一步说明如何通过物理隔离、联锁保护、权限管理、安全预警几大方案来满足实际项目的需求，供业主方、设备商、集成商在产品设计和工厂新建、改造时参考。
作者：应露瑶 戴闻杰 汪中亨 潘虹蜓
宁波纬诚科技股份有限公司
全国机械安全标准化技术委员会智能制造安全工作组
前言
制造企业往往以“提高生产效率”为主要目的进行工厂新建或改造。安全是关乎效率的重要因素，一旦安全生产管理不好，可能造成人员伤亡损失、财产损失、生产停滞损失、声誉损失、社会责任损失等多方面损失，企业负责人还面临刑事处罚的风险。也有上市公司因为发生人员死亡的安全事故一夜之间市值蒸发几个亿的案例。在安全生产上，企业每年原本就有费用投入的要求。根据《企业安全生产费用提取和使用管理办法》的规定，以一家年营收10亿元的机械制造企业为例，当年在安全生产上的投入需要达到290万元。而一旦发生安全生产事故造成人员伤亡，直接赔付金额也往往高达数百万元。从经济性、社会责任等多种角度来看，前期投入都要优于事后赔付。因此，构建全面的安全防护系统，应该成为智能工厂规划的题中之意。
智能工厂的安全防护系统设计应遵循两大原则，一是充分考虑标准符合性，二是兼顾适用性与可迭代性。在详细介绍过机械安全标准体系，风险评估的方法——物理隔离、联锁保护、权限管理、安全预警几大方案之后，本篇将以常见的物流装备为例，介绍如何进行设计阶段的风险评估，并选取几个典型项目案例进行分析，介绍项目中方案的具体设计，供业主方、设备商、集成商在产品设计和工厂新建、改造时参考。
PREFACE
常见物流装备的风险评估及防护方案
常见的物流装备，如码垛机器人、输送机、提升机、堆垛机，设备本身及设备组合使用时的工作区域，都有设备或行业标准的安全要求。随着业主对安全生产重视程度的提高，或部分设备企业及集成商开始拓展海外业务，对设备安全性能及方案安全设计的要求也在不断提高。下文以堆垛机为例，进行风险评估及方案设计。注意，本篇选取了某项目中使用的一款堆垛机产品参数，具体的评估内容及方案设计，根据设备参数的不同，不能一概而论。
表1 机械制造业安全生产费用提取标准表
为了完成风险评估和风险减小，设计者应按下列顺序依次采取措施：确定机器的各种限制，包括预定使用以及任何可合理预见的误用；识别危险及其伴随的危险状态，对每一种识别出的危险和危险状态进行风险估计；评价风险并决定是否需要减小风险；采取保护措施消除危险或减小危险伴随的风险。
图1 常见的堆垛机类型
第一步,确定该堆垛机的各类限制
1.使用限制
a. 操作人数：1人
b.机器运行模式：全自动/半自动/手动
c.使用者的预期培训水平：操作人员/维护人员或技师
d.暴露于可合理预见的与机械有关危险的其他人员：操作人员/管理人员
2.空间限制
a. 堆垛机高度约25m，行程约40m。巷道宽约2m。
b. 人机交互的空间要求及人机交互方式：
· 操作人员手动操作外部控制面板；
· 维护人员定期检查运动件是否锈蚀、润滑油是否充足、限位开关是否失灵、钢丝绳是否损坏等；
· 维修人员更换金属结构件、焊缝重焊、更换部件、试运行等。
c.“机器-动力源”接口：电控柜
堆垛机高度将影响危险源高度参数，影响安全围栏的高度的选择；操作人员在手动控制堆垛机时也有高空坠落的风险，人员需正确佩戴PPE避免高空坠物的伤害；巷道宽度约2m，人员可轻松进入巷道内，有人员在巷道内堆垛机意外启动伤害人员的可能性，应考虑各类存在检测系统；巷道长度将直接影响各类存在检测系统的选型，如安全光栅、安全扫描仪等。
3.时间限制
a. 推荐的维修保养时间间隔：每月1-2次
b. 设备运动速度：中
4.其它限制
a.操作环境：常温/低温；常亮/昏暗
b.工作电压：380V
c.控制系统：PLC
第二步,识别危险及进行风险估计、风险评价人员的作业类型有：
——设备控制面板操作；
——设备维护维修；
——登高盘库。
堆垛机自带的安全保护有：
——货叉与堆垛机水平行走、垂直升降的联锁；
——限制货叉在货格内微升降的行程；
——入库时货格内虚实探测；
——钢丝绳松绳和过载保护；
——货物位置和外形检测；
——声光信号；
——失速保护装置；
——货叉力矩限制器。
堆垛机的机械危险如表2所示。
表2 堆垛机械危险识别表
用HRN值法对堆垛机进行风险评估，评估结果如表3所示。
表3 堆垛机风险评估表
图2 堆垛机机械危险识别表
对应的风险评价结果为，非常高的风险，需要把风险降低到可接受的程度，根据安全功能性能等级确定的方法，确定需要达到PLd的性能等级。常规方案设计见图3。
图3 用于确定安全功能要求PLr的风险图
表4 堆垛机安全功能性能等级要求
码垛机器人、提升机、输送机等机器的风险评估方法与堆垛机类似，本文不详细展开。参见图5。
图5 场内物流安全防护方案系统构成
智能安全防护系统实施案例
应按照GB/T 15706－2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》的规定，展开风险评估，针对风险评估的重大危险，首先通过本质安全设计措施减小风险，如果不能达到充分的风险减小，可以考虑进行风险预警系统的引入。是否能引入风险预警系统，一是考虑技术可行性，主要是机器能否通过数字化监测的方式获取信息；二是考虑经济可行性，要进行成本效益分析。风险预警的流程，以预警检测环节提供的信息为输入，进行相应的风险值计算后，确定风险预警级别，发布预警信息，根据预警级别给出对应预警措施，将风险降低到可接受的水平，最后解除预警措施。风险预警的流程如图4所示。
