連載 | 工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之物理隔離方案
在工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)中，物理隔離方案是機(jī)械安全領(lǐng)域智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)和必備要素，本篇首先對(duì)“什么是物理隔離方案，如何進(jìn)行物理隔離方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施”展開詳細(xì)介紹。
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之物理隔離方案
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之聯(lián)鎖保護(hù)方案
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之權(quán)限管理方案
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之安全預(yù)警方案
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之行業(yè)實(shí)施案例
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建之物理隔離方案
工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)由物理隔離、聯(lián)鎖保護(hù)、權(quán)限管理、安全預(yù)警四大方案組成。本篇介紹了物理隔離方案的構(gòu)成，固定式距離防護(hù)裝置——圍欄的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，及其在采購(gòu)、安裝、使用、維護(hù)、拆卸等主要環(huán)節(jié)中的注意點(diǎn)，供工廠、設(shè)備商、集成商等相關(guān)人員參考。
作者：應(yīng)露瑤 俞波 汪中亨
寧波緯誠(chéng)科技股份有限公司
在上期文章《國(guó)內(nèi)外安全生產(chǎn)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢(shì)》中，提到了企業(yè)主要負(fù)責(zé)人作為本企業(yè)安全生產(chǎn)第一責(zé)任人，在關(guān)注效率的同時(shí)應(yīng)關(guān)注安全。為預(yù)防在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生人身、設(shè)備等各類事故，保護(hù)工作人員在生產(chǎn)中的安全，企業(yè)就要采取各種措施來(lái)構(gòu)建本企業(yè)的安全防護(hù)系統(tǒng)。在具體的實(shí)施過(guò)程中，可以通過(guò)物理隔離、聯(lián)鎖保護(hù)、權(quán)限管理、安全預(yù)警四大方案的組合使用來(lái)構(gòu)建智能安全防護(hù)系統(tǒng)。其中，物理隔離方案是機(jī)械安全領(lǐng)域智能安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)和必備要素；聯(lián)鎖保護(hù)方案，是在物理隔離的基礎(chǔ)上加裝各種保護(hù)裝置，與機(jī)器構(gòu)成聯(lián)鎖系統(tǒng)，以避免設(shè)備的意外啟動(dòng)；權(quán)限管理方案，是在物理隔離安全門的基礎(chǔ)上加裝授權(quán)進(jìn)入受控區(qū)域的組件，以確保正確的人在正確的時(shí)間進(jìn)入正確的區(qū)域；安全預(yù)警方案是與物理隔離、聯(lián)鎖保護(hù)、權(quán)限管理系統(tǒng)搭配使用的智能預(yù)警系統(tǒng)，是對(duì)其他三個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)充，用于減小安全防護(hù)對(duì)于人的安全意識(shí)的依賴。
本篇首先對(duì)“什么是物理隔離方案，如何進(jìn)行物理隔離方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施”展開詳細(xì)介紹。
安全防護(hù)系統(tǒng)中的物理隔離方案，從字面上來(lái)理解，就是用物理結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域隔離。本文中的物理隔離方案，主要介紹的是應(yīng)用專業(yè)機(jī)械防護(hù)圍欄進(jìn)行人機(jī)物理隔離，防止人員非預(yù)期的進(jìn)入和機(jī)械部件沖擊來(lái)減小風(fēng)險(xiǎn)。物理結(jié)構(gòu)有很多類型，在機(jī)械安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，這類物理結(jié)構(gòu)被稱為防護(hù)裝置。