正常运转与安全控制的新时代

发布时间：2008-12-23 作者：罗克韦尔自动化（中国）有限公司供稿

　　包含了最新微处理器技术在内的新安全标准认为，现代安全控制系统已经与工厂如何运转复杂地联系在一起，不只是优化工人的安全，而且改善了生产能力并延长了系统正常运转时间。
　　无论重要性如何，工业安全系统有时可以被认为像无法避免的灾难一样。通常他们是在事后来被添加从而满足规范，而传统设计一般提供根据安全系统的需求来完成所有电子设备的立即关闭功能。尽管这样做在有潜在的员工伤害时确实需要，但是还有许多情况，例如拥塞和溢出，这些情况下不恰当的停机中断所产生的问题更为麻烦。而不会改变的是，要使工厂回到完全生产状态将会耗费大量的时间，而且使设备增加磨损。
　　好消息是现代工业安全系统代表了安全的全新时代、现代思想考虑全面、先进的技术以及新的功能安全标准。这些促进了早期安全系统设计作为工厂、过程以及总体生命周期总体规划的一部分。这是功能安全的本质并非只关注于风险评估和定义合适的安全措施，同时还协助安全系统设计。这种设计方法的改变，与智能电子安全控制一道，将能够显著地降低安全系统相关的工厂车间人员的风险，从而使其有效地完成工作。
　　值得注意的是，现在使安全系统的设计与工厂生产目标相一致更容易了，而不再是与之相悖，从而使由于安全系统投入使用而带来的停工时间缩短。这意味着安全的实施对生产的影响将变得很小。
　　事实上，通过现代化安全系统的部署，它能够与标准工厂自动化系统完全集成- 工厂通常能够保持生产或者更快速地恢复生产，从而带来了生产能力的提升。曾经被当作生产的障碍或者让人懊恼不已的安全系统现在已经能够保护员工并使他们工作得更具效率。
　　观念的转换
　　这些新的安全观念已经通过在两个基础相关领域的根本转变而成为可能。第一点是安全防护和控制技术的重大进展- 最显著的是新处理器的出现-基于替代机电或者硬布线控制的技术。第二点是全球安全标准的发展，使这些新的电子技术能够与工业安全系统相结合。
　　而这样所带来的结果就是安全防护产品和安全控制平台的全新种类。安全技术现在可以集成到标准的自动化产品中- 例如可编程自动化控制器、可编程安全继电器、以及交流变频器和伺服驱动器。另外，合并了信息冗余、交互核对以及严格定时的高完整性安全通讯网络也被开发出来，使安全和非安全信息和设备能够在相同的介质中共存。
　　因此，安全自动化系统现在可以完全地与标准工厂自动化系统相集成，从而可以使用单一的平台完成所定义的安全功能、满足安全标准并有效地运转工厂。在这种情况下，自动化系统两个方面的设计都能够适应所有设备生命周期内的任务，包括设计、启动、操作和维护。此外，这种整体方法可以带来机会使设计中不会出现可能的危险，而这是通过基于在所有项目的起步阶段进行详细的风险评估来实现的。
　　将安全与工厂自动化系统相集成所实现的配合效果就是提供了简化生产能力提升所非常需要的工具。可以缩短停工时间的现代安全技术的主要三点在于:故障解决和诊断(减少发现问题的时间)、使设备迅速恢复生产、以及通过支持一些继续运行的过程来减少进行简单维修的时间。
　　发现故障
　　快速地进行故障诊断是当前业内所有工厂所追求的。而当故障将会造成停工以及影响生产时这点就尤为重要。
　　基于机电式继电器的传统硬布线安全系统本身就比固态技术可靠性更差，因为硬接触最终都会损坏。它们还由于只拥有很少量的诊断指示信息而不容易进行故障解决。例如，当多个急停设备通过菊花链连接到一起并硬接线到一个安全继电器时，布线的"短路"将激活安全继电器并关闭设备。然而，故障的准确原因是需要调查的。由于对于硬布线系统、监测电路以及与所需标准PLC的内部接线进行故障解决是非常困难的，因此将进一步增加复杂性、设计时间和安装费用。
　　从另一方面来说，如果每个急停设备都连线到安全I/O模块，而这些安全I/O模块通过安全网络连接到集成化标准/安全可编程自动化系统中，就可以将诊断信息方便地提供给PLC和HMI，从而可以方便地定义出修正的措施。对于所有急停事件的监测还可能显示出第三班次的操作员连续撞击急停设备而不是正确地关闭设备，这样就可能解释所有的机械问题或者一台设备生产效率比另一台低的原因。事件的原因会被迅速地诊断出来，使问题能够被解决而生产快速恢复运行。
　　取消急停
　　急停事件可能会引发比诊断困难更麻烦的事情。通常他们在设备完全生产时出现，就会造成设备调整问题和损耗。这些因素中还要加上停工和生产的损失，由于正在进行的工作需要清除、取消、重置或者拆卸，而设备也需要重新放置或者重新初始化。
　　从这点出发就确保了安全系统的设计能够完成所需的任务，可以说是极为受益。无需对急停进行不必要的激活来中断设备从而访问，现在更加高级的方法是使锁定防护开关依靠'周期结束'停止的功能，这一功能只在正确调用时才允许访问。当'周期结束'停止被激活，设备将完成关键的过程并将进入适当的停止。进程中的工作在工作单元之外进行周期循环，而所有运动轴或者机器人也都回归原始位置，使操作员和维护人员的进入变得安全并做好重新启动的准备。
　　如果所有设备的危险移动都被安全系统控制的话，那么就会带来生产方面更大的好处。现在无须将整个系统关闭以及将某台设备或者生产过程中所有电源的关闭，任务可以在只有潜在危险元素关闭电源的情况下完成。执行这种类型的区域控制，只会对急停事件中有影响设备的区域内有所影响，它正在成为使生产损失最小化的标准方式。通过并非关闭整台设备的电源，安全系统确保了工厂操作可以在系统重置之后立即重新启动。
　　有机会简化对设备进行访问对于简化安全设计以及改善安全系统的自动化来说是提升产量的最大好处。工业中事实上员工需要对防护设备进行访问从而进行比较小规模的服务操作- 例如清洁、修正动作或者零件处理。因此，为设备提供安全的常规访问从而实现这些工作过程，而无需进行总体的设备停工/锁定，可以带来重要的时间节省。

