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在經濟全球化的今天, 對客戶多變需求的快速響應, 貨物送達的速度及準確性在企業發展進程中扮演著越來越重要的角色, 對互聯網企業, 如阿里巴巴, 亞馬遜等, 尤其如此!根據統計數據, 阿里巴巴中國平均每天需要快速處理1億個貨物包裹, 而有效支撐這么龐大數量貨物處理的正是大型智能物流倉儲系統。本文論述的倉儲系統基于歐洲最新的安全標準設計, 主要有軌道穿梭車 (RGV) , 大型存放貨架, 輸送系統, 堆垛機, 提升機和邏輯控制及上位機管理系統組成, 整個倉儲系統共分兩層設計, 依據其功能分為以下7個區域:

●區域1包含4臺堆垛機的自動化倉庫

●區域2包含多臺輸送機的自動化倉庫前緩沖區

●區域3包含1臺RGV的中轉一區

●區域4一層裝卸區

●區域5中轉一區 (一層) 和二區 (二層) 間的轉運區

●區域6包含1臺RGV的中轉二區

●區域7拆包區

安全設計總是開始于風險評估, 其目標是使得各類風險最小化達到可辨識的程度。本系統的風險評估面臨諸多挑戰, 如:系統主要組成部分和功能區域眾多, 需要每部分高度協同配合存取貨物;其次不僅需要對每個區域分析, 對區域之間的配合動作及其可能出現誤操作誤使用也需要進行預判分析。

風險評估是在產品設計階段降低潛在風險的一個重要工具。良好且有效的的風險評估會支持設計方和使用方開發出一套友好的安全解決方案, 它能夠降低安全系統失效的概率。在目前歐盟機械指令2006/42/EC里面有如下明確要求:

設備生產廠家或授權代表必須確保執行風險評估以便確定其滿足最低的安全要求。設備必須按照風險評估的結論進行設計和生產。

“The manufacturer of machinery or his authorized representative must ensure that a risk assessment is carried out in order to determine the health and safety requirements which apply to the machinery.The machinery must then be designed and constructed taking into account the results of the risk assessment.”

安全在相關標準或規范里面是一個相對概念, 實際上, 不太可能和完全沒有必要進行所謂的“零風險”設計, 這也是為什么我們允許殘余風險存在。在風險識別出后, 在迭代過程中需進行風險評價使得達到所要求的安全水平。在每一步迭代過程中, 我們不得不判斷是否必要和/或足夠的降低了風險以及是否需采取安全保護措施。很明顯, 增加保護技術是風險減少一種方法, 它能降低危害發生的可能性。風險減少的程度正比于保護技術執行其功能的可靠性, 而這正是功能安全的基礎。

按優先順序有以下五個步驟, 見圖1。

圖1 風險減少的五個步驟   下載原圖

目前, 一些標準和/或法規里或其他專業文件論述了安全控制水平與其影響因子 (危害嚴重性/頻率/可能性/規避性) 之間的關系。基于我們的項目經驗, 并考慮到此倉儲物流系統并不僅僅是單體設備, 我們參考并引用了過程安全領域中的一些有用信息, 匯總成表1和表2以便確定最終的安全控制水平。表2僅供一般性指導, 不應用于轉換目的。新標準ISO/IEC 17305將在不久的將來合并EN ISO 13849和IEC62061。*表示使用表2中的下一個控制水平。

表1 影響因子分類     下載原表

表2 安全控制水平     下載原表

為確保控制系統達到所需的安全水平, 相關標準中給出了一些因素, 例如:EN ISO 13849-1和EN 62061等。

●硬件架構

●組件可靠性

●診斷覆蓋率 (DC)

●共因失效 (CCF)

●過程處理

在參考功能呢個安全標準之前, 我們應該清楚哪些更適合本文論述的控制系統。參考圖2, 根據實際控制技術, 參考EN ISO 13849和IEC 62061。

圖2 功能安全標準   下載原圖

安全控制系統的設計步驟依據圖3順序并且每一步都應有文件存檔。

圖3 安全控制系統設計   下載原圖

控制系統依據風險等級至少需要達到等級3硬件架構, 設計中往往被忽視的一點是執行部件的反饋監控, 如接觸器, 液壓組件等。為了更好地進行診斷, 組件狀態的可靠反饋是必要的, 這可以通過使用“機械連接”的正向導向觸點來實現, 這些觸點是安全應用中反饋電路所需要的。在其整個生命周期中, 常閉和常開觸點始終不會同時閉合, 對于更大定額的組件, 通常稱為“鏡像觸點”。在本系統中, 我們選擇AB 100S-F系列接觸器, 如圖4。

圖4 100S-F系列接觸器   下載原圖

依據表3的安全聯鎖矩陣, 本系統使用了大量聯鎖組件, 而且通常它們都是串聯連接到安全輸入模塊。然而, 這樣的設計有一個明顯的弊端-故障屏蔽, 圖5。使用的聯鎖組件越多, 動作頻次越高, 將會導致高故障屏蔽率和低診斷覆蓋率, 圖6。即使終端用戶定期執行功能檢查和/或每年進行必要的維護, 其安全控制水平最高只能達到PLd, 而且這是由安全管理 (人為因素) 決定的。基于以上原因, 我們選擇ABB Eden非接觸式安全門聯鎖, 其每秒通過其電子器件進行多次自檢, 并且很容易達到PLe, 而這樣的設計不需要終端用戶的功能檢查。

圖5 故障屏蔽   下載原圖

表3 部分安全聯鎖功能     下載原表

圖6 故障屏蔽導致的診斷覆蓋率DC   下載原圖

軟件失效本質上是系統的固有特性, 失效是由它的架構, 編寫或編譯方式引起的。因此, 軟件故障主要是由生成它的系統引起的, 而不是由其應用引起。然而, 我們無需在軟件架構內部深究其原因, 如軟件工程中的V模型。在實際應用中, 大多數可編程安全設備都能提供“認證”功能塊或例程, 這大大簡化了設計人員和/或終端用戶的驗證工作, 但應注意對于最終完成的應用程序仍需驗證。對于既定的設計功能, 程序中使用的的安全塊及其內聯和參數化也應驗證是正確且有效的。本系統使用了西門子S7-1500 CPU1511F-1PN和ET200SP輸入/輸出安全模塊。對于安全程序驗證, 我們總結了如表4的主要檢查項目。

表4 安全程序檢查列表     下載原表

安全控制水平需要核算, 如以可管理的方式去執行, 軟件工具可提供出色的幫助。我們選擇使用由BGIA (現在稱為IFA) 開發的軟件工具SISTEMA, 使用SISTEMA, 可以“構建”安全功能, 驗證它們并生成所需的技術文檔。

過去, 我們更關注于生產和效率而忽視安全, 這導致了傷害和風險增加, 而今天, 大多數制造商和終端用戶都認為安全與生產同等重要。我們使用安全部件并嚴格滿足指令和標準要求, 并采用更好的診斷技術。在不久的將來, 顯然, 集成和智能安全控制系統將廣泛應用特別是在工業4.0時代, 更先進的控制算法和傳感技術將應用于機器人, AGV/RGV和其它自動化設備, 安全設備可通過安全網絡進行配置和編程。總之, 未來的安全對于設計者和終端用戶來說將是透明的。