浅析安全雷达在恶劣环境下的安全解决方案

皮尔磁公司 窦振伟

■引言

安全自动化解决方案的基本要求是在满足工艺运行的前提下，针对于各个环节所可能对人员或者交互设备产生危害或者损坏的区域进行合理合规的安全设计，一般可以通过“三步法”消除或者减小相关的风险，第一步：本质安全设计措施，也称直接安全技术措施，指通过适当选择机器的设计特性和暴露人员与机器的交互作用，消除或减小相关的风险。此步是风险减小过程中的第一步，也是最重要的步骤。第二步：安全防护措施，也称间接安全技术措施。如果仅通过本质安全设计措施不足以减小风险时，可采用用于实现减小风险目标的安全防护措施。第三步：使用安全信息，也称提示性安全技术措施。如果以上两步技术措施不能实现或不能完全实现时，应使用信息明确警告剩余风险，说明安全使用设备的方法和相关的培训要求等[1]。

■安全传感器监控层的功能作用和产品应用

1.安全传感器的应用特点

作为工业自动化运行的基础，实现不同时刻，不同节拍的运行变化，传感器是功不可没的，传感器可以分成标准传感器和安全传感器，标准传感器通常是用来采集产品的位置或者状态信息，将信号传递给控制器，以便控制器得到信息后进行下一步的操作，是为了实现工艺流程的顺畅执行而存在的；而安全传感器是需要用于监控人员或者设备之间发生交互的状态，如果监控的区域中安全传感器信号发生了变化，那代表可能会有危险的发生，需要安全传感器准确的将信号传递给安全控制器，安全控制器有效，快速的执行所需的停止或者制动报警功能。标准传感器通常是一种动态的运行，而安全传感器一般是处于静态运行的。

由于两者功能的不同，因此传感器的结构和原理也会有很大的区别。传感器的原理可以分成机械式传感器，通过物理位置的变化从而将信号传递给控制器，常见的限位开关，凸轮开关，铰链开关等。另一种式非接触式传感器，其原理众多，有电感，磁力，电容，超声波，光学，RFID 等，根据接近物体诱发其物理特性从而产生电信号的变化，传递给控制器实现输入信号的采集。而不论机械式传感器还是非接触式传感器都具有非编码和编码两种触发方式，简单解释就是非编码方式可以不限定触发条件或执行机构，而编码式传感器需要特定的触发条件或者执行机构作用才能产生所需要的信号变化。因此，我们通常使用非编码式的传感器作为标准工艺运行的信号采集产品，而安全监控类传感器的功能原理都需要满足编码触发方式。我们此次所介绍的安全雷达传感器属于编码式触发，以便更加安全准确的将信号传递给安全控制器。

2.安全雷达的应用和特点

安全雷达传感器一般基于FMCW 技术即调频连续波和脉冲雷达技术是两种在高精度雷达测距中使用的技术。其基本原理为发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离，根据计算的距离和雷达控制器内置的安全距离判定，保证人员靠近时有效的监控并向安全控制器快速传递正确的信号[2]。

3.安全雷达和其他安全类产品的区别和优势

在工业安全风险评估中要求凡是一些传动部位会直接或者间接的在发生异常情况下会对人体产生伤害的机器都必须加以保护措施，我们在本质安全设计无法解决人员和危险源隔绝的情况下，会使用安全防护措施来监控危险区域的情况。

常用的安全传感器有安全开关，安全光电装置或者安全雷达系统，通常情况下安全开关的应用大多数限定在对于门状态的监控，应用普遍，但是无法实现内部人员滞留状态的监控，另外对于需要开放式的区域防护，安全开关无法实现对于人员靠近的有效监控。为了避免人员在危险区域内机器误启动对人员的伤害和开放区域人员接近危险源的监控，通常情况下，工业现场会采用安全光电保护装置的安全设计解决方案。我们常常使用安全型单束光电开关，安全光幕和安全扫描仪来进行区域防护。

