机械安全风险预警系统构建与应用.pdf

工业安全与环保40.Industrial Safety and Environmental Protection2023年第49 卷第8 期August 2023机械安全风险预警系统构建与应用周成1 2张相炎居里错1（1.南京理工大学工程训练中心，江苏南京2 1 0 0 9 4;2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京2 1 0 0 9 4）摘要为应对机器使用阶段因人、机器、环境状态改变导致风险水平发生变化，构建了一种机械安全风险预警系统。机械安全风险预警系统主要由用于实时监测风险因素状态的预警监测系统、确定风险级别的预警分级系统、减小风险的预警措施系统组成。以某工业机器人为例，构建了机械安全风险预警系统，并开展了预警实验。实验结果表明：机械安全风险预警系统能够实现机械安全风险因素自动监测、预警等级自动划分、预警措施自动执行。该系统能够通过在线数据监测与评估，对可能发生的不安全状态按等级发出警告，并及时采取相应防范措施，达到减小风险的目的。关键词机械安全风险预警预警系统机器人安全防护Construction and application of mechanical safety risk warning systemZHOU Chengl ZHANG Xiangyan?JU Likai(1.Engineering Training Centre,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)Abstract In order to deal with the change of risk caused by the change of human,machine and environment in theuse stage of machine,a mechanical safety risk early warning system was constructed.The system mainly consists ofearly warning and monitoring system for real-time monitoring of risk,early warning grading system for determiningrisk level and early warning measure system for risk reduction.For example,an industrial robot built a mechanical saf-ety risk early warning system and carried out early warning experiments.The experimental results show that the mech-anical safety risk early warning system can realize the automatic monitoring of mechanical safety risk factors,auto-matic classification of early warning levels and automatic implementation of early warning measures.Through onlinedata monitoring and evaluation,the system can warns of possible unsafe conditions according to levels,and take cor-responding preventive measures in time,so as to reduce the risk.Key words mechanical safety risk warning early warning system robot safety protection0引言随着科学技术的进步，机械化、自动化、信息化已成为工业领域的主要生产方式，对于减轻劳动强度、提高劳动生产率、改善劳动环境、降低生产成本等具有非常重要的意义。