標(biāo)準(zhǔn)符合性是安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則，設(shè)計(jì)人員需要能夠理解標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言；而方案的設(shè)計(jì)，最終要具體落地在產(chǎn)品的選型上。通用的產(chǎn)品命名與機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)中的概念并不是一一對(duì)應(yīng)的。設(shè)計(jì)人員需要理解標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)概念與市場(chǎng)上產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以滿足方案設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)符合性。機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防護(hù)裝置的定義如表1所示。
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表1 機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)防護(hù)裝置的定義
結(jié)合表1，圍欄屬于固定式防護(hù)裝置中的一種，是一種距離防護(hù)裝置，憑借其尺寸、與危險(xiǎn)區(qū)的距離起到防止或減少人員非預(yù)期進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的作用。因圍欄常與安全門、聯(lián)鎖裝置組合使用，這三者構(gòu)成的系統(tǒng)稱為圍欄防護(hù)系統(tǒng)。圍欄及圍欄防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。
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GB/T 15706-2012《機(jī)械安全 設(shè)計(jì)通則 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)減小》中提出，防護(hù)裝置能實(shí)現(xiàn)的功能如下:
——防止進(jìn)入被防護(hù)裝置封閉的空間，和/或；
——容納或捕獲由機(jī)器拋出或掉下的材料、工件、切屑、液體，減少由機(jī)器產(chǎn)生的排放(噪聲、輻射、有害物質(zhì)，如粉塵、煙霧、氣體等)。
此外，防護(hù)裝置可能還需要具有與電、溫度、火、爆炸、振動(dòng)、能見(jiàn)度(見(jiàn) GB/T8196)以及操作者位置人類工效學(xué)(如易用性、操作者的運(yùn)動(dòng)、姿勢(shì)、重復(fù)運(yùn)動(dòng))相關(guān)的獨(dú)特特征。
那么，在具體的物理隔離方案設(shè)計(jì)時(shí)，如何設(shè)計(jì)才能使其滿足上述功能，下文將展開詳細(xì)介紹。圍欄與安全門屬于物理隔離方案的范疇，將在本篇中進(jìn)行介紹；而聯(lián)鎖裝置屬于聯(lián)鎖保護(hù)方案的范疇，將在下篇中介紹。
圍欄的尺寸是一個(gè)項(xiàng)目非常重要的參數(shù)，主要有圍欄高度、圍欄的下沿離地高度、金屬絲網(wǎng)圍欄面板的網(wǎng)格尺寸（或其他面板的開口尺寸）這三個(gè)要點(diǎn)。GB/T 23821－2022《機(jī)械安全 防止上下肢接觸及危險(xiǎn)區(qū)的安全距離》這一標(biāo)準(zhǔn)給出了設(shè)計(jì)參考。
在確定圍欄高度之前，應(yīng)按照GB/T 15706－2012中的5.5確定傷害的嚴(yán)重程度和發(fā)生的概率，并測(cè)量危險(xiǎn)區(qū)高度。如果通過(guò)圍欄防護(hù)的危險(xiǎn)僅會(huì)造成輕微傷害且發(fā)生概率低，則應(yīng)按照GB/T 23821－2022的表1選擇圍欄的高度（即保護(hù)結(jié)構(gòu)高度），否則應(yīng)按照GB/T 23821－2022的表2選擇圍欄的高度。在不采用附加保護(hù)措施的情況下，圍欄的高度越低，圍欄距離危險(xiǎn)區(qū)的尺寸應(yīng)越大。通常，圍欄的高度宜選用1600mm、1800mm、2000mm或2200mm。當(dāng)圍欄高度小于1400mm時(shí)，應(yīng)采取附加保護(hù)措施。附圖3及表2輔助理解。
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圖3 越過(guò)防護(hù)結(jié)構(gòu)觸及的安全距離及相關(guān)參數(shù)說(shuō)明
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表2 高風(fēng)險(xiǎn)情況下越過(guò)防護(hù)結(jié)構(gòu)觸及的安全距離（GB/T 23821－2022的表2）
危險(xiǎn)區(qū)高度是一個(gè)相對(duì)確定的值，參考表2，在確定安全距離的情況下，可以選擇合適的圍欄高度；也可以在確定圍欄高度的情況下，選擇合適的安全距離。
