连载 | 工厂智能安全防护系统构建之联锁保护方案

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连载目录

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• 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联锁保护方案

在物理隔离的基础上加装各种保护装置，与机器构成了联锁系统。本篇介绍了如何根据风险评估的结果来设计主要基于隔离和联锁的安全防护系统，联锁保护方案的构成，联锁保护方案的设计要点及其在安装、使用、维护等环节中的注意点，供工厂、设备商、集成商等相关人员参考。

作者：应露瑶 戴闻杰 潘虹蜓

宁波纬诚科技股份有限公司

编辑、排版：罗丹

前言

上期文章围绕工厂智能安全防护系统四大方案中的物理隔离方案，介绍了方案的构成，设计要点以及在采购、安装、使用、维护、拆卸等各环节中的注意点。物理隔离方案是机械安全领域智能安全防护构建的基础，而联锁保护方案，则是在这一基础上，加装各种保护装置，与机器构成联锁系统，以避免设备的意外启动或危险运动造成对人的伤害。整个联锁系统要实现应有的功能，需要进行诸多要素的考虑，如，物理隔离采用什么具体方案，保护装置如何选择，机器的控制系统要达到怎样的要求。这些要素的考虑依据，则是风险评估的结果。本篇中，首先引入风险评估的概念，再对联锁保护方案进行详细介绍。

PREFACE

什么是风险评估？

前文提到，为了实现安全生产，智能工厂要进行安全防护系统的设计，设计遵循的首要原则就是标准符合性。机械的设计制造，也要遵循安全相关标准。机械安全唯一的A类标准GB/T 15706－2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》是机械安全标准体系中所有标准的基础标准。该标准为机械设计者提供总体框架和决策指南，使机械在其开发阶段能够设计出在预定使用范围内具备安全性的机器。对于设备制造商来说，机器设备的风险评估是机器设备安全生命周期的基础，是制造商遵循机器设备制造准则具有法律效力的证明，以及制定涉及机器设备功能性安全的合同中所规定的技术性能说明的依据。机械安全评估应在设计阶段就开始，相较于机械已经设计完成或已经制造完成后追加保护或减小风险的措施，设计阶段的措施更为经济和有效。

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，参见图1；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 危险的类型

风险评估从机械限制的确定开始，确定机械限制时需考虑机器全生命周期内的所有阶段。一般需考虑使用限制（如使用者的预期培训水平）、空间限制（如运行和维护期间人机交互的空间要求）、时间限制（如机器某些组件的寿命限制）和其他限制（如被加工物料的特性）。在确定机械限制后，风险评估的基本步骤是：系统识别在机器生命周期所有阶段可合理预见的危险（永久性危险和意外突发危险）、危险状态和/或危险事件。危险识别后，应通过确定风险要素——伤害的严重程度和伤害发生的概率，对每种危险状态进行风险估计，参见图2。其中，伤害的严重程度又与暴露于危险状态的人数、危险事件的发生概率以及避免或限制伤害的可能性相关。风险估计的常用的方法有风险矩阵法、风险图法、风险数字分级法（HRN）等，不同的方法都能将风险要素进行定性或者适当的定量估计，得出风险的数值或等级，为风险评价提供必要的信息，以最终判断是否需要减小风险。

图2 风险要素

风险评价如果确定需要减小风险，则应根据风险减小迭代三步法进行风险的充分减小，参见图3。第一步，本质安全设计措施。即，通过适当选择机器的设计特性和/或暴露人员与机器的交互作用，消除危险或减小相关的风险。第二步，安全防护和/或补充保护措施。一旦通过本质安全设计措施，可能无法合理消除危险或充分减小风险，则应使用防护装置和保护装置来保护人员。可能不得不采用包括附加设备（如急停设备）在内的补充保护措施。第三步，使用信息。尽管采用了本质安全设计措施、安全防护和补充保护措施，但风险仍然存在时，则应在使用信息中明确剩余风险。