然而，伴随机械的大量使用，由于人的不安全行为、机器的不安全状态或恶劣的工作环境，机械安全问题经常发生。为确保机械安全，需从设计和使用方面采取安全措施。目前机械安全相关技术及标准研究主要针对设计方面，设计阶段开展风险评估主要考虑机器的各种限制，识别危险时考虑人与机器的相互作用、机器的可能状态、非预期的操作者条件反射行为、可合理预见的误用等 2 。然而事故往往发生在机器的使用阶段，设计阶段风险评估未考虑机器使用时随着时间、应用情况等变化而引起的人、机器、环境状态改变。如：人*基金项目：宁波市重点技术研发项目（2 0 2 1 Z089）。的一些危险行为（未按规定佩戴安全手套、穿着防护服，疲劳等）导致可接受风险水平变为不可接受风险水平；机器裂纹的出现导致安全状态变为不安全状态等。这种情况下，现有机械安全防护措施无法及时采取告警或预警措施，以避免事故发生或控制事故危害后果的扩大。安全风险预警技术通过建立技术系统实时风险预警机制，对危险状态进行超前性的信息警报或警告，从而将导致事故风险的原因事件消除，实现事故的超前预防 3。安全风险预警技术已应用于多个行业，是风险管理的有效手段之一 4-6 。工业领域安全风险预警技术主要应用传感器、物联网等技术对特定危险源对象、事故危害类型进行实时监测预警 7 。如：张伟等 8 针对塔式起重机结构安全和安拆作业程序安全，通过设置监测指标、预警阈值和预警等级，信息41提出一套基于物联网的塔式起重机安全监控系统；2机械安全风险预警系统组成王新浩等9 以特种设备安全监督检验大数据为基础，机械安全风险预警系统主要由预警监测系统、通过挖掘单台设备微观因素间的关联关系，实现整类预警分级系统、预警措施系统组成。预警监测系统特种设备宏观安全风险的识别与预警；彭玉敬等 1 0 利实现风险要素的监测；预警分级系统根据预警监测系用GIS信息采集平台及风险预警模型实现危险源信统输入值确定风险级别；预警措施系统根据风险等级息的采集、数据挖掘分析等，实现煤矿企业风险治理采取对应级别措施。的精准管控。2.1子预警监测系统机械安全风险预警通常考虑人、机器、环境及其预警监测系统架构如图2。预警监测系统功能复合效应等要素，针对这些要素可能产生的风险，通主要有数据采集、数据操作、数据输出等。数据采集过在线数据监测与评估，对可能发生的不安全状态通过感知和传输技术从目标对象获取实时数据；数按级别发出警告，并及时采取相应防范措施，以避免据操作对采集到的信息进行滤波、放大等相关操作，人体受到伤害。机械安全风险预警是一种预防机械使其可用于数据分析；数据输出将分析后的数据按事故、提高安全管理效率和水平的有效手段。智能照数据类别的输出形式进行输出。工厂已能够实现人、机器、环境状态信息的实时监测，工业现场人、机器、环境状态信息是随时间域改可根据实时监测信息，开展机械安全风险预警，达到变的动态过程，具体表现在人、机器、环境监测对象减小风险并提高机器工作效率。的时变性，生产工艺流程的渐进性,控制决策系统的机械安全风险预警的实现依赖于风险预警系统。智能性。为实现生产过程人、机器、环境状态信息的本文拟构建一种机械安全风险预警系统，针对可能实时监控，预警监测系统需要通过各类型传感器，采对人产生伤害的机械设备，通过在线数据监测与评用工业物联网、无线射频识别、图像识别、短距离无估对可能发生的不安全状态按等级发出警告，并及线通信等技术，实现生产过程中人的状态信息（如人时采取相应防范措施，以达到减小风险的目的。的安全着装、人的空间位置、人的健康状态）、机器的1机械安全风险预警流程状态信息（如机器运行状态、机器操作状态）、环境的在产品设计或使用阶段，按照文献 2 规定开展状态信息（如温度、湿度、噪声）数据的采集、操作、输机器的风险评估，针对风险评估确定的重大危险，首出、存储和显示。先通过本质安全设计措施减小风险，如不能达到充风险要素监测方式分的风险减小，在机器或系统能通过数字化监测获人的状态监测机器的状态监测环境的状态监测取状态信息的情况下，可开展风险预警。风险预警视频跟着装智室内定位装一般流程如图1，主要包括监测要素确定、风险值计能穿戴装算模型确定、权重确定、预警级别界限确定、监测数据采集与处理、风险值计算、预警级别输出、预警措施实施、措施评估等环节。