揭秘安全自动化：硬核技术如何撑起工业生产安全“保护伞”？

科技 2024-12-31 21:33 湖北

各类工业自动化设备在给制造业带来生产效率与产品质量显著提升的同时，其潜在的安全风险也不容忽视。旨在让潜在的安全风险变得可控的安全自动化技术，如今越来越多地应用于工业生产中。那么，什么是安全自动化？如何实现安全自动化？目前国内外主流的安全自动化厂商及其解决方案有哪些？本文将一一阐述。

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本文由e-works杨培原创发布。

工业自动化不仅是现代制造业的基石，更是推动企业实现智能制造转型的关键动力，引领着生产过程迈向高效、精准和柔性化新时代。然而，各类工业自动化设备在给制造业带来生产效率与产品质量显著提升的同时，其潜在的安全风险也不容忽视。而且，近年来，由于安全意识淡薄、安全规程不完善、操作失误、设备维护不当或设计缺陷等原因，使得生产现场的安全事故屡有发生。这些安全事故不仅可能造成生产中断、设备损坏，严重的甚至也会危及工人的人身安全，由此也给企业带来巨大的经济损失。

因此，旨在让潜在的安全风险变得可控的安全自动化技术，如今越来越多地应用于工业生产中。那么，什么是安全自动化？如何实现安全自动化？目前国内外主流的安全自动化厂商及其解决方案有哪些？本文将一一阐述。

需要说明的是，安全自动化技术通常涉及人员安全、设备物理安全和网络安全等多个领域。本文主要围绕安全自动化如何在工业生产环境中确保人员安全和设备物理安全展开论述。

什么是安全自动化？

作为工业自动化的重要分支，安全自动化是指利用技术手段使安全相关的操作、流程或系统部分或完全自动运行，目的在于减少设备损坏和故障，保障设备和人员安全，确保生产的连续性，实现安全高效的生产。通常来说，安全自动化主要包括以下内容：

🔵 安全监控自动化：也就是在工业生产环境中通过应用各种传感器（如温度、压力、流量、振动、声音、等传感器）和监控软件来实时收集和分析数据，一旦发现异常可自动检测、预警并根据预设的程序自动执行一系列安全措施，如启动紧急停机程序、关闭阀门、启动消防系统等，以防止事故的发生或扩大。同时，也可通过实时收集网络安全相关数据，如监测网络流量，及时发现和处理恶意攻击等异常网络行为。例如，通过入侵检测系统监测网络流量，分析数据包的特征和行为模式，及时发现异常流量，如分布式拒绝服务攻击（DDoS）的流量洪峰或者可疑的端口扫描行为，为网络安全防护提供预警。

🔵 安全控制自动化：主要涉及利用自动化技术对安全相关的流程、设备和系统进行自动化控制，实现自动执行安全策略与规则、设备安全的自动化控制以及基于反馈的动态控制等，从而确保人员、设备和环境的安全。在工业自动化生产线中，安全控制自动化的作用尤为突出。当监控系统发现生产流程中的异常情况，如输送带速度异常、机械臂运动超出安全范围等，自动化系统可以迅速采取措施，紧急关停相关设备，避免设备损坏和人员伤亡。

🔵 事件响应自动化：当安全事件发生时会自动触发响应机制，同时能够自动记录事件相关信息，包括事件发生时间、类型等，方便后续分析，为安全策略调整提供依据。例如，当有人员违规闯入工业机器人运行的危险区域，系统会自动响应并触发警报，通知相关责任人或直接启动安全措施（如停止工业机器人运行），同时对违规事件相关信息进行记录。

🔵 安全检测自动化：是指利用自动化工具、技术和流程，对系统、网络、设备、软件以及物理环境等进行自动检查，以发现潜在的安全风险。例如，在工业现场的重要设施区域，通过安全激光扫描仪、安全雷达传感器或安全照相系统等，可以检测是否有未经授权的人员进入、人员是否在危险区域长时间停留、物体是否被非法移动等情况。这种自动化检测可以提高物理环境的安全性。

总的来说，安全自动化是一种利用自动化技术手段来监控、检测、控制和应对潜在安全风险，以保障人员、设备和环境安全的技术理念和手段。作为工业自动化的重要组成部分，安全自动化技术继承了许多工业自动化的基本技术，如传感器技术、控制器技术、通信技术和执行器技术等，并在这些技术的基础上进行了专门的安全性能优化，能够为自动化设备及产线等的运行提供高效且可靠的安全保障。

