探索集成生产制造系统(IMS)最新安全标准ANSI B11.20
ANSI B11.20-2017 为保护在集成生产制造系统（IMS）上或附近工作的工人，增加了一些流程，从而改善了工人工作环境的安全性。
各个行业自动化和生产制造系统都在持续发展以跟上新的市场趋势，但那些在系统上或附近区域工作的人员的安全，仍然是一个关键问题。现在可以使用最新更新的标准ANSI B11.20-2017——集成制造系统的安全要求，来帮助行业了解与工人安全相关的指南、趋势和要求。
随着工业4.0、工业物网络 (IIoT)、智能制造和最新的自动化技术 ( 如动力受限的机器人和伺服驱动设备) 的融合，大规模定制将推动制造业向更加灵活的、按需生产模式转变。这一行业模式的核心之一就是集成制造系统 (IMS)。
集成制造系统一般包含以下要素：
☑ 包含两台或多台工业机器：可以彼此独立操作，也可以是用于 制造、处理、移动或包装的分立零件或组件；
☑ 由物料处理系统连接的；
☑ 通过控制系统相互连接，以实现协调操作。
集成制造系统通常与机器人系统相关联。因为机器人经常与至少一台其他机器组合在一起成为一个单元 ( 见图 1)。不过，将一个系统定义为集成制造系统，机器人并不是必须的。
图 1: 图中所示是集成制造系统的一个例子，它体现了ANSI B11.20-2017 - 集成制造系统的安全要求中的一个概念。图片来源: Sick
安全标准
由于现有的集成制造系统不断更新，并且引入了额外的系统来满足市场需求，因此在集成制造系统上或周边工作的人员的安全至关重要。ANSI B11.20-2017 旨在解决潜在的安全问题，并帮助实现工作环境安全。这一标准已更新到第三版，并于2017 年9月12 日获得批准， 它是ISO 11161: 机械安全- 集成制造系统- 基本要求的美国版本，从2007 年以来，在欧洲两者是一致的。
ANSI B11.20 是第一个解决复杂自动化系统安全问题的标准，这些问题都源自将单个机器集成到一个更大的协调系统中。第一版的ANSI B11.20 颁布于1991 年， 其后是其欧洲版的 ISO 11161, 颁布于1994年。ANSI B11.20 的第二个修订周期完成于2004 年；ISO 11161 在2011 年完成更新。2017 版的 B11.20 介绍了目前适用于集成制造系统的行业最佳做法，这些实践已经在过去的一年中得到了发展和完善。
ANSI B11.20 旨在指导供应商、用户、修改人员和在集成制造系统上或周边工作的人员。每个集成制造系统的大小和复杂性都各不相同，并且可能包含需要不同专业知识的各种技术。
集成制造系统应该被认为是一个新的、不同的系统，而不是它的组成部分的总和。危险通常是特定集成制造系统所特有的。危险的数量和类型直接关系到自动化过程的性质和安装的复杂性。与这些危险相关的风险，因所使用的机器类型、用途、安装、编程、操作和维护的方式而不同。
供应商计划将独立运行的单个机器集成到集成制造系统中，以进行协调运行，这通常会引入新的或额外的危险，而这些危险是很多原始设备制造商 (OEM) 没有预见到的。更新的标准涉及到与安全相关的机器和设备互联的重要方面。换言之，也可能存在适用于特定机器的标准来提供指导，以减少与每台机器相关的风险以及它们所带来的独特危害。
划分控制区域
在2017 版的标准中，进一步强调了被称为 " 布局分析" 的过程。此过程类似于 ( 并且可以被合并到) 风险评估，建议在较大的系统中创建单独的区域。保护在这些区域内的人员通常需要灵活的存在传感技术和与安全有关的逻辑系统，以确定在特定区域内，是否允许出现危险工况存在。
将集成制造系统划分为较小的控制区域的最大好处是，例如在生产模式下，允许工作人员在安全的情况下访问自动化系统的某些部分，同时仍允许其它部分保持运行状态。这有助于最大限度地提高系统的生产率和产量；对单个组件所需的任何修改 ( 如维护、更改、设置等) ，都不需要关停整个系统 ( 请参见图 2)。