　　简化访问
　　举一个机械货盘处理单元的例子。在图1中，一个机器人将货盘一个接一个地装载到离开传送带上。在每个货盘上都堆放上从入口传送带上获取的'最终产品'的盒子，直到货盘放满然后再使用下一个货盘。使用传统的安全方法，单元是通过一个物理屏障来进行完全的安全防护，从而在无需完全停工/锁定的情况下防止员工访问。
　　而问题是员工会因为一些常规的原因需要对其进行访问，可能是使用铲车来重新装载货盘的托盘(每小时)或者完成任务如当机器人落下盒子时将溢出物清除。对于这些日常任务来说，单元将关闭12到20分钟 - 或者更长，取决于能够多快实现停工/锁定。而最少有9分钟将会被用做机器人所需的回到初始位置并重新启动。
　　深谋远虑的安全设计方法和通过安全系统来对所有运动设备进行完全控制可以避免大量的停工时间。对于那个货盘需要重新装载的例子来说，安全系统可以进入'装载货盘'模式，这个模式能够通过限制开关(图2)限制机器人的运动。这就使机器人能够连续地将盒子运送到货盘上，并防止它访问由于重新储存而造成堆积的新货盘。而货盘堆积区域周围新增的围栏防止对了满装载单元的访问。而这样的结果就是零停工时间，每小时最少节省了12分钟的生产时间。

　　当需要对装载单元进行完全访问时，安全控制系统将进入'访问模式'。它再次非常合适地包含了周期结束操作，机器人将按照控制的顺序停止从而节省回到初始位置的时间。通过对机器人停止和安全的监测，安全系统允许对于该单元的访问而无需总电源关闭(例如停工/锁定)，而设备恢复运行所需的时间也降到最低。在一些情况下，如果认为安全，还有可能有机器人继续完成非相关的功能。
　　一个例子是当连接两个工作区域的机器人重新开始或者将零件传送往下一处时。良好的安全控制系统能够防止机器人进入访问模式中的任何一个单元或者工作区域- 但是将不会防止机器人在工作单元周围进行其它工作。
　　新时代的新工具
　　从这些例子中，不难看出设计良好的安全系统所提供的生产改善是如何获得证明的。而且，由于功能性的安全标准通过发展来适应技术的发展，工业可以发挥新工具的优势来不一样地完成工作，例如集成安全系统。整体的观点确保了服务任务- 以及操作- 设备与安全如何控制有着千丝万缕的联系。
　　安全系统已经不再是自己单独存在。它现在是整个工厂自动化和生产系统的重要组成部分。在安全的新时代中，独立是不应该被考虑的。