除非風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明可行，否則圍欄下沿離地高度不應(yīng)超過(guò)180mm，以避免人員從下沿開口進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。圍欄下沿離地高度如圖4所示。
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圖4 圍欄下沿離地高度示意圖
金屬絲網(wǎng)圍欄面板的網(wǎng)格尺寸及其他面板的開口應(yīng)符合GB/T 23821－2022中4.2.4的規(guī)定。開口尺寸e表示方形開口的邊長(zhǎng)、圓形開口的直徑和槽形開口的最窄處尺寸。對(duì)應(yīng)不同的身體部位，可以通過(guò)安全距離的要求，確定開口尺寸（對(duì)于圍欄，即為網(wǎng)格尺寸）。也可以通過(guò)開口尺寸，確定安全距離的要求。
防護(hù)裝置要能夠防止人非預(yù)期進(jìn)入被防護(hù)裝置封閉的空間，要求圍欄應(yīng)至少具備防止人員非預(yù)期進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)的功能，其抗沖擊能力的基礎(chǔ)值應(yīng)不小于115J。115J為模擬總質(zhì)量為90kg的人體從防護(hù)區(qū)外以1.6m/s的速度撞擊圍欄前的能量。
防護(hù)裝置要能夠容納或捕獲機(jī)器拋出或掉下的材料、工件，就需要具備一定的強(qiáng)度，要求圍欄應(yīng)具備足夠抵抗來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)可預(yù)見(jiàn)撞擊的抗沖擊能力，應(yīng)對(duì)防護(hù)區(qū)域內(nèi)機(jī)器的部件或工件的沖擊風(fēng)險(xiǎn)和沖擊能量進(jìn)行評(píng)估，并選用抗沖擊能力不小于可預(yù)見(jiàn)沖擊能量的圍欄。如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件沖擊能量難以評(píng)估，宜選用抗沖擊能力不小于1600J的圍欄。1600J為模擬總質(zhì)量為200kg的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件從防護(hù)區(qū)內(nèi)以4m/s的運(yùn)行速度撞擊圍欄前的能量。
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表3 通過(guò)規(guī)則開口的安全距離——14歲及以上人員
圍欄的抗沖擊能力可以用擺錘試驗(yàn)的方法進(jìn)行檢測(cè)。
圍欄作為一種通過(guò)螺栓螺母、焊接等方式固定的固定式防護(hù)裝置，其固定用的組件（立柱及附件）的強(qiáng)度與固定方式、固定間距等也關(guān)系到圍欄的整體強(qiáng)度。立柱柱體及底板應(yīng)具備足夠強(qiáng)度，相鄰立柱的間距不應(yīng)超過(guò)1500mm，每根立柱與地面使用不少于4個(gè)膨脹螺栓或化學(xué)錨栓進(jìn)行固定。用于面板與立柱固定的連接件及緊固件應(yīng)使用工具才能安裝和拆卸。將立柱固定于地面的附件應(yīng)采用不小于M10的膨脹螺栓或化學(xué)錨栓。
防護(hù)裝置要容納或捕獲由機(jī)器拋出或掉下的材料、工件、切屑、液體，減少由機(jī)器產(chǎn)生的排放(噪聲、輻射、有害物質(zhì)，如粉塵、煙霧、氣體等)，要有與電、溫度、火、爆炸、振動(dòng)、能見(jiàn)度(見(jiàn) GB/T8196)等相關(guān)的獨(dú)特特征，基本都是由不同特性的圍欄面板實(shí)現(xiàn)的。圍欄面板材質(zhì)與面板設(shè)計(jì)考慮要素如圖5所示。
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圖5 面板材質(zhì)與設(shè)計(jì)考慮要素
除了根據(jù)安全距離選擇合適的圍欄開口尺寸，還要考慮其產(chǎn)生的飛濺物與排放物的類型，根據(jù)噪聲、輻射、爆炸性環(huán)境的情況選擇合適的面板材質(zhì)與表面處理，根據(jù)觀察能見(jiàn)度的需求選擇合適的面板顏色。例如強(qiáng)腐蝕環(huán)境選用不銹鋼材質(zhì)的圍欄，對(duì)于存在熔融金屬飛濺的場(chǎng)景選用鐵板圍欄面板。
如何根據(jù)觀察能見(jiàn)度的需求選擇合適的面板形式和顏色，GB/T8196的5.9和5.22中給出了指導(dǎo)。當(dāng)需要通過(guò)防護(hù)裝置觀察機(jī)器的運(yùn)行時(shí)，選擇的材料應(yīng)具備合適的特性。如果采用穿孔材料或金屬網(wǎng)，則宜有大小合適的開口和適當(dāng)?shù)念伾员阌谟^察。如果穿孔材料的顏色比觀察區(qū)域暗，則會(huì)有增強(qiáng)觀察的效果。在防護(hù)裝置打開或不用時(shí)，可以使用合適的顏色來(lái)凸顯出危險(xiǎn)，引起人員對(duì)危險(xiǎn)的注意。例如：防護(hù)裝置與機(jī)器涂刷相同顏色，而危險(xiǎn)部件涂刷鮮艷的對(duì)比顏色。如果需要觀察過(guò)程，則穿孔材料制作的防護(hù)裝置不宜涂上鮮艷的顏色，如黃色，這可能會(huì)干擾對(duì)過(guò)程的觀察。對(duì)應(yīng)到圍欄上，也就是如果需要觀察防護(hù)區(qū)內(nèi)部，則金屬絲網(wǎng)等穿孔材料面板應(yīng)選用深色面板，如黑色（可搭配黃色立柱突出整體的危險(xiǎn)區(qū)）。如果需要突出對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的注意，宜選用黃色面板。比機(jī)器顏色深的面板顏色利于觀察，黃色不利于觀察，比對(duì)效果圖如圖6。