图3 风险减小过程迭代三步法

通过安全防护和补充保护措施的方法减小风险，就是使用防护装置、保护装置和补充保护措施的附加设备来保护人员，对应到本连载中介绍的物理隔离、联锁保护、权限管理和安全预警的方案。这些方案的设计都要以达到预定的风险减小为目标，对于风险估计时的不同的风险等级或数值，有不同的设计要求。安全防护的实施有两大原则，分别是隔离原则和停止原则。通常优先选用隔离原则，当隔离不能实现充分减小风险时，可选用停止原则，或同时使用隔离原则和停止原则。隔离原则指通过物理屏障在空间上使人体或人体部位无法接近或进入危险区；停止原则指在人体或人体部位进入危险区之前，触及或触发安全防护装置，使机器的危险运动停止。上篇介绍到的物理隔离方案使用隔离原则，本篇介绍的联锁保护方案使用停止原则。安全防护的使用也有可遵循的流程，如图4所示。

图4 实施安全防护的流程

什么是联锁保护方案？

上一篇中已经介绍，物理隔离方案主要是应用围栏这一固定式距离防护装置进行人机物理隔离，防止人员非预期的进入和机械部件冲击来减小风险。联锁保护方案，则是在物理隔离的基础上，加装各种保护装置，与机器构成联锁系统，以避免设备的意外启动或危险运动造成对人的伤害。在介绍什么是物理隔离方案时，对防护装置的概念及常见类型进行了介绍。在联锁保护方案中，则需要了解保护装置的概念及常见类型。

保护装置通过自身的结构功能限制或防止机械的某种危险，消除危险或减小风险。常见的保护装置包括联锁装置、敏感保护装置、有源光电保护装置、双手操纵装置、限制装置等，参见图5。其中，联锁装置和光幕与围栏较多地组合使用，下文将详细介绍。

图5 常见的保护装置与产品

联锁装置用于防止危险机器功能在特定条件下（通常是指只要防护装置未关闭）运行的机械、电气或其他类型的装置，通常安装在围栏的安全门上，与围栏构成围栏防护系统。

联锁装置可按照很多准则进行分类，如按照防护装置与输出系统之间连接的性质分类，或者按照输出系统采用的技术类型（机电、启动、电子）分类。联锁装置具有监控防护装置位置的功能，从而感应防护装置是否关闭并在防护装置没有处于关闭位置时产生停机指令。联锁装置也可用来控制其他功能，比如在可能进入危险区之前控制制动功能停止危险的机器功能。某些联锁装置还具有防护锁定功能，以使防护装置在出现危险机器功能时保持锁定。防护锁定装置的状态监控功能，可以监控防护锁定装置是否锁定并且产生合适的输出信号。表1给出了特定类型联锁装置的驱动原理和操动件示例。

表1 联锁装置概况

光幕是电敏保护装置，通过在发射器和接收器之间发射和接收红外线，形成一个不可见的、非接触式的安全防护门，保证操作者是在被保护的情况下工作的。安全光幕工作时，由发射器发射一组红外线，接收器对应每组发射光线都有一个对应的接受单元，当任何一束光线被遮挡后，光幕均会切断它的两组冗余输出，停止受控设备。

联锁保护方案的设计要求

联锁保护方案的设计主要参考的标准有GB/T 15706－2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》、GB/T 30574-2021《机械安全 安全防护的实施准则》、GB/T 19876-2012《机械安全 与人体部位接近速度相关的安全防护装置的定位》、GB/T 18831－2017《机械安全 与防护装置相关的联锁装置设计和选择原则》、GB/T 16855.1-2018《机械安全 控制系统安全相关部件 第1部分：设计通则》，尤其是GB/T 30574-2021，较为详细地给出了常见保护装置的设计与构造要求。标准的相关条款涉及内容较多，本文选取其中较为常用的几条进行介绍。

应根据运动部件的性质和进入危险区的要求，进行防护装置和保护装置的选择。如设备正常运行时不需要进入危险区，可选择固定式防护装置、带或不带防护锁定的联锁防护装置、自关闭式防护装置、敏感保护设备。如设备正常运行时需要进入危险区，可选择可调式防护装置、自关闭式防护装置、带或不带防护锁定的联锁防护装置、带启动功能的联锁防护装置、敏感保护设备、双手操纵装置。

保护装置的选择应符合相应的产品标准(如关于有源光电保护装置的IEC 61496),或者应根据GB/T 16855.1或IEC 62061所规定的一项或多项原则进行设计。应基于风险评估的结果，确定保护装置安全功能所需要达到的性能等级PLr或安全完整性等级SIL，选择满足条件的保护装置。