监测数据采集机器监测要素确定环境权重确定风险值计算模型确定预警级别界限确定预警措施类型确定是否安全状态否是顾警措施解除图1 风险预警一般流程裂纹监测装 火花探测装振动测量装置置置置直置开始数据采集口采集模拟、数字信号与处理口将模拟信号转换为数字信号数据存储是否安全状态是风险值计算级预警对应过应预警级别输出级预警级预警对应对应级预警V级措施级措施预警措施实施级措施腊施评估级措施气体监测装温粉尘检测装度监测装置数据操作口执行信号处理（如滤波、快速傅里叶变换等）口执行特征提取数据输出口人的状态信息口机器的状态信息口环境的状态信息图2 预警监测系统功能架构2.2子预警分级系统预警分级系统功能架构如图3。预警分级系统接受预警监测系统提供的风险监测值（即预警监测系统的输出值），使用风险值计算模型计算风险值，示安全继电器42同时实现风险值的归一化处理；根据风险值实时将其转化为代表IV级预警、III级预警、II级预警、I级预警的输出信号，最终将预警级别信息输出至预警措施系统，同时具有数据存储与信息显示功能。监测值输入计算风险值数据存储风险值归一化预警级别确定输出图3预警分级系统功能架构在预警分级系统中采用风险值计算模型计算表征风险严重程度的数值。应根据实际应用场合及需求，设计包含人、机器、环境等监测要素在内的风险值量化计算模型。可采用如下模型 1：Rv=AEi,G+Bxb,G,+CckyG(1)式中,Rv为风险值；A、B、C分别人、机器、环境要素的对应权重,A+B+C-1;a:为人的要素指标值,对应的权重为i,G,为监测值,Za;=1,Z;=1,系统监测到该要素时G=1,未监测到时G=0;b,为机器的要素指标值,对应的权重为,G,为监测值，Zb,=1,Z,=1,系统监测到该要素时 G=1,未监测到时 G=0;Ck为环境的要素指标值，对应的权重为k，G 为监测值，Zck=1,Zyk=1,系统监测到该要素时 G=1,未监测到时 Gi=0。根据风险值计算结果，从小到大将预警级别分为IV级预警、II级预警、II级预警、I级预警，依据经验或大数据分析等方法设置不同预警级别的风险值界限值分别为RVne、Rv b，Rv n a，预警级别划分如表1。表1 预警级别划分风险值预警级别采取最低级别预警措施减小ORVNRVNeIVRVNRVNRVNbIIIRVNoRVNRVNaRVNaRVN12.3预警措施系统预警措施系统如图4。预警措施系统是最终执行安全功能的硬件系统，其根据预警分级系统确定的风险等级采取对应级别措施，将应用环境中人、机器、环境风险降低至可接受水平，或达到安全状态。预警措施系统通常包括普通逻辑单元、安全逻辑单元和执行单元。预警措施系统的安全逻辑单元、执行单元功能与安全控制系统相同 1 2 。由执行单元控制的执行器不再局限于安全控制系统的非受控停止、受控停止等，而是扩展到声音、灯光、机器减速等预信息显警措施。预警级别信息示安全逻辑单元预警措施系统执行单元执行器图4预警措施系统功能架构预警措施实施流程如图5，预警措施系统依据输入的预警级别信息，采取对应级别的预警措施。若预警措施未响应，在预警级别升级的情况下，预警措施升级；若预警措施响应，展开措施评估，措施评估未达到安全状态时，返回预警级别输入，达到安全状态时,预警解除。开始预警级别输入预警措施特征否是否响应风险的低风险是措施评估需要在合适的时机采取警示措施减小风险的一般风险要求立即采取相应警示措施减小风险的较大风险需要立即采取消除危险或减1小风险措施的重大风险模块化安全系统安全PLC阀接触器换流器语音警报器灯光警示器机器减速机器停机否预警级别是否升级是措施升级否是否达安全状态是预警解除结束图5预警措施流程是是否响应否43预警措施主要有信息措施（如视觉信号、听觉信种类型，以达到消除危险或降低风险的目的。根据号等）、人工措施（如人工警示、急停等）、机器措施（如预警级别，将预警措施对应分为IV级措施、III级措机器减速、停机等)等类型。根据需要选择1 种或多施、II级措施、I级措施4个级别，具体见表2。表2 预警措施等级预警级别措施等级采取信息措施，必要时可采取非即时人工措施IV级预警IV级措施或机器措施采取信息措施，必要时可采取即时人工措施或需要在合适的时机采取警示措施减小风险的II级预警III级措施机器措施采取信息措施和机器措施，必要时可采取即时要求立即采取相应警示措施减小风险的较大I级预警I级措施人工措施采用信息措施和机器措施，必要时可采取即时需要立即采取消除危险或减小风险措施的重I级预警I级措施人工措施3应用案例3.1系统总体设计人与机器人协同工作可明显提高生产力。