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圖6 黑色面板與黃色面板觀察效果對(duì)比
此外，圍欄防護(hù)系統(tǒng)中的安全門作為一種活動(dòng)式防護(hù)裝置，要實(shí)現(xiàn)防護(hù)裝置的功能，在設(shè)計(jì)時(shí)也需要一些考慮要素。安全門面板的強(qiáng)度應(yīng)不低于圍欄面板的強(qiáng)度。安全門的鉸鏈或滑軌應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性。在開關(guān)門的過(guò)程中應(yīng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，在100000次完整啟閉循環(huán)內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)卡滯和關(guān)閉不嚴(yán)的現(xiàn)象。安全門的寬度不應(yīng)小于800mm。圍欄高度為2000mm及以下時(shí)，安全門高度宜與圍欄高度保持一致；圍欄高度為2000mm以上時(shí)，安全門高度宜為2000mm，且應(yīng)加裝門框。鉸鏈?zhǔn)桨踩T應(yīng)采用向外打開方式，便于危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人員逃生。
除了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的要求，在圍欄產(chǎn)品采購(gòu)、安裝、使用、維護(hù)、拆卸等過(guò)程中，也有一些需要考慮的點(diǎn)。
1.采購(gòu)環(huán)節(jié)
對(duì)于不易觀察的圍欄特性，如抗沖擊能力，材質(zhì)的環(huán)保性，應(yīng)要求生產(chǎn)廠商出具第三方測(cè)試報(bào)告。還應(yīng)注意，幾家頭部廠商的圍欄附件是有設(shè)計(jì)專利的，防護(hù)裝置在標(biāo)準(zhǔn)中定義又是“設(shè)計(jì)為機(jī)器的組成部分”，設(shè)備商在采購(gòu)與設(shè)備配套的圍欄時(shí)應(yīng)特別注意專利侵權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)。
2.安裝環(huán)節(jié)
應(yīng)特別注意要根據(jù)廠商提供的安裝指導(dǎo)手冊(cè)或說(shuō)明書進(jìn)行安裝，以保證圍欄的強(qiáng)度。如固定在水泥地面，安裝前要檢查地面的強(qiáng)度及平整度，不平整的地面可用特定的墊片墊平。安裝時(shí)，危險(xiǎn)區(qū)高度和圍欄的高度已確定，因此要特別注意安全距離是否符合標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)圖紙上標(biāo)注的距離安裝。驗(yàn)收時(shí)，要特別檢查是否存在為了節(jié)省工時(shí)或其他情況發(fā)生的漏裝或少裝膨脹螺栓的情況。
3.使用環(huán)節(jié)
應(yīng)注意可能存在的工位操作人員認(rèn)為圍欄降低效率而自行拆除、破壞圍欄結(jié)構(gòu)的情況，要通過(guò)培訓(xùn)教育、管理措施、檢查維護(hù)來(lái)避免這種情況的發(fā)生。
4.維護(hù)環(huán)節(jié)
應(yīng)定期檢查圍欄是否有部件丟失或損壞的現(xiàn)象，如金屬絲的脫焊，是否有產(chǎn)生顏色變形對(duì)安全產(chǎn)生負(fù)面影響的部件，是否有腐蝕、催化的部件，安全門是否平穩(wěn)運(yùn)行，進(jìn)行及時(shí)維修或者更換。設(shè)備生產(chǎn)商應(yīng)注意，其提供的圍欄作為機(jī)器的組成部分，在設(shè)備的說(shuō)明書中也應(yīng)包含圍欄等防護(hù)裝置的相關(guān)內(nèi)容。
5.拆卸環(huán)節(jié)
應(yīng)根據(jù)使用說(shuō)明書中給出的拆卸圍欄之前需采取的措施進(jìn)行規(guī)范操作，如斷開機(jī)器動(dòng)力、釋放儲(chǔ)存的能量和拆卸圍欄的步驟等。
本篇介紹了物理隔離方案的構(gòu)成，符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及各個(gè)環(huán)節(jié)中的注意點(diǎn)，期望對(duì)工廠、設(shè)備商、集成商等相關(guān)從業(yè)人員提供參考。下篇將對(duì)工廠智能安全防護(hù)系統(tǒng)中的聯(lián)鎖保護(hù)方案展開詳細(xì)介紹。
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[4]GB/T 42627－2023《機(jī)械安全 圍欄防護(hù)系統(tǒng) 安全要求
編輯、排版：羅丹
