淺析安全雷達(dá)在惡劣環(huán)境下的安全解決方案

皮爾磁公司 竇振偉

■引言

安全自動化解決方案的基本要求是在滿足工藝運(yùn)行的前提下，針對于各個環(huán)節(jié)所可能對人員或者交互設(shè)備產(chǎn)生危害或者損壞的區(qū)域進(jìn)行合理合規(guī)的安全設(shè)計，一般可以通過“三步法”消除或者減小相關(guān)的風(fēng)險，第一步：本質(zhì)安全設(shè)計措施，也稱直接安全技術(shù)措施，指通過適當(dāng)選擇機(jī)器的設(shè)計特性和暴露人員與機(jī)器的交互作用，消除或減小相關(guān)的風(fēng)險。此步是風(fēng)險減小過程中的第一步，也是最重要的步驟。第二步：安全防護(hù)措施，也稱間接安全技術(shù)措施。如果僅通過本質(zhì)安全設(shè)計措施不足以減小風(fēng)險時，可采用用于實(shí)現(xiàn)減小風(fēng)險目標(biāo)的安全防護(hù)措施。第三步：使用安全信息，也稱提示性安全技術(shù)措施。如果以上兩步技術(shù)措施不能實(shí)現(xiàn)或不能完全實(shí)現(xiàn)時，應(yīng)使用信息明確警告剩余風(fēng)險，說明安全使用設(shè)備的方法和相關(guān)的培訓(xùn)要求等[1]。

■安全傳感器監(jiān)控層的功能作用和產(chǎn)品應(yīng)用

1.安全傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)

作為工業(yè)自動化運(yùn)行的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)不同時刻，不同節(jié)拍的運(yùn)行變化，傳感器是功不可沒的，傳感器可以分成標(biāo)準(zhǔn)傳感器和安全傳感器，標(biāo)準(zhǔn)傳感器通常是用來采集產(chǎn)品的位置或者狀態(tài)信息，將信號傳遞給控制器，以便控制器得到信息后進(jìn)行下一步的操作，是為了實(shí)現(xiàn)工藝流程的順暢執(zhí)行而存在的；而安全傳感器是需要用于監(jiān)控人員或者設(shè)備之間發(fā)生交互的狀態(tài)，如果監(jiān)控的區(qū)域中安全傳感器信號發(fā)生了變化，那代表可能會有危險的發(fā)生，需要安全傳感器準(zhǔn)確的將信號傳遞給安全控制器，安全控制器有效，快速的執(zhí)行所需的停止或者制動報警功能。標(biāo)準(zhǔn)傳感器通常是一種動態(tài)的運(yùn)行，而安全傳感器一般是處于靜態(tài)運(yùn)行的。

由于兩者功能的不同，因此傳感器的結(jié)構(gòu)和原理也會有很大的區(qū)別。傳感器的原理可以分成機(jī)械式傳感器，通過物理位置的變化從而將信號傳遞給控制器，常見的限位開關(guān)，凸輪開關(guān)，鉸鏈開關(guān)等。另一種式非接觸式傳感器，其原理眾多，有電感，磁力，電容，超聲波，光學(xué)，RFID 等，根據(jù)接近物體誘發(fā)其物理特性從而產(chǎn)生電信號的變化，傳遞給控制器實(shí)現(xiàn)輸入信號的采集。而不論機(jī)械式傳感器還是非接觸式傳感器都具有非編碼和編碼兩種觸發(fā)方式，簡單解釋就是非編碼方式可以不限定觸發(fā)條件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而編碼式傳感器需要特定的觸發(fā)條件或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用才能產(chǎn)生所需要的信號變化。因此，我們通常使用非編碼式的傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)工藝運(yùn)行的信號采集產(chǎn)品，而安全監(jiān)控類傳感器的功能原理都需要滿足編碼觸發(fā)方式。我們此次所介紹的安全雷達(dá)傳感器屬于編碼式觸發(fā)，以便更加安全準(zhǔn)確的將信號傳遞給安全控制器。

2.安全雷達(dá)的應(yīng)用和特點(diǎn)