如何实现安全自动化？

对企业而言，实现安全自动化是涉及多方面的复杂过程。首先，企业需要全面评估自身生产环境、业务流程、系统架构等的安全风险，了解行业相关的行业法规、安全法规和最佳实践，并在此基础上确定安全自动化的具体需求与目标，如缩短安全时间的响应时间，减少特定类型安全事故的发生率，提高设备的安全性与可靠性等。其次，选择适合的安全自动化技术和解决方案，并将这些技术与解决方案与现有生产环境及系统相集成，进行功能、可靠性和安全性的测试验证。再次，要注重对操作人员、维护人员和管理人员进行安全自动化系统的培训，以有效使用和维护安全自动化系统。最后，持续监控和优化安全自动化系统以确保其始终符合最新的安全标准和业务需求。

这其中，安全自动化技术和解决方案是实现安全自动化的基石，直接关系到其能否在实际场景中顺利实施并达成预期的安全保障、效率提升等实际效果。目前，在工业生产领域，安全自动化技术与解决方案多种多样，主要包括安全继电器、安全控制器、安全开关、安全光幕和安全光栅、安全激光扫描仪、安全雷达传感器、安全照相系统、安全垫、安全地毯、安全触边等。在实际应用中，企业应根据自身实际情况，从预防出发，综合采用多种方案与措施，既要确保设备和人员的安全，又要保证生产的高效性和便利性。

1.安全继电器

安全继电器在现代自动化系统中扮演着重要的角色，它们被设计用于保护人员和设备的安全。其特点是专门设计用于安全控制，通过冗余的输出控制和故障检测机制，实现对输出负载的可靠控制。与普通继电器相比，安全继电器具有内置的自监测功能、强制导向触点和故障检测能力，能够提供双重安全保护。安全继电器适用于需要严格安全监控的现场设备，常用于实现对急停按钮、双手控制装置、安全光栅和安全光幕、安全地毯、安全门等的监测与控制，最大程度保证整个安全系统的正常运行。例如，当操作人员打开防护门时，安装在防护门上的安全继电器会立即切断设备的动力源，使设备停止运行，防止操作人员接触到危险的机械部件。

图1 安全继电器（图源：菲尼克斯电气）

2.安全控制器

在整个安全自动化系统中，安全控制器（安全PLC）犹如“大脑”一般，能根据预先编写的程序对各种输入信号（如传感器检测到的信号）进行分析处理，然后输出控制信号来控制执行器的动作。安全PLC是一种专门设计用于满足高安全要求的可编程逻辑控制器，其关键特性在于即使自身或外围元器件或执行机构出现故障，也依然能够凭借特殊的硬件设计（如冗余处理器、冗余通信等）和软件机制（如安全程序的强制监控和检查）来正确响应并及时切断输出。

安全PLC广泛应用于工业自动化领域，特别是在需要高安全标准的场合。例如，在汽车装配线上，安全PLC可用于监控工业机器人的机械臂运动，确保在有人接近时能够及时停止，避免造成伤害；也可用于控制安全门和安全光幕等，以确保在维护或紧急情况下，生产线能够安全停止；还可用于监控包装机器的操作，如封口机、填充机和封箱机，确保在发生故障时机器能够安全停机，或控制紧急停止按钮和安全防护装置，以保护操作人员。

图2 内置功能安全与故障安全状态监测功能的

安全PLC及其应用（图源：ABB）

3.安全开关

安全开关是用于确保机器和设备在特定条件下能够安全运行的开关，常见的有接近开关、安全限位开关、安全互锁开关、安全门开关等。

其中，接近开关利用电磁感应、电容变化等原理来检测物体的接近，当有金属或其他被检测物体靠近到一定距离时，接近开关能快速感知并发出信号，控制后续的设备动作，常用于自动化生产、物流输送系统、机器人操作等领域。例如，接近开关可以安装在机器人的外壳或机械臂周围，以避免与周围的物体或人员发生碰撞。

安全限位开关，也称行程开关，主要用于限制机械部件的运动范围，它通过机械碰撞的方式来触发开关动作，当运动部件到达预设的极限位置时，会碰撞到限位开关的触头，使开关内部的电路状态改变，从而控制设备停止运动或者改变运动方向。例如，在机床上就有很多行程开关，用于控制工件运动或自动进刀的行程，避免发生碰撞事故。

安全互锁开关，也称为安全联锁开关或互锁装置，它通过电气或机械连接的方式，使多个开关之间形成相互制约的关系，主要功能是确保某些操作必须按照特定的顺序进行，或者防止两个相互冲突的操作同时发生，常用于电气设备、自动化控制系统、危险区域防护等。例如，在食品加工行业，安全互锁开关可以用于防止设备在清洁或维护时被意外启动，确保工作人员的安全。

