淺析安全雷達在惡劣環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行的前提下，針對于各個環節所可能對人員或者交互設備產生危害或者損壞的區域進行合理合規的安全設計，一般可以通過“三步法”消除或者減小相關的風險，第一步：本質安全設計措施，也稱直接安全技術措施，指通過適當選擇機器的設計特性和暴露人員與機器的交互作用，消除或減小相關的風險。此步是風險減小過程中的第一步，也是最重要的步驟。第二步：安全防護措施，也稱間接安全技術措施。如果僅通過本質安全設計措施不足以減小風險時，可采用用于實現減小風險目標的安全防護措施。第三步：使用安全信息，也稱提示性安全技術措施。如果以上兩步技術措施不能實現或不能完全實現時，應使用信息明確警告剩余風險，說明安全使用設備的方法和相關的培訓要求等[1]。

■安全傳感器監控層的功能作用和產品應用

1.安全傳感器的應用特點

作為工業自動化運行的基礎，實現不同時刻，不同節拍的運行變化，傳感器是功不可沒的，傳感器可以分成標準傳感器和安全傳感器，標準傳感器通常是用來采集產品的位置或者狀態信息，將信號傳遞給控制器，以便控制器得到信息后進行下一步的操作，是為了實現工藝流程的順暢執行而存在的；而安全傳感器是需要用于監控人員或者設備之間發生交互的狀態，如果監控的區域中安全傳感器信號發生了變化，那代表可能會有危險的發生，需要安全傳感器準確的將信號傳遞給安全控制器，安全控制器有效，快速的執行所需的停止或者制動報警功能。標準傳感器通常是一種動態的運行，而安全傳感器一般是處于靜態運行的。

由于兩者功能的不同，因此傳感器的結構和原理也會有很大的區別。傳感器的原理可以分成機械式傳感器，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，凸輪開關，鉸鏈開關等。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，RFID 等，根據接近物體誘發其物理特性從而產生電信號的變化，傳遞給控制器實現輸入信號的采集。而不論機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方式，簡單解釋就是非編碼方式可以不限定觸發條件或執行機構，而編碼式傳感器需要特定的觸發條件或者執行機構作用才能產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準工藝運行的信號采集產品，而安全監控類傳感器的功能原理都需要滿足編碼觸發方式。我們此次所介紹的安全雷達傳感器屬于編碼式觸發，以便更加安全準確的將信號傳遞給安全控制器。

2.安全雷達的應用和特點

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

3.安全雷達和其他安全類產品的區別和優勢

在工業安全風險評估中要求凡是一些傳動部位會直接或者間接的在發生異常情況下會對人體產生傷害的機器都必須加以保護措施，我們在本質安全設計無法解決人員和危險源隔絕的情況下，會使用安全防護措施來監控危險區域的情況。

常用的安全傳感器有安全開關，安全光電裝置或者安全雷達系統，通常情況下安全開關的應用大多數限定在對于門狀態的監控，應用普遍，但是無法實現內部人員滯留狀態的監控，另外對于需要開放式的區域防護，安全開關無法實現對于人員靠近的有效監控。為了避免人員在危險區域內機器誤啟動對人員的傷害和開放區域人員接近危險源的監控，通常情況下，工業現場會采用安全光電保護裝置的安全設計解決方案。我們常常使用安全型單束光電開關，安全光幕和安全掃描儀來進行區域防護。

但是隨著自動化應用的廣泛普及，越來越多的行業和特種設備需要通過有效的安全自動化控制來保證安全生產，因此安全傳感器應用所面臨的環境也多種多樣，傳統的工業現場有著干凈的廠房和適宜的生產環境，但是如伐木工廠，金屬打磨工廠，機器人焊裝工廠，戶外應用的大型運輸設備等都面臨著使用環境惡劣，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。由于安全光電裝置基于光學原理，因此會受到光線，灰塵，表面異物附著的影響，無法在上述的環境中穩定運行。在過去，這些環境的應用我們很難找到合適的安全傳感器進行有效的使用，而如今，我們可以使用安全雷達系統進行有效的安全監控。由于檢測原理的特點，安全雷達傳感器具有很強的魯棒性，可以在粉塵濃度高，淋雨潮濕，光照強等環境穩定的監控，同時雷達的監控是三維立體區域，也能做到檢測區域的全面覆蓋。

