实现自动化安全层次结构

安全的见解

• 安全有多种形式，是制造操作的一个关键方面。这要从基本要素开始，比如意识和手头有合适的设备。虽然这是一个很好的起点，但它确实是旅程的第一步，可以做得更详细。
• 层层控制是有效建立安全计划的好方法，也是营造一种强调工人安全和健康的文化的好方法。
• 有许多安全解决方案，从个人防护设备(PPE)到报警器和传感器。许多先进的工具可以在平板电脑或智能手机上管理，用户可以根据公司的特定需求进行定制。

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围绕工业自动化安全设计和实施的考虑因素是广泛的，需要专门的培训来充分解决每个潜在问题。事实上，在规划任何与安全相关的系统之前，认证专家进行安全审计以评估条件并确定适当的设计路径是很重要的。在某种程度上，这是因为安全标准和法规随着时间的推移而变化，所以“我们一直这样做”的概念并不成立。

另一方面，良好的工业自动化安全设计几乎总是涉及将正确的产品、设计实践和操作培训相结合的多层方法。实现安全工作场所的第一步是进行风险评估，以确定潜在问题，然后目标转变为通过缓解风险来降低风险。采用工程和行政控制的层次方法来指导保护工人的最有效方法。

项目和运营团队的所有人员都受益于对相关安全概念的理解，即使他们的核心任务不是创建安全系统的实际详细设计。重要的是要了解与安全设计有关的最常见的主题，提供所需的概述信息，以通知员工。

控制的层次结构

北美最著名的两个安全组织是职业安全与健康管理局(OSHA)和国家职业安全与健康研究所(NIOSH)。OSHA制定并执行法规，而NIOSH则参与研究和调查。此外，还有许多其他与工业安全相关的监管机构、法规和标准。

对于任何使用工业自动化的设备，自动化系统的设计肯定会在安全方面发挥作用。然而，保护工人的安全设计是一个更大的概念，扩展到任何设备的物理特性和使用。

执行安全设计的人员的传统方法是考虑控件层次结构中的几个层，以提供完整的安全解决方案(图1)。

术语“控制层次”不是指实时控制，而是定义用户应该采取哪些步骤来控制和限制任何设备或装置所带来的危险。通常有许多潜在的步骤可以应用，在某种程度上相互结合。这个过程涉及五个层次。

1.消除危害，降低风险

减轻风险的最佳和最有效的步骤是消除，这意味着消除或删除潜在的危险。不幸的是，大多数时候这不是一个可行的选择，因为大多数机器和流程的设计不能消除所有可能的危险。然而，设计师应该始终将消除作为一种选择。

例如，一台机器可能有一个容易打开的检查舱口，使用户接触到潜在的危险。舱口可以用不可移动的金属板代替，但这对维护团队来说是一个问题。也许安装一个联锁安全开关，使舱口只能用工具打开是一个更好的方法。

2.替代危害，降低风险

即使无法消除危险，也可以进行替换，用不那么严重或不需要频繁访问的危险替换。有时这是不可能的。例如，当涉及到使用化学品的设备时，从可燃性或毒性的角度来看，可能会有一种更安全的化学品。即使更安全的化学品成本更高，但为了实现效益，例如更有效的工作实践和更少的潜在事故，这往往是值得的。

继续前面的进入舱口的例子，也许可以安装一个抗破碎的固定窗口来代替舱口，这样用户就可以在不暴露于机械装置的情况下检查设备。

3.工程控制以降低风险

虽然研究前两个步骤总是很重要，但现实是，对于现代自动化设备来说，应用工程控制的下一步往往是实现最大风险降低的地方。工程控制可以是简单的，也可以是复杂的，并且可以采取多种形式。