安全雷達(dá)傳感器一般基于FMCW 技術(shù)即調(diào)頻連續(xù)波和脈沖雷達(dá)技術(shù)是兩種在高精度雷達(dá)測距中使用的技術(shù)。其基本原理為發(fā)射波為高頻連續(xù)波，其頻率隨時間按照三角波規(guī)律變化。接收的回波頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個時間差，利用這個微小的時間差可計算出目標(biāo)距離，根據(jù)計算的距離和雷達(dá)控制器內(nèi)置的安全距離判定，保證人員靠近時有效的監(jiān)控并向安全控制器快速傳遞正確的信號[2]。

3.安全雷達(dá)和其他安全類產(chǎn)品的區(qū)別和優(yōu)勢

在工業(yè)安全風(fēng)險評估中要求凡是一些傳動部位會直接或者間接的在發(fā)生異常情況下會對人體產(chǎn)生傷害的機(jī)器都必須加以保護(hù)措施，我們在本質(zhì)安全設(shè)計無法解決人員和危險源隔絕的情況下，會使用安全防護(hù)措施來監(jiān)控危險區(qū)域的情況。

常用的安全傳感器有安全開關(guān)，安全光電裝置或者安全雷達(dá)系統(tǒng)，通常情況下安全開關(guān)的應(yīng)用大多數(shù)限定在對于門狀態(tài)的監(jiān)控，應(yīng)用普遍，但是無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)部人員滯留狀態(tài)的監(jiān)控，另外對于需要開放式的區(qū)域防護(hù)，安全開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)對于人員靠近的有效監(jiān)控。為了避免人員在危險區(qū)域內(nèi)機(jī)器誤啟動對人員的傷害和開放區(qū)域人員接近危險源的監(jiān)控，通常情況下，工業(yè)現(xiàn)場會采用安全光電保護(hù)裝置的安全設(shè)計解決方案。我們常常使用安全型單束光電開關(guān)，安全光幕和安全掃描儀來進(jìn)行區(qū)域防護(hù)。

但是隨著自動化應(yīng)用的廣泛普及，越來越多的行業(yè)和特種設(shè)備需要通過有效的安全自動化控制來保證安全生產(chǎn)，因此安全傳感器應(yīng)用所面臨的環(huán)境也多種多樣，傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場有著干凈的廠房和適宜的生產(chǎn)環(huán)境，但是如伐木工廠，金屬打磨工廠，機(jī)器人焊裝工廠，戶外應(yīng)用的大型運(yùn)輸設(shè)備等都面臨著使用環(huán)境惡劣，灰塵粉塵濃度大，異物火花飛濺，溫度濕度光線差異明顯的特點(diǎn)。由于安全光電裝置基于光學(xué)原理，因此會受到光線，灰塵，表面異物附著的影響，無法在上述的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。在過去，這些環(huán)境的應(yīng)用我們很難找到合適的安全傳感器進(jìn)行有效的使用，而如今，我們可以使用安全雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行有效的安全監(jiān)控。由于檢測原理的特點(diǎn)，安全雷達(dá)傳感器具有很強(qiáng)的魯棒性，可以在粉塵濃度高，淋雨潮濕，光照強(qiáng)等環(huán)境穩(wěn)定的監(jiān)控，同時雷達(dá)的監(jiān)控是三維立體區(qū)域，也能做到檢測區(qū)域的全面覆蓋。

■安全雷達(dá)系統(tǒng)的完整解決方案

1.相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下的安全指標(biāo)

我們都知道，符合安全要求的系統(tǒng)設(shè)計，各個環(huán)節(jié)都需要滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，比如控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)我們就要遵循GB/T 16855 和ISO 13849-1 的要求，這就要求我們選用的安全傳感器，安全控制器和設(shè)計結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)都要滿足相應(yīng)的要求。以往很多惡劣環(huán)境的產(chǎn)品應(yīng)用案例要不是雖然符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)，但是無法滿足現(xiàn)場的穩(wěn)定運(yùn)行；要不就是產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的危險源識別但是產(chǎn)品不具有安全相關(guān)的性能參數(shù)，導(dǎo)致信號的準(zhǔn)確性異常，從而產(chǎn)生不可預(yù)期的風(fēng)險。