但人和机器人工作区域在空间和时间上的重合，带来了机械安全问题，本文以某工业机器人为例说明机械安全风险预警系统应用过程。采用工业物联网平台Thingworx为数据总线，应用物联网、云计算、数字李生等新一代信息技术，构建由预警监测系统、预警分级系统、预警措施系统、基于数字李生的监控系统组成的工业机器人机械安全风险预警系统，实现工业机器人工作过程中风险因素自动监测、预警等级自动划分、预警措施自动执行的功能，系统总体方案如图6。预警监测系统主要实现人、机器人、环境风险要素的监测；预警分级系统主要根据预警监测系统输入值确定风险级别；预警措施系统根据风险等级采取对应级别措施，基于数字李生的监控系统主要用于实时监控系统状态，为现场管理提供可视化监控手段。现场数据采集、数据处理、风险值计算、预警级别信息输出、基于数字李生的监控系统等采用Thingworx物联网平台完成。3.2预警监测考虑人、机器、环境等风险要素，通过风险评估存在如下危险：1）人或可移动设备接近工业机器人，由于机器人关节臂运动导致的挤压/碰撞。2)机器人使用过程中由于螺栓松动导致的机器人跌落。3机器人使用过程中因夹具无法夹持工件导致工件甩出，击伤人体。4)因环境状态异常加速机器人零部件磨损同时产生噪音，导致人的疲劳听力损伤。确定监测要素包含人距离机器人底座中心距离措施特征采取最低级别预警措施减小风险的低风险一般风险风险大风险(L）、机器人紧固螺钉振动加速度值（）、机器人夹具供气压力(P)、工作场所环境温度()与湿度(H)。采用安全激光扫描仪监测L，振动传感器监测，压力传感器监测P，温湿度传感器监测与H，传感器安装完成后的机器人如图7。3.3预警分级采用式(1)风险值计算模型。通过分析历史数据，采用专家咨询权数法，确定各要素权重如表3。如监测到人机距离0 L1000mm，机器人紧固螺钉振动加速度值1010m/s、夹具供气压力0 P470kPa或530 kPaP1000kPa、温度 45、相对湿度9 5%H100%等极限情况时，风险值RvN-1,此时预警级别为I级预警。单项要素风险值Rv计算公式为：Rv;=M,M,xM,xM4式中，M为指标要素；M为预警指标；M为因素风险值；M4为监测值。如监测到某要素时M4=1，未监测到时M=0。由式(1)、式(2)与表3,可得实时风险值Rv:Rv=AiAi+B(iBi+2B2)+C(yiCi+y2C2)(3)依据经验确定的预警级别界限如表4。表4预警级别界限确定风险值预警级别0Rv0.1IV0.1Rv0.25II0.25Rv0.55II0.55Rv113.4子预警措施通过安装于机器人工作台上的警示灯、蜂鸣器（如图7），配合机器人减速、机器人停止等措施保护人的安全。预警措施如表5。(2)基于数字李生的监控系统虚拟模型构建模型驱动44预警监测系统安全激光扫描仪()人机距离数据库一预警分级系统预警措施系统警示灯蓝黄橙红低高减速减速频频至至70%20%停止图6工业机器人机械安全风险预警系统总体方案表3监测要素权重指标要素M预警指标M人与机器人间距离人(A=0.7)2 000L3 000(预警区 II)L/mm(A,=1)3000L4000(预警区I)L4000(安全区)a10螺钉振动加速度al2a10(10g)(Bi=0.5)机器人(B=0.2)夹具供气压P/kPa(B2=0.5)温度/(C;=0.6)环境(C-0.1)相对湿度 H/%(C2=0.4)机器人振动传压力传感感器器螺钉供气环境环境加速度压力温度湿度实时数据数据处理风险值计算预警级别信息预警措施信息安全控制器蜂鸣器1 000L2 000(预警区 III)0a20P470或 530 P1 000470P490或51 0 P530490P5100 45508或42045804295H10085H950H85环境温湿度传感器IV级预警II 级预警级预警I级预警I级措施级措施II 级措施IV级措施机器人指标范围0L2=1/2=0设备实时映射虚拟场景状态看板监测值M4备注1/0Rv=11/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/01/0Rv=1Rv=1Rv=1Rv=145可以看出此时系统处于IV级预警，警示灯蓝色灯光亮起，机器人1 轴转速1 2 0 r/min。