■安全雷達系統的完整解決方案

1.相關標準下的安全指標

我們都知道，符合安全要求的系統設計，各個環節都需要滿足相關的標準要求，比如控制系統有關安全部件的設計標準我們就要遵循GB/T 16855 和ISO 13849-1 的要求，這就要求我們選用的安全傳感器，安全控制器和設計結構以及性能參數都要滿足相應的要求。以往很多惡劣環境的產品應用案例要不是雖然符合相關安全標準的性能參數，但是無法滿足現場的穩定運行；要不就是產品能夠實現相關的危險源識別但是產品不具有安全相關的性能參數，導致信號的準確性異常，從而產生不可預期的風險。

為了解決這些特殊應用的要求，安全雷達系統應用而生。我們要知道，在GB/T16855 和ISO 13849-1 標準中，將現場的風險進行了劃分，根據危害的傷害程度，發生頻率，危害是否能夠避免的可能性將風險等級劃分為PLa-Ple（五個性能等級），而我們工業場合應用的設備具有傳動部分的危險源，基本上風險評定都在PLc-PLd[3]。因此為了滿足設備的使用要求，我們需要將安全控制系統的設計達到對應的性能等級，所選用的安全傳感器產品也要達到PLc-PLd。而現今安全雷達產品的推出，就滿足了這一應用的需求。安全雷達傳感器的安全性能指標可以達到PLd，SIL2，Cat3 等級。可以完成危險區監測，例如，當有人進入危險區時，危險區監控會使機器立即進入安全狀態，但在維護等情況下，如果危險區內仍有人，則可防止機器自動重啟。防止后側入侵監控，如果一個機器人單元受到保護，則必須保證防止后面的入侵和安全重啟。機器人運行時，安全雷達處于非活動狀態。同時安全雷達傳感器擁有“環境自示教”功能，可以在不違反保護區的情況下默認將固定物體進行屏蔽，保證了在不規則區域內有效監控。同時，安全雷達系統還具有防篡改功能，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致安全檢測能力的丟失，但也可以在特定應用下關閉該功能，如車載設備上應用，如無人叉車，大型運輸車，軌道運行的行架車等，可以隨車運行，實現實時有效的安全監控。

2.安全雷達系統的應用特點

一個滿足工業安全要求的系統設計，首先需要選用的安全產品滿足應用要求，其次安全產品需要具有相應的性能指標，保證系統的準確性和穩定性，最后需要周期性的驗證以便確定安全系統在運行過程中的有效性。

而針對于惡劣的應用環境，安全雷達是現階段最好的應用方案，產品自身不僅達到對應安全等級要求，同時輸出安全信號，通過安全控制器的采集和邏輯運算實現了完整的安全自動化應用，在這些環節中，安全雷達具有冗余的內部檢測機制，可以實時對自身狀態和外界變化進行周期性的檢測，當發現異常之后能夠快速將信號傳遞給安全控制系統，而安全控制系統內部和外部結構設計同樣需要滿足冗余要求，同時具備內部相異化比較和判斷還有自我周期性檢測的安全設計要求。因此由這些安全產品共同搭建的系統才能保證我們的生產安全，可靠，穩定的運行。我們可以將安全雷達系統應用在安全伐木工藝，防止因為木屑的影響，可以應用在打磨工廠，防止粉塵的影響，也可以應用在戶外運輸設備，自動化無人車載設備，防止雨淋，強光的影響。

■結論

當下自動化應用領域產品眾多，實現我們的工藝需求可以有多種多樣的產品應用方案，如何根據不同場合，不同環境選用合適的安全控制方案，是我們要考慮的重點，選擇了正確的產品不僅能夠保證我們生產安全這一基礎要素，同時還能夠使我們生產效率得到提高，否則頻繁的維護和檢修也會大大降低我們的生產速率。因此安全雷達的誕生，為我們的應用需求增加了更多的選擇空間，為多樣復雜的設備保駕護航。