图4 堆垛区域显著风险点及安全防护方案
项目一：某大型金属加工企业产线安全防护项目（隔离+联锁+权限+预警）
该项目的主要设备类型为大型的焊机与轧机，产线自动化生产程度高，部分工位的上下料及转运需要人工辅助操作。
产线及输送线区域，用安全围栏进行安全域与危险区的隔离，产线区域围栏高度2m，输送线区域围栏高度1.2m，槽型开口尺寸20*100mm，符合GB/T 23821规定的越过防护结构触及的安全距离及通过规则开口的安全距离的要求。
在设计安全回路时应充分考虑现场实际工况与安全评估结果，根据安全评估得出现场所需性能等级为PLe，在实际设计时不应低于此等级。
安全开关选用了德国EUCHNER公司的MGB系列，带防护锁定类型,性能等级可达PLe。考虑到现场设备停机时间较长，为了防止发出停止信号后设备因为惯性对人员造成伤害的可能，所以增加了“申请进入按钮”进行配合。人员需使用“申请进入按钮”使设备进入停机状态，等待设备完全停止后控制安全门锁解锁，人员方可进入。
安全光栅选用了德国SICK公司的C4C系列。光栅的安装位置离危险源较远，主要用于防止人员意外进入危险区域，因此安全光栅的光轴间距选用的是身体防护类型（另外两种分别为手指防护与手掌防护）。光栅最低光轴离地不高于250mm，防止人员通过从下方爬入危险区域。
安全控制系统选用了德国Siemens公司的1500F系列，可同时运行安全程序与控制程序。安全控制器与安全开关和安全光栅采用双回路连接，安全控制电路不低于Cat4。
权限管理应用在仓储区域，主要防止现场未经授权的人员进入高价值货区。现场采用的是人脸识别和安全开关相配合的形式，使用人脸识别代替原有的申请进入按钮。当人员有权限时可以通过人脸识别解锁安全开关，进入仓储区域。安全开关与仓储区内的搬运设备、输送机等作安全联锁。此方案在不降低性能等级的情况下，为安全控制系统增加了权限管理功能，极大地保护了高价值货物的安全。
业主对安全生产管理积极探索创新，选取其中一个车间进行AI预警项目试点，对区域越线、人员陷入危险区、安全帽与工作服穿戴这几种不安全行为进行识别。识别到人员有区域越线行为，则触发声光报警；不穿戴安全帽与工作服，则不予授权进入；人员陷入危险区，则安全门无法复位，设备不予启动。
图6 安全门方案 图7 焊装工位示意图（非该项目实景）
项目二:某汽车制造企业焊装工位安全提升改造项目（隔离+联锁+预警）
该业主为国内汽车制造企业，吸取今年业内一起事故的教训，提出了用技术手段降低因员工未执行LOTO挂锁程序而造成事故的风险的需求。
这起事故在汽车行业的作业场景较为典型。2023年初，某全球知名电动车企业在中国的工厂内发生一起安全事故，造成1名31岁男性员工死亡，直接经济损失270万元。经调查，事故原因是事故员工未按照公司规定的LOTO程序进行挂锁，直接进入到工作站区域内作业，而与之交接班的另一位员工，未确认工作站区域内是否有人，直接拿掉自己的挂锁关闭安全门，设备复位启动，导致悲剧发生。
方案设计保留工作站原有围栏及安全门，通过使用AI人员防陷入系统对安全门进行改造升级，使其能自动检测人员进入和离开，并统计出工作内部的滞留人员。设备安全门上布置三色灯条用于警示人员滞留情况。相关信号同步给设备的控制系统，若工作站内部有滞留人员则设备无法启动。
图8 焊装工作站防陷入方案设计
项目三：某大型制药企业安全提升改造项目
该业主为某外资制药企业，企业的EHS部门敢于探索与实践，不断尝试用新的技术手段提升内部的安全水平。
场景一，立体库堆垛机巷道区域+包装码垛区域（隔离+联锁+权限+预警）
图9 立体库区域示意图（非该项目实景）
（1）包装码垛区需求点
实现管控区域内有人则安全门无法上锁；视觉识别判断区域内人员存在，防止人员陷入；增强现有LOTOTO流程管理；不干扰现有Trapped key联锁。
（2）巷道区需求点
对原有使用机械锁的安全门进行安全升级，实现巷道穿梭车区域授权进入管理；增强现有LOTOTO流程管理，通过人员计数，判断区域内人员存在，防止人员陷入。
图10 场景一方案设计
场景二，楼梯区域（预警）
需求：基于AI技术，对楼梯区域进行实时的机器识别检测，准确检测出画面中人员上下楼是否扶扶手，引导员工规范上下楼行为，减少楼梯跌倒事故。人员生物信息图片需进行遮挡模糊化处理。
结语：安全生产受重视程度不断提升，企业不断通过本质安全、工程技术、安全管理几种方式来提升内部的安全水平。用工程技术的手段来替代管理手段，更多运用基于人工智能、物联网、大数据的产品和方案，减小对人的主动行为的依赖程度成为发展趋势。企业应结合本企业的安全生产水平现状，制定合理目标，选择合适的方案与服务商。
图11 场景二方案设计
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
本文内容源自《物流技术与应用》2023年12期，有删改。
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