连载 工厂智能安全防护系统构建之物理隔离方案

  工厂智能安全防护系统由物理隔离、联锁保护、权限管理、安全预警四大方案组成。本篇介绍了物理隔离方案的构成，固定式距离防护装置——围栏的设计要点，及其在采购、安装、使用、维护、拆卸等主要环节中的注意点，供工厂、设备商、集成商等有关人员参考。

  在上期文章《国内外安全生产的发展历史、现状与趋势》中，提到了企业主要负责人作为本企业安全生产第一责任人，在关注效率的同时应关注安全。为预防在生产的全部过程中发生人身、设备等各类事故，保护工作人员在生产中的安全，企业就要采取各种措施来构建本企业的安全防护系统。在具体的实施过程中，能够最终靠物理隔离、联锁保护、权限管理、安全预警四大方案的组合使用来构建智能安全防护系统。其中，物理隔离方案是机械安全领域智能安全防护系统构建的基础和必备要素；联锁保护方案，是在物理隔离的基础上加装各种保护设施，与机器构成联锁系统，以避免设备的意外启动；权限管理方案，是在物理隔离安全门的基础上加装授权进入受控区域的组件，以确保正确的人在正确的时间进入正确的区域；安全预警方案是与物理隔离、联锁保护、权限管理系统搭配使用的智能预警系统，是对其他三个系统的补充，用于减小安全防护对于人的安全意识的依赖。

  本篇首先对“什么是物理隔离方案，怎么样做物理隔离方案的设计和实施”展开详细介绍。

  安全防护系统中的物理隔离方案，从字面上来理解，就是用物理结构来实现危险区域隔离。本文中的物理隔离方案，主要介绍的是应用专业机械防护围栏进行人机物理隔离，防止相关人员非预期的进入和机械部件冲击来减小风险。物理结构有很多类型，在机械安全的有关标准中，这类物理结构被称为防护装置。标准符合性是安全防护系统模块设计的首要原则，设计人需要能够理解标准的语言；而方案的设计，最终要具体落地在产品的选型上。通用的产品命名与机械安全标准中的概念并不是一一对应的。设计人需要理解标准中的相关概念与市场上产品的对应关系，以满足方案设计时的标准符合性。机械安全标准体系及标准中对防护装置的定义如表1所示。

  结合表1，围栏属于固定式防护装置中的一种，是一种距离防护装置，凭借其尺寸、与危险区的距离起到防止或减少人员非预期进入危险区的作用。因围栏常与安全门、联锁装置组合使用，这三者构成的系统称为围栏防护系统。围栏及围栏防护系统结构如图1、图2所示。

  ——容纳或捕获由机器抛出或掉下的材料、工件、切屑、液体，减少由机器产生的排放(噪声、辐射、有害于人体健康的物质，如粉尘、烟雾、气体等)。

  此外，防护装置可能还需要具有与电、温度、火、爆炸、振动、能见度(见 GB/T8196)以及操作者位置人类工效学(如易用性、操作者的运动、姿势、重复运动)相关的独特特征。

  那么，在具体的物理隔离方案设计时，如何设计才能使其满足上述功能，下文将展开详细的介绍。围栏与安全门属于物理隔离方案的范畴，将在本篇中进行介绍；而联锁装置属于联锁保护方案的范畴，将在下篇中介绍。

  围栏的尺寸是一个项目很重要的参数，主要有围栏高度、围栏的下沿离地高度、金属丝网围栏面板的网格尺寸（或其他面板的开口尺寸）这三个要点。GB/T 23821－2022《机械安全 防止上下肢接触及危险区的安全距离》这一标准给出了设计参考。

  在确定围栏高度之前，应按照GB/T 15706－2012中的5.5确定伤害的严重程度和发生的概率，并测量危险区高度。如果通过围栏防护的危险仅会造成轻微伤害且发生概率低，则应按照GB/T 23821－2022的表1选择围栏的高度（即保护结构高度），否则应按照GB/T 23821－2022的表2选择围栏的高度。在不采用附加保护的方法的情况下，围栏的高度越低，围栏距离危险区的尺寸应越大。通常，围栏的高度宜选用1600mm、1800mm、2000mm或2200mm。当围栏高度小于1400mm时，应采取附加保护的方法。附图3及表2辅助理解。

  表2 高风险情况下越过防护结构触及的安全距离（GB/T 23821－2022的表2）

  危险区高度是一个相对确定的值，参考表2，在确定安全距离的情况下，可以再一次进行选择合适的围栏高度；也可以在确定围栏高度的情况下，选择正真适合的安全距离。

  除非风险评估结果表明可行，否则围栏下沿离地高度不应超过180mm，以避免人员从下沿开口进入危险区。围栏下沿离地高度如图4所示。

  金属丝网围栏面板的网格尺寸及其他面板的开口应符合GB/T 23821－2022中4.2.4的规定。开口尺寸e表示方形开口的边长、圆形开口的直径和槽形开口的最窄处尺寸。对应不同的身体部位，可以通过安全距离的要求，确定开口尺寸（对于围栏，即为网格尺寸）。也可以通过开口尺寸，确定安全距离的要求。

  防护装置要能够防止人非预期进入被防护装置封闭的空间，要求围栏应至少具备防止人员非预期进入危险区的功能，其抗冲击能力的基础值应不小于115J。115J为模拟总质量为90kg的人体从防护区外以1.6m/s的速度撞击围栏前的能量。