安全门开关主要用于检测门的状态，可以是机械触发式，也可以是感应式，广泛应用于机器人、自动化生产线、激光加工设备等有防护门的设备。当安全门打开时，开关会断开控制电路，防止机器启动或继续运行，从而保护操作人员的安全。例如，在一些具有防护门的加工机床周围，当防护门被打开，安全门开关会立即切断机床的动力源，防止操作人员接触到正在运转的刀具等危险部件。

图3 安全门开关（图源：湾测技术）

4.安全光栅和安全光幕

安全光栅和安全光幕作为光电保护装置，主要用于避免人员接近移动机械或误入危险区域。其工作原理是基于红外线感应技术，发射器发出红外线，由接收器接收，形成光幕，当有物体进入光幕中，通过内部控制线路，受光器马上做出反应，控制设备进行停止或者报警等动作，保障作业人员的人身安全以及设备的正常安全运作。

安全光幕与安全光栅的区别在于，安全光幕可以根据不同的光束遮挡情况来区分是手指、手掌还是身体进入了危险区域，而安全光栅主要用于检测较大物体的进入，一般是用于保护身体整体。因此，在一些小型精密加工设备周围，如电子元器件的组装设备，需要保护操作人员的手指不被微小的运动部件夹伤，安全光幕就能很好地发挥作用。而安全光栅主要安装在一些大型冲压设备、物流自动化设备等的周围，可以防止有效操作人员的身体进入设备的危险工作区域，避免人员受伤。

5.安全激光扫描仪

安全激光扫描仪是一种基于TOF（Time of Flight，飞行时间）原理的安全保护装置，用于监控特定区域，确保人或物体不会进入或穿越潜在的危险区域。用于监控特定的区域，以确保人或物体不会进入或穿越潜在的危险区域。由于安全激光扫描仪能够根据不同的应用场景和安全需求灵活设置保护区域和警告区域，以及区域的高度范围，在机器人工作区域防护、机床设备防护、自动化生产线防护、移动机器人避障与防撞、仓库出入口防护等各种工业场景广泛应用。例如，安全激光扫描仪可安装在自动导引车或输送车上，以消除在其路径中与物体或人员发生碰撞的风险；也可安装在仓库的出入口，用于监控人员和车辆的进出，并区分正常的进出和异常的闯入行为。

图4 安全激光扫描仪用于出入口防护（图源：Pilz官网）

6.安全雷达传感器

安全雷达传感器利用雷达技术检测目标物体的位置、速度、运动方向等信息，用于光电传感器达到极限的地方，实现恶劣应用条件下的安全保护区域监控，能抵抗强光、灰尘、污垢、碎屑、火花、烟雾、振动等恶劣环境因素的干扰，确保在恶劣的环境中稳定地工作。安全雷达传感器广泛应用于木材加工、金属加工等场景，主要实现保护危险区域和后方进入保护等安全功能。危险区域保护功能可在有人进入时立即使机器进入安全状态；而后方进入保护功能则可防止机器在危险区域内仍有人时（如在维护情况下）自动重新启动。

图5 安全雷达传感器用于恶劣环境保护区域监控

（图源：Pilz官网）

7.安全照相系统

安全照相系统也称安全摄像系统，它可自由配置保护区大小，用以实现对目标区域实时、不间断的监控。相对于简单的传感器，它们可以记录并分析整个监控区域的详细信息，安全监控有潜在危险的工作过程，如是否有人员违规进入危险区域，进而保护人员和设备安全。例如，德国皮尔磁（Pilz）公司推出的三维照相系统SafetyEYE可提供危险区域、警告区域和屏蔽区域三种类型的保护区域，用户可以通过软件按照实际应用情况灵活绘制保护区域的形状和位置，有效实现对危险区域的连续三维监控。长春某知名车厂就采用了SafetyEYE系统来检测车身车间和涂装车间的连接通道内有无现场人员肆意翻越机运线。

德国SICK推出的基于3D飞行时间视觉摄像机的安全摄像系统，同样能够实现可靠的三维环境监测，不仅可用于移动机器人的碰撞保护，提高移动机器人的安全性和可用性；也可用于协作型机器人的3D保护区域，可靠检测残余风险，如人员俯身进入或从上方接近，帮助协作机器人通过减少停机和缩短安全距离实现真正的协作。