• 物理:添加门、警卫、墙壁、笼子和护柱是保护用户的简单而重要的方法(图2)。
• 传感器:许多类型的传感器可以检测危险情况，或者可能由用户触发以指示和减轻危险。这些包括紧急停止按钮(e-stop)、e-stop拉索、光幕、限位开关等。任何一个连接或串联的传感器都可以用来启动电子停止(图3)。
• 连锁装置:一些安全传感器是联锁的，这意味着它们可以锁定关闭，以防止用户打开相关设备，除非这样做是安全的。
• 消除能源:传感器和联锁可以通过安全继电器或安全控制器连接，以断开与电机、执行器和任何其他可能伤害用户的设备的能量连接。能源可以有几种形式:电力电源，电气设备的动力，最常被忽视的是气动能量，甚至是液压能量。传感器可以通过布线来去除能量，或者它们可以被设计成更有能力的硬连线继电器或数字安全控制器电路的一部分。安全控制器是先进的数字设备，可以通过软件进行配置，并可以与更高级别的系统通信。
• 停止动能运动:某些物理系统需要额外的注意，以防止运动，即使在能量被移除了的情况下发生电子停止。气动回路可能需要一个快速泄压阀来消除气缸的压力，否则气缸可能会移动。像立式压力机或剪切机这样的设备可能需要机械塞子，以防止因重力而在e-stop后移动。电动机械在电动停止后可能需要刹车来停止旋转运动。
• 软件:当所有上述方法都被应用时，对可编程系统的另一个很好的增强是添加适当的检查传感器和系统参数的许可编程，然后防止用户使能和电子停止电路，直到所有条件都是安全的。
• 线路:对于上述涉及安全传感器、联锁、继电器和控制器的方法，这些设备具有双电触点和其他故障安全规定的专门设计。标准的非安全装置通常是不可接受的。

对于入口舱口的例子，工程控制可以包括安装一个联锁开关，它只允许检查门在机器安全的情况下打开，并防止机器在门打开时运行。

4.行政控制降低风险

在整合了前面的步骤之后，重要的是处理人的因素。这包括任何设计、工程、维护、承包商、访客或其他将与设备一起工作或可能在该地区的人员。

培训计划对于让用户意识到安全问题、工作惯例和正确的程序是很重要的。严格的锁定/标记(LOTO)程序对于保护需要直接接触设备的工人至关重要。此外，清晰的警告标签、标识和指示灯提供了额外的保护层。

5.使用个人防护装备降低风险

在大多数工业环境中，安全眼镜、耳塞、呼吸器、安全靴、手套等个人防护装备是标准的。有些情况需要更复杂的跌倒防护系统，以及相关的训练。尽管这些项目对于保护工人是必不可少的，但它们处于控制层次结构的底部，不应被视为减轻已识别的风险，因为它们是最后的手段。他们还需要工人不断努力使用个人防护装备。

缓和，但要验证

创建安全设计后，必须根据ISO 13849-2对结果进行验证，以确保真正减轻风险评估中确定的目标危害。有时这个过程可能有点迭代，需要一些重复的步骤。

例如，消除和替代步骤中的缓解努力也往往会产生新的风险。验证完成后，需要执行新的风险评估。仅仅使用风险评估作为检查清单是不够的。

此外，美国的一些标准规定需要定期进行风险评估(ANSI/RIA R15.06)。这促使最终用户重新评估工业设备，看看该区域的任何变化是否产生了新的危险。此外，每年都有新产品和新想法可以提高安全性。

一系列安全解决方案

创建安全的工业设备、系统和自动化从来不是一次性的任务。相反，它是一个持续的生命周期。此外，安全不仅是一名环境健康和安全官员的责任。所有团队成员都与安全设计和操作有关。从风险评估到缓解再到验证的每一项任务都应该由一个团队完成。另一个建议是引入一定程度的制衡，例如由不同的人员执行安全工程和验证。这为团队提供了更多的意识，并允许从不同的角度看待事物。

创建安全的工业设计需要许多工程方面的考虑和产品。为了协助这些项目，公司所有角色的团队成员都可以访问工业自动化供应商网站，以查看可以实现的各种产品，以提供安全层。

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