但是随着自动化应用的广泛普及，越来越多的行业和特种设备需要通过有效的安全自动化控制来保证安全生产，因此安全传感器应用所面临的环境也多种多样，传统的工业现场有着干净的厂房和适宜的生产环境，但是如伐木工厂，金属打磨工厂，机器人焊装工厂，户外应用的大型运输设备等都面临着使用环境恶劣，灰尘粉尘浓度大，异物火花飞溅，温度湿度光线差异明显的特点。由于安全光电装置基于光学原理，因此会受到光线，灰尘，表面异物附着的影响，无法在上述的环境中稳定运行。在过去，这些环境的应用我们很难找到合适的安全传感器进行有效的使用，而如今，我们可以使用安全雷达系统进行有效的安全监控。由于检测原理的特点，安全雷达传感器具有很强的鲁棒性，可以在粉尘浓度高，淋雨潮湿，光照强等环境稳定的监控，同时雷达的监控是三维立体区域，也能做到检测区域的全面覆盖。

■安全雷达系统的完整解决方案

1.相关标准下的安全指标

我们都知道，符合安全要求的系统设计，各个环节都需要满足相关的标准要求，比如控制系统有关安全部件的设计标准我们就要遵循GB/T 16855 和ISO 13849-1 的要求，这就要求我们选用的安全传感器，安全控制器和设计结构以及性能参数都要满足相应的要求。以往很多恶劣环境的产品应用案例要不是虽然符合相关安全标准的性能参数，但是无法满足现场的稳定运行；要不就是产品能够实现相关的危险源识别但是产品不具有安全相关的性能参数，导致信号的准确性异常，从而产生不可预期的风险。

为了解决这些特殊应用的要求，安全雷达系统应用而生。我们要知道，在GB/T16855 和ISO 13849-1 标准中，将现场的风险进行了划分，根据危害的伤害程度，发生频率，危害是否能够避免的可能性将风险等级划分为PLa-Ple（五个性能等级），而我们工业场合应用的设备具有传动部分的危险源，基本上风险评定都在PLc-PLd[3]。因此为了满足设备的使用要求，我们需要将安全控制系统的设计达到对应的性能等级，所选用的安全传感器产品也要达到PLc-PLd。而现今安全雷达产品的推出，就满足了这一应用的需求。安全雷达传感器的安全性能指标可以达到PLd，SIL2，Cat3 等级。可以完成危险区监测，例如，当有人进入危险区时，危险区监控会使机器立即进入安全状态，但在维护等情况下，如果危险区内仍有人，则可防止机器自动重启。防止后侧入侵监控，如果一个机器人单元受到保护，则必须保证防止后面的入侵和安全重启。机器人运行时，安全雷达处于非活动状态。同时安全雷达传感器拥有“环境自示教”功能，可以在不违反保护区的情况下默认将固定物体进行屏蔽，保证了在不规则区域内有效监控。同时，安全雷达系统还具有防篡改功能，在固定安装在危险源周围时，激活防篡改功能可以保证不会因为被移动或者碰撞而导致安全检测能力的丢失，但也可以在特定应用下关闭该功能，如车载设备上应用，如无人叉车，大型运输车，轨道运行的行架车等，可以随车运行，实现实时有效的安全监控。

2.安全雷达系统的应用特点

一个满足工业安全要求的系统设计，首先需要选用的安全产品满足应用要求，其次安全产品需要具有相应的性能指标，保证系统的准确性和稳定性，最后需要周期性的验证以便确定安全系统在运行过程中的有效性。

而针对于恶劣的应用环境，安全雷达是现阶段最好的应用方案，产品自身不仅达到对应安全等级要求，同时输出安全信号，通过安全控制器的采集和逻辑运算实现了完整的安全自动化应用，在这些环节中，安全雷达具有冗余的内部检测机制，可以实时对自身状态和外界变化进行周期性的检测，当发现异常之后能够快速将信号传递给安全控制系统，而安全控制系统内部和外部结构设计同样需要满足冗余要求，同时具备内部相异化比较和判断还有自我周期性检测的安全设计要求。因此由这些安全产品共同搭建的系统才能保证我们的生产安全，可靠，稳定的运行。我们可以将安全雷达系统应用在安全伐木工艺，防止因为木屑的影响，可以应用在打磨工厂，防止粉尘的影响，也可以应用在户外运输设备，自动化无人车载设备，防止雨淋，强光的影响。

■结论

当下自动化应用领域产品众多，实现我们的工艺需求可以有多种多样的产品应用方案，如何根据不同场合，不同环境选用合适的安全控制方案，是我们要考虑的重点，选择了正确的产品不仅能够保证我们生产安全这一基础要素，同时还能够使我们生产效率得到提高，否则频繁的维护和检修也会大大降低我们的生产速率。因此安全雷达的诞生，为我们的应用需求增加了更多的选择空间，为多样复杂的设备保驾护航。