图6 SICK安全摄像系统的典型应用

（图源：德国西克SICK）

8.安全垫、安全地毯和安全触边

安全垫、安全地毯和安全触边，都是常见的压敏式防护装置。压敏式防护装置，是指基于压力敏感原理的安全装置，它通过感知压力的变化，并在压力达到或超过预设阈值时产生相应的信号，以实现安全防护功能。

安全垫和安全地毯的设计初衷是为了在工业生产环境中提供安全防护，其核心原理在于通过检测压力变化，触发安全机制，实时监测工作区域的安全状况，并通过与专用控制器的配合，实现对设备运行的控制。在实际应用中，安全垫和安全地毯广泛应用于各种需要安全防护的工业场景中。例如，在机器人操作区域，一旦有人员误入该区域，安全垫和安全地毯会立即触发信号，使机器人停止运动，从而避免发生碰撞事故。在生产线和仓库等区域，安全垫和安全地毯同样可以发挥重要作用，通过监测人员和货物的移动情况，确保生产过程的顺利进行。

图7 动图：安全地毯的实际应用（来源：科恩光电）

安全触边是一种被动安全装置，一般安装在移动部件（如AGV、无人叉车、自动门、工业设备的防护栏等）边缘，用于检测物体与移动部件边缘的接触，并确保在危险情况下能够及时停止或改变机器的运动，它通常与安全控制系统配合使用，以保障操作人员和设备的安全。安全触边通常用于自动化和机器人应用中。例如，在机器人手臂或其他移动设备周围安装安全触边，以检测是否有人员进入设备工作区域；在生产线上的危险区域，如冲压机、折弯机或其它自动化设备周围，安装安全触边以保护操作人员；在叉车、堆垛机等物料搬运设备可能发生碰撞的区域安装安全触边，以防止设备与人员或其它物体发生碰撞；在货架和通道之间安装安全触边，以防止货架与操作人员或叉车发生碰撞等。

图8 动图：安全触边的实际应用（来源：穆柯传感器）

当然，在工业领域，安全自动化技术和解决方案还有很多。例如，急停装置（常见的如急停按钮），被设计用于在紧急情况下立即停止设备或系统的运行，以防止可能发生的人员伤害、设备损坏或其他严重事故，广泛应用于各种有机械运动的工业设备，如数控机床、冲压机械、自动化生产线等。双手控制装置用于确保在操作危险机械时，操作者的双手必须同时操作两个控制元件（通常是按钮或操纵杆），才能启动或持续运行机器设备，以此来提高作业安全，广泛应用于冲压机械、木工机械、塑料成型设备、包装机械等。

图9 紧急停止开关（图源：欧姆龙）

此外，安全变频器在具备普通变频器对电机进行调速控制的功能同时，还集成多种安全功能，以确保电机驱动系统在运行过程中的安全性。安全I/O模块用于处理安全相关的输入和输出信号，以确保在发生故障或紧急情况下，系统能够安全地停止运行。安全编码器用于为自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）等提供可靠的位置和移动检测，以支持仓库、工厂和物流中心等动态环境中的精确导航和控制。安全现场总线与网络确保在危险或关键的应用中安全相关的信号能够可靠、实时地传输。安全电机控制相关产品帮助减少与电气设备的操作和维护有关的风险。安全驱动器通过集成特定的安全功能，能够在发生危险情况时迅速响应。这些同样是安全自动化技术与解决方案不可或缺的组成部分，对于确保人员与设备安全，也发挥着重要作用。

安全自动化

知名厂商有哪些？

目前，由于国际厂商拥有深厚的技术积累，强大的研发能力和客制化能力，以及丰富的产品组合，在市场中占据主导地位。国际知名的安全自动化厂商包括ABB、皮尔磁（Pilz）、施迈赛（Schmersal）、西门子（Siemens）、倍福（Beckhoff）、罗克韦尔自动化（Rockwell Automation）、西克（SICK）、ifm（易福门）、欧姆龙（Omron）、施耐德电气（Schneider Electric）、劳易测（Leuze）、基恩士（Kenyence）、邦纳（Banner）、巴鲁夫（Balluf）、特勒美科（Telemecanique Sensors）、贝加莱工业自动化（B&R Automation）、威琅电气（Wieland）、IDEC、英国豪迈集团（Halma）、希马（HIMA）、图尔克（Truck）、图瓦斯（Troax）、松下（Panasonic）、菲尼克斯电气（Phoenix Contact)）、安士能（Euchner）、等。