為了解決這些特殊應(yīng)用的要求，安全雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用而生。我們要知道，在GB/T16855 和ISO 13849-1 標(biāo)準(zhǔn)中，將現(xiàn)場的風(fēng)險進(jìn)行了劃分，根據(jù)危害的傷害程度，發(fā)生頻率，危害是否能夠避免的可能性將風(fēng)險等級劃分為PLa-Ple（五個性能等級），而我們工業(yè)場合應(yīng)用的設(shè)備具有傳動部分的危險源，基本上風(fēng)險評定都在PLc-PLd[3]。因此為了滿足設(shè)備的使用要求，我們需要將安全控制系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到對應(yīng)的性能等級，所選用的安全傳感器產(chǎn)品也要達(dá)到PLc-PLd。而現(xiàn)今安全雷達(dá)產(chǎn)品的推出，就滿足了這一應(yīng)用的需求。安全雷達(dá)傳感器的安全性能指標(biāo)可以達(dá)到PLd，SIL2，Cat3 等級。可以完成危險區(qū)監(jiān)測，例如，當(dāng)有人進(jìn)入危險區(qū)時，危險區(qū)監(jiān)控會使機(jī)器立即進(jìn)入安全狀態(tài)，但在維護(hù)等情況下，如果危險區(qū)內(nèi)仍有人，則可防止機(jī)器自動重啟。防止后側(cè)入侵監(jiān)控，如果一個機(jī)器人單元受到保護(hù)，則必須保證防止后面的入侵和安全重啟。機(jī)器人運(yùn)行時，安全雷達(dá)處于非活動狀態(tài)。同時安全雷達(dá)傳感器擁有“環(huán)境自示教”功能，可以在不違反保護(hù)區(qū)的情況下默認(rèn)將固定物體進(jìn)行屏蔽，保證了在不規(guī)則區(qū)域內(nèi)有效監(jiān)控。同時，安全雷達(dá)系統(tǒng)還具有防篡改功能，在固定安裝在危險源周圍時，激活防篡改功能可以保證不會因為被移動或者碰撞而導(dǎo)致安全檢測能力的丟失，但也可以在特定應(yīng)用下關(guān)閉該功能，如車載設(shè)備上應(yīng)用，如無人叉車，大型運(yùn)輸車，軌道運(yùn)行的行架車等，可以隨車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時有效的安全監(jiān)控。

2.安全雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

一個滿足工業(yè)安全要求的系統(tǒng)設(shè)計，首先需要選用的安全產(chǎn)品滿足應(yīng)用要求，其次安全產(chǎn)品需要具有相應(yīng)的性能指標(biāo)，保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，最后需要周期性的驗證以便確定安全系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的有效性。

而針對于惡劣的應(yīng)用環(huán)境，安全雷達(dá)是現(xiàn)階段最好的應(yīng)用方案，產(chǎn)品自身不僅達(dá)到對應(yīng)安全等級要求，同時輸出安全信號，通過安全控制器的采集和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了完整的安全自動化應(yīng)用，在這些環(huán)節(jié)中，安全雷達(dá)具有冗余的內(nèi)部檢測機(jī)制，可以實(shí)時對自身狀態(tài)和外界變化進(jìn)行周期性的檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常之后能夠快速將信號傳遞給安全控制系統(tǒng)，而安全控制系統(tǒng)內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣需要滿足冗余要求，同時具備內(nèi)部相異化比較和判斷還有自我周期性檢測的安全設(shè)計要求。因此由這些安全產(chǎn)品共同搭建的系統(tǒng)才能保證我們的生產(chǎn)安全，可靠，穩(wěn)定的運(yùn)行。我們可以將安全雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用在安全伐木工藝，防止因為木屑的影響，可以應(yīng)用在打磨工廠，防止粉塵的影響，也可以應(yīng)用在戶外運(yùn)輸設(shè)備，自動化無人車載設(shè)備，防止雨淋，強(qiáng)光的影響。

■結(jié)論

當(dāng)下自動化應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品眾多，實(shí)現(xiàn)我們的工藝需求可以有多種多樣的產(chǎn)品應(yīng)用方案，如何根據(jù)不同場合，不同環(huán)境選用合適的安全控制方案，是我們要考慮的重點(diǎn)，選擇了正確的產(chǎn)品不僅能夠保證我們生產(chǎn)安全這一基礎(chǔ)要素，同時還能夠使我們生產(chǎn)效率得到提高，否則頻繁的維護(hù)和檢修也會大大降低我們的生產(chǎn)速率。因此安全雷達(dá)的誕生，為我們的應(yīng)用需求增加了更多的選擇空間，為多樣復(fù)雜的設(shè)備保駕護(hù)航。