工业机器人2)人侵入预警区II时，监控系统界面如图9(b)，TC可以看出此时系统处于II级预警，警示灯黄色灯光亮起，蜂鸣器低频鸣叫，机器人1 轴转速8 4r/min。警示灯3)人侵入预警区III时，监控系统界面如图9(c），可以看出此时系统处于I级预警，警示灯橙色灯光亮起，蜂鸣器低频鸣叫，机器人1 轴转速2 4r/min。振动传感器4)人侵入危险区时，监控系统界面如图9(d),可温湿度传感器以看出此时系统处于I级预警，警示灯红色灯光亮蜂鸣器起，蜂鸣器高频鸣叫，机器人1 轴转速0 r/min。机器人机械安全风险预警系统人机距离3650mm压力传感器螺钉加速度182mg图7 安装传感器后的机器人供气压力495KKpa环境温度23表5预警措施危险区预警措施级别级别IV级预警IV级措施警示灯蓝色灯光亮起警示灯黄色灯光亮起，蜂鸣器III级预警III级措施低频鸣叫，机器人1 轴减速至原速度7 0%警示灯橙色灯光闪烁，蜂鸣器I 级预警I级措施低频鸣叫，机器人1 轴减速至原速度2 0%警示灯红色灯光闪烁，蜂鸣器I级预警I级措施高频鸣叫，机器人停止工作3.5风险预警实验图8 为应用数字李生技术构建的机器人机械安全风险预警监控系统，系统实时采集各传感器信息。机器人正常工作时，通过人接近机器人测试预警系统的效果，系统实时状态见图9。机器人机械安全风险预警系统人机柜离螺钉加速度mg供气压力Kpa环境温度环境湿度危险区预警区II预警区II预警X1图8 机器人机械安全风险预警系统1)人侵入预警区I时,监控系统界面如图9(a)，环境湿度62%IV级预警预警区II措施区1 I(a)人侵入预警区I机器人机械安全风险预警系统人机柜离2 536 mm螺钉加速度1 7 6 mg供气压力496Kpa环境温度23危险区环境湿度62%口IV级预警区II川吸预警风险信0.31口级预警区II口吸预警预警区1警示灯丁蓝黄口红蜂鸡器配低频高频1轴专速84s(b）人侵入预警区II机器人机械安全风险预警系统mm人机距离1628mm螺钉加速度178mg%供气压力497Kpa环境温度23口IV级预警环境湿度62%口级预警口V级预警风验值口级预警口吸预警整示灯蓝黄口红蜂鸡器口低频高频1轴专速口川级预警风险值0.11口川吸预警口吸预警警示灯蓝口黄口橙口红蜂鸣器口低频口高频1轴转速120/s预区II口川级预警风险值0.61预警区吸预警口吸预警预警区1警示灯口蓝口黄口红蜂鸡器低频口高频1轴转速24/s(c）人侵入预警区III 46.预警区II预警区/(d)人侵入危险区图9 监控系统实时状态4结论1）工业机器人预警实验结果表明：机械安全风险预警系统能够实现机械安全风险因素自动监测、预警等级自动划分、预警措施自动执行，达到减小风险目的。2)建立机械安全风险预警系统须考虑以下因素：经济性。考虑机器运行的关键程度、机器停机时间的费用、机器突然失效的费用、机器的费用、机械安全风险预警系统的费用。可操作性。应根据企业实际情况，把握影响机械安全的主要因素，建立合适的机械安全风险预警系统，使风险预警具有针对性、可操作性。定性与定量相结合。采用定性与定量相结合的方法开展，对可获得相应数据，应基于数据以定量方法为主，减少人为主观因素的影响和干预；同时，可兼顾一些常用的定性方法，使风险预警的结果更加客观、全面、合理。动态调整，持续改进。机械安全风险预警系统须根据技术进步做出相应调整，以满足更高要求。3)本文提出的机械安全风险预警系统可供各行业风险预警参考使用，对提升企业的安全管理水平有一定帮助。机器人机械安全风险预警系统人机柜离732mm螺钉加速度181mg供气压力496Kpa环境温度23环境湿度62%CIV级预警预警区I口川级预警风险口吸预警一级预警警示灯口蓝黄红蜂鸭器口低频高频1轴转速/s参考文献1JGAUTHIER F,CHINNIAH Y,ABDUAL-NOUR G,et al.Practices and needs of machinery designers and manufac-turers in safety of machinery:An exploratory 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