相较于国际厂商，国内本土厂商目前能提供完整安全自动化技术及解决方案的还较少，但已逐渐在安全控制器、安全开关、安全光栅/安全光幕、安全地毯等细分领域实现突破。国内主要的安全自动化厂商包括汇川技术、和利时、宜科自动化、宏集科技、湾测技术、深圳意普、辰竹仪表、赛加得、科恩光电、科力光电、纬诚科技、穆柯传感器等。

图10 国内外主要安全自动化厂商及分类

从总体来看，安全自动化厂商可以分为三类：

🔵 一是传统的工业自动化控制厂商，代表厂商如西门子、倍福、ABB、贝加莱、欧姆龙、施耐德电气、菲尼克斯电气、罗克韦尔自动化、贝加莱自动化、汇川技术、和利时等。这类厂商在工业自动化控制领域拥有深厚的技术积累和丰富的经验，主要提供安全继电器、安全可编程控制器等产品，以及安全运动控制、安全现场总线与网络、安全I/O模块等解决方案，同时也在不断丰富产品线来满足安全自动化市场安全需求。部分厂商也可提供安全开关、安全光栅和安全光幕、安全触边、急停装置等产品。

例如，施耐德电气面向安全自动化领域，主要提供针对数据采集、监控与处理和停机的产品与解决方案，包括用于异步电机的安全电机启动器和用于机器应用的安全开关切断器，用于安全停止机器的具有安全相关功能的电机控制设备、变频器和伺服驱动器，用于面向安全的监控和信号处理的安全模块、控制器和I/O系统，用于机器安全编程和配置工程工具等，同时为也为机器制造商提供OEM机器安全服务。

罗克韦尔自动化可提供涵盖安全可编程控制器、安全输入/输出（I/O）模块、用于实现安全通信的GuardLink技术、安全连接系统、安全变频器、安全运动控制、安全电机控制、存在感应式安全设备、安全继电器、安全传感器和开关等创新的安全产品和解决方案，以保障人员和设备安全，提高效率和生产力。

🔵 二是工业传感器厂商，代表厂商包括西克、易福门、图尔克、劳易测、巴鲁夫、邦纳、基恩士、湾测技术、科力光电、科恩光电、穆柯传感器等。这类厂商由于专注于各类工业传感器的研发和生产，面向安全自动化领域主要提供安全开关和安全传感器产品，如接近开关、安全门开关、安全光栅和安全光幕、安全激光扫描仪、安全雷达传感器等，为安全自动化系统的数据采集和安全检测等环节提供关键支持。

例如，在安全自动化领域，西克可提供安全控制器、安全继电器、安全开关、安全摄像系统、物体检测系统、安全光栅、安全光幕、安全激光扫描仪、联锁装置、紧急停止按钮、安全气动阀、安全传感器级联、定位解决方案等一系列的产品和解决方案，用于危险作业点、危险区域、危险区域入口、机器安全、位置及动作监控等安全防护场景。基恩士可提供安全光栅、小型安全门开关、安全门开关、安全控制器、安全激光扫描仪等产品。

🔵 三是专注于提供安全自动化解决方案的厂商，代表厂商包括皮尔磁、施迈赛、英国豪迈集团、图瓦斯、希马、安士能、纬诚科技等。这类厂商由于专注于安全领域，通常能够提供高度专业化和完整的安全自动化产品和解决方案，而且在安全自动化系统的设计和实施方面具有丰富的经验，能够快速响应客户的安全需求，提供针对性的安全自动化解决方案，以及安全自动化领域的咨询和培训服务。

这其中，皮尔磁在安全自动化领域是公认的领导者。皮尔磁提供的安全自动化解决方案丰富而全面，从安全继电器、安全控制器、传感器技术、运动控制技术、现场总线与以太网、机器人技术，到操作与监控系统等，一应俱全，可提供安全改造交钥匙工程。

结语

安全自动化作为一种先进的安全保障手段，在当今工业生产中发挥着越来越重要的作用。企业通过选择优秀的安全自动化厂商合作，采用适合的安全自动化解决方案，可以有效提高安全生产水平，降低事故发生率，为企业的可持续发展奠定坚实基础。本文梳理了当前主要的安全自动化解决方案及国内外知名厂商，希望能为广大读者提供参考。

伴随着科技的不断进步和企业对安全生产的高度关注，安全自动化技术也在不断创新和发展，如融入人工智能（AI）技术，基于AI识别潜在的安全威胁和异常行为；实现安全系统集成化，通过将多个安全子系统有机地结合在一起，提供更高效、更全面的安全防护。未来，e-works也将持续关注并跟踪报道安全自动化领域的发展。

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