图 2: 布局分析是 ANSIB11.20-2017 标准要求的一部分。图中所示是集成制造系统中控制区域的一个示例。
为了确定系统中的控制区域，布局分析过程包括以下步骤：
☑ 确定机器和系统的限制；
☑ 从风险评估中识别任务/ 风险对；
☑ 确定任务区域和控制区域；
☑ 选择减少风险的措施；
☑ 确定安全相关控制装置的控制范围。此外， 布局分析过程是一个迭代过程，可以作为减少风险的一部分重复进行，并可能会导致下列一项或多项操作:
☑ 修改布局、集成制造系统的功能或限制；
☑ 修改或添加新的特殊运行模式；
☑ 变更或修改设备以取消或修改任务；
☑ 确定新的访问方式；
☑ 修改任务的执行方式。
当剩余风险和集成制造系统功能可接受时，布局分析就完成了。
ANSI B11.20-2017 详细的解释了布局分析过程，并专门用30 页的附件，来提供使用过程的详细示例。
特殊操作模式
新标准还提出了一个决策过程，用于确定何时需要其它 " 特殊" 模式，来操作集成制造系统内的设备，而这在设备独立运行或设备供应商预见的典型方式下是不需要使用的。
" 特殊模式" 的概念近十年来一直以某种形式存在。当第一次出现时，这个概念被称为 " 过程观察"，并已包含在目前的工业机器人系统和集成的安全标准中，ISO 10218-2:2011 机器人和机器人设备。在美国，这个标准被采纳为 ANSI 或 RIA R15.06-2012: 工业机器人和机器人系统- 安全要求，在加拿大则是CAN/CSA Z434-14: 工业机器人和机器人系统。但是，ANSI B11.20-2017 认为，过程观察并不是此决策过程仍然适用的唯一特殊操作模式。
在特殊模式下运行集成制造系统，需要结合特定的风险减少措施和安全的工作程序，以便在特殊模式处于活动状态时为操作员提供保护。特殊模式通常通过限制速度、位移、扭矩、通道等方式，来限制潜在的危险工况。它还限制了特殊模式不需要的潜在危险 ( 例如，允许螺杆慢速运动允许清洗，但禁止其它运动或位移)。
ANSI B11.20 中提供的决策过程，帮助集成商和系统用户进行重点通信，以确定是否可以安全地将特殊模式实现到集成制造系统中。一旦实现，每个特殊模式应该有唯一的命名，以便工作人员知道其功能。
随着最新版本的ANSI B11.20 在行业中开始应用，这些元素将被设计工程师测试和采用。预计，支持 " 特殊模式" 的决策过程，可以有效地应用于使用协同操作的机器人系统的安全设计。协同操作被定义为特定设计的机器人在限定的工作空间内与人类直接协作的状态。
图 3: 集成制造系统的典型机器人焊接应用。
由于具有动力限制功能 ( 也称为协作机器人) 的机器人越来越受到欢迎，最终用户将继续寻找新的和创造性的方法，与以前未被部件供应商或系统集成商考虑的系统进行集成和交互。ANSI B11.20-2017 中描述的" 布局分析" 和 " 特殊模式" 的概念将持续发挥作用，成为复杂自动化系统设计者必备的工具。
关键概念
■ ANSI B11.20-2017 新增加的要求；
■ 集成制造系统中的特殊操作模式；
■ ANSI B11.20-2017 中对布局分析的具体要求。
思考一下
在你的设施内，如何利用新标准来提高工人的安全？
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在线研讨会预告
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年10月刊《技术文章》栏目，原标题为：探索集成制造系统的最新安全标准
本期杂志封面
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