保护装置的选择或设计以及与控制系统的连接,应确保能正确执行其安全功能。应根据风险评估的结果，确定执行安全功能的安全控制系统所需要达到的性能等级PLr，并设计出满足该性能等级的控制系统。参见图6。

图6 风险评估与控制系统的性能等级

基于GB/T 20438.1，安全相关控制系统完成安全功能的能力用SIL表示。表2给出了两种概念（PL和SIL）的关系。PL=a与SIL无对应的等级，主要用于轻微的风险减小，通常为可恢复的伤害。SIL4专门用于流程工业中可能的灾难事件，SIL4与机器的风险无关。因此与SIL3对应的是PL=e为最高的等级。

表2 性能等级（PL）与安全完整性等级（SIL）之间的关系

选择联锁装置时，当全系统停机性能大于等于进入时间，应采用带防护锁定的联锁装置；当全系统停机性能小于进入时间可采用不带防护锁定的联锁装置，参见图7。通俗来讲，就是由于机器本身存在运动惯性或出于保护机器的目的，当打开安全门触发联锁信号后机器还会继续运动一段时间，这时如果人员已经走到了运动部件旁即会存在碰撞风险。带防护锁定的联锁装置可以确保机器完全停止后，人员才能打开安全门到达运动部件风险区。

图7 确定是否需要带防护锁定

应考虑环境条件，如温度、粉尘、湿度、振动与冲击、卫生、电磁干扰等，选择接触式或非接触式的联锁装置。

光幕的设计选型需要根据最小检测物体检测精度来选择光幕的光轴间距，并要考虑探测区的方位和接近的速度。安全距离（S）=人体接近速度×响应时间+附加距离（该距离随传感器的检测能力的不同而变化，附加距离受光轴间距影响）。若要减少安全距离则应该使附加距离减小或响应时间加快，即选择光轴间距更小或响应时间更快的光幕。光轴间距一般分为三个区间：手指防护、手掌防护、手臂或身体防护。

联锁保护方案实施中的注意点

设计者和使用者在方案实施中可以采用不同的措施。设计者采取的保护措施主要是本质安全涉及措施、安全防护和补充保护措施、使用信息（如机器上的警告标记、信号、报警装置，使用手册中的信息）；使用者采取的保护措施主要来自设计者提供的使用信息，设计安全的工作程序、设计工作许可制度，使用个体防护装备，进行培训等。除了设计和构成外，GB/T 30574-2021中也比较详细地给到了不同的保护装置在安装、使用和维护环节的注意要点，涵盖牢固安装的方法，保证功能实现的安装位置，一些可预期的不合理使用的避免，维护的方法和频率等内容。

虽然标准对设计、安装、使用、维护等环节都做了相应要求，但是在实际实施过程中还是容易出现各种各样的问题，参见图8。

图8 实施中易出现问题的示例

究其原因，一是角色多、流程长。设计者、安装者、购买者、使用者往往是设备商、集成商、工程商、业主工厂等不同企业的不同角色，各自的关切点不同，在工作的衔接中容易有流程的遗漏点。二是设备多、标准多。一个工厂的新建或者改造项目中，会涉及多种类型的设备，相关的标准以及标准条目较多，对不同角色专业人员的标准解读能力、标准整合能力、标准应用能力确实有比较高的要求。设计者提供的使用手册或说明书，比较完整地介绍了设备的生命周期所有阶段的书面使用说明和建议，还包括部分设计文件，将使用手册或说明书作为不同环节的主要工作指南，可以减小安全防护方案实施环节的难度。

本篇回顾了物理隔离方案，介绍了联锁保护方案，以及如何根据风险评估的结果进行基于物理隔离和联锁保护的防护措施的设计，期望对工厂、设备商、集成商等相关从业人员提供参考。因篇幅有限，本篇未能对联锁防护方案的设计要求和实施注意点进行详细介绍，想要了解的读者可以查阅参考文献中提到的几个标准。下篇中，将对工厂智能安全防护系统中的权限管理方案展开详细的介绍。

参考文献:

[1]GB/T 15706－2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》

[2]GB/T 16856.2-2008《机械安全 风险评价 第2部分：实施指南和方法举例》

[3]GB/T 30574-2021《机械安全 安全防护的实施准则》

[4]GB/T 18831－2017《机械安全 与防护装置相关的联锁装置设计和选择原则》

[5]GB/T 16855.1-2018《机械安全 控制系统安全相关部件 第1部分：设计通则》

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