  防护装置要能够容纳或捕获机器抛出或掉下的材料、工件，就需要具备一定的强度，要求围栏应具备足够抵抗来自危险区内可预见撞击的抗冲击能力，应对防护区域内机器的部件或工件的冲击风险和冲击能量进行评估，并选用抗冲击能力不小于可预见冲击能量的围栏。如果机械运动部件冲击能量难以评估，宜选用抗冲击能力不小于1600J的围栏。1600J为模拟总质量为200kg的机械运动部件从防护区内以4m/s的运行速度撞击围栏前的能量。

  围栏作为一种通过螺栓螺母、焊接等方式固定的固定式防护装置，其固定用的组件（立柱及附件）的强度与固定方式、固定间距等也关系到围栏的整体强度。立柱柱体及底板应具备足够强度，相邻立柱的间距不应超过1500mm，每根立柱与地面使用不少于4个膨胀螺栓或化学锚栓进行固定。用于面板与立柱固定的连接件及紧固件应使用工具才能安装和拆卸。将立柱固定于地面的附件应采用不小于M10的膨胀螺栓或化学锚栓。

  防护装置要容纳或捕获由机器抛出或掉下的材料、工件、切屑、液体，减少由机器产生的排放(噪声、辐射、有害物质，如粉尘、烟雾、气体等)，要有与电、温度、火、爆炸、振动、能见度(见 GB/T8196)等相关的独特特征，基本都是由不同特性的围栏面板实现的。围栏面板材质与面板设计考虑要素如图5所示。

  除了根据安全距离选择正真适合的围栏开口尺寸，还要考虑其产生的飞溅物与排放物的类型，根据噪声、辐射、爆炸性环境的情况选择正真适合的面板材质与表面处理，根据观察能见度的需求选择正真适合的面板颜色。例如强腐蚀环境选用不锈钢材质的围栏，对于存在熔融金属飞溅的场景选用铁板围栏面板。

  如何根据观察能见度的需求选择正真适合的面板形式和颜色，GB/T8196的5.9和5.22中给出了指导。当一定要通过防护装置观察机器的运行时，选择的材料应具备合适的特性。如果采用穿孔材料或金属网，则宜有大小合适的开口和适当的颜色以便于观察。如果穿孔材料的颜色比观察区域暗，则会有增强观察的效果。在防护装置打开或不用时，能够正常的使用合适的颜色来凸显出危险，引起人员对危险的注意。例如：防护装置与机器涂刷相同颜色，而危险部件涂刷鲜艳的对比颜色。若需要观察过程，则穿孔材料制作的防护装置不宜涂上鲜艳的颜色，如黄色，这可能会干扰对过程的观察。对应到围栏上，也就是若需要观察防护区内部，则金属丝网等穿孔材料面板应选用深色面板，如黑色（可搭配黄色立柱突出整体的危险区）。若需要突出对危险区的注意，宜选用黄色面板。比机器颜色深的面板颜色利于观察，黄色不利于观察，比对效果图如图6。

  除了设计环节的要求，在围栏产品采购、安装、使用、维护、拆卸等过程中，也有一些需要仔细考虑的点。

  对于不易观察的围栏特性，如抗冲击能力，材质的环保性，应要求生产厂商出具第三方测试报告。还应注意，几家头部厂商的围栏附件是有设计专利的，防护装置在标准中定义又是“设计为机器的组成部分”，设备商在采购与设备配套的围栏时应格外的注意专利侵权的风险。

  应特别注意要根据厂商提供的安装指导手册或说明书来安装，以保证围栏的强度。如固定在水泥地面，安装前要检查地面的强度及平整度，不平整的地面可用特定的垫片垫平。安装时，危险区高度和围栏的高度已确定，因此要格外的注意安全距离是不是满足标准，要根据图纸上标注的距离安装。验收时，要特别检查是否存在为了节省工时或其他情况发生的漏装或少装膨胀螺栓的情况。

  应注意可能存在的工位操作人员认为围栏降低效率而自行拆除、破坏围栏结构的情况，要通过培训教育、管理措施、检查维护来避免这种情况的发生。

  应定期检查围栏是否有部件丢失或损坏的现象，如金属丝的脱焊，是否有产生颜色变形对安全产生负面影响的部件，是否有腐蚀、催化的部件，安全门是否平稳运行，进行及时维修或者更换。设备生产商应注意，其提供的围栏作为机器的组成部分，在设备的说明书中也应包含围栏等防护装置的相关内容。

  应根据使用说明书中给出的拆卸围栏之前需采取的措施进行规范操作，如断开机器动力、释放储存的能量和拆卸围栏的步骤等。

  本篇介绍了物理隔离方案的构成，符合规定标准的设计要点以及各个环节中的注意点，期望对工厂、设备商、集成商等相关从业人员提供参考。下篇将对工厂智能安全防护系统中的联锁保护方案展开详细介绍。

  [1]GB/T 8196－2018《机械安全 防护装置 固定式和活动式防护装置的设计与制造一般要求》

  [2]GB/T 15706－2012《机械安全 设计通则 风险评估与风险减小》

  [3]GB/T 23821－2022《机械安全 防止上下肢触及危险区的安全距离》