一、简介

安全是工业活动的基本要求，要求采取有效措施保护工人的健康、安全和福利。尽管技术不断进步，安全仍然是该行业最大的挑战。在工业领域，每年由于机器或设备的意外操作或储存能量的释放而导致数千起触电事故和数百起机器相关事故导致死亡[ 1 ]。大多数此类事故发生在维护、维修、活动和施工期间 [ 2]。这些事件不仅危及工人的生命安全，也给企业带来严重的经济损失。此类事故的潜在后果包括工人受伤或死亡、医疗费用增加、劳动力流失、生产中断、设备损坏和声誉受损。考虑到所有这些因素，确保职业安全和安全的工作环境至关重要。有效实施职业安全政策、工人培训、定期检查和遵守安全工作程序对于减少此类事件非常重要[ 3 ]。这凸显了行业提高安全标准和更有效地实施危险能源控制程序的必要性[ 4 ]。

能源分为危险和非危险两类。有可能伤害工人、机器或环境的来源被称为危险能源。机械和设备中来自电气、机械、液压、气动、化学或热源（图1）的危险能源是该行业长期存在的问题的根源[ 5 ][ 6 ][ 7 ][ 8 ]。另一方面，无害能源几乎没有或根本没有造成任何伤害的潜力[ 9]。优选隔离方法以防止危险能源引起的事故。泵、发电厂、压力容器、储罐和管道等来源需要绝缘。在维护或服务活动期间，有必要遵循上锁/挂牌（LOTO）系统来挽救人们的生命[ 7 ][ 10 ]。

适当且有效地使用 LOTO 程序（图 2）有助于控制潜在破坏性能源（例如机器启动或突然释放）所带来的风险 [ 7 ]。它还包括防止危险能量不受控制释放的特殊做法和程序。LOTO 系统包括隔离、上锁和挂牌能源。它旨在确保工人能够安全使用机械和设备，并防止意外的能量释放或启动情况[ 11 ][ 12 ][ 13 ][ 14 ][ 15 ]。

能量隔离装置从物理上防止危险能量的传输或释放。这些设备包括断路器、断路开关、线路阀、块以及用于阻断或隔离能量的类似设备[ 16]。将能量隔离装置保持在安全或关闭位置的锁定装置通过防止此类装置的操作为工人提供人身保护。作为主要方法的首选锁定过程被称为在设备上放置锁、标签或可识别锁。机械中使用的联锁装置的主要目的是防止设备通电。这些设备被设计为耐用设备，具有单独的锁定功能。它安装在所使用的设备上并在其上运行。另外，应根据所使用的设备按一定标准放置[ 17]。另一个过程是标记，是使用牢固地连接到能量隔离设备的标签为机器或设备通电。假设可以锁定能量隔离装置。在这种情况下，雇主应该使用上锁装置，除非他们制定、记录和使用标签程序，为工人提供与上锁装置相同的保护水平[ 3 ][ 18 ]。大多数工业事故都涉及危险能源控制程序（也称为 LOTO 程序）的不充分、未经授权或不当使用[ 16 ]。

应鼓励零能源使用，以减少对机械的危害。基本原则之一“机器安全”规定，当需要接触机器时，想要进入限制或危险区域的人必须首先隔离所有能源并防止其扩散。为机器安全提供激励措施的两个主要国际标准是 ISO 14118 和美国的 ANSI ASSE Z244.1，从风险评估到设计和验证有许多不同的步骤（图 3 ）[ 5 ][ 19 ]。ISO 14118 标准包含确保机器安全的指南。ANSI ASSE Z244.1 包含危险能源上锁、挂牌和替代方法控制的指南 [ 20 ] [ 21]。考虑到危险能量和相关机器过程的意外释放导致的高频率损失，雇主、工会、行业协会和政府已采取重大措施来减少事故[ 22 ]。这些标准还就锁定的替代方法提出了建议[ 20 ][ 21 ]。

还有其他几个与功能安全相关的重要全球标准已经被讨论和定义。其中包括 ISO 12100、ISO EN 13849、IEC EN 61508、IEC EN 61511、IEC EN 62061 和 IEC EN 61800-5-2。这

这些标准规定了确保机器设计安全的基本方法，其重点不仅在于单个安全组件，还在于系统的整体设计和操作以及人与机器和系统的交互方式。因此，术语“功能安全”。确保功能安全的过程除了保护工人之外还具有其他好处，例如减少停机时间和提高生产率。明确定义、设计和实施的功能安全系统对于实现这些额外优势非常重要[ 23 ]。

职业安全与健康管理局 (OSHA)、美国国家标准协会 (ANSI) 和其他组织提供了评估现有风险并实施替代人员保护方法以将风险降低到可容忍水平的法规和指南。尽管OSHA、ANSI、国家职业安全与健康研究所(NIOSH)等组织已经定义了非常详细的LOTO程序，但这些LOTO程序有许多手动活动[ 24 ][ 25 ][ 26 ][ 27 ][ 28 ]。

在美国管理 LOTO 使用的法规是 OSHA 法规 1910.147 [ 29 ]。本标准规定了危险能量控制的最低性能要求。一般来说，如果有人需要禁用或移除机器防护罩、靠近操作点或进行调整 [ 5 ] [ 30 ] [ 31 ]，则适用 1910.147 的要求。

根据 OSHA 的规定，当引入新的能源控制方法或改变现有的控制方法时，应对工人进行使用新的或更新的能源控制方法的再培训[ 32 ]。图 4包括具有以下六个步骤的上锁/挂牌程序 [ 32 ][ 33 ][ 34 ][ 35 ]：

在美国、加拿大和英国等国家，社会法强制要求应用这种技术[ 5 ]。这导致这些国家广泛采用上锁挂牌方法。在意大利和许多欧洲国家


各国在非强制性技术标准中规定了这种方法。这导致 Lockout-Tagout 比规则 [ 21 ] [ 31 ]更像是一个例外。

LOTO 合规性每年可防止 120 人死亡和 50,000 人受伤，伤害范围从截肢到电击。LOTO 适用于受影响的工人和授权工人[ 36 ]。

2022 年，LOTO 收到的违规事件比 2021 年增加了 505 起，数量达到 2175 起（图 5）。违规行为的增加凸显了寻找新解决方案的必然趋势。在机械和设备的维修和维护过程中，需要更高的性能来控制危险能量。安全专业人员的解决方案对于这些违规行为非常重要。随着工作场所安全的改善，雇主寻求培训和资源来保证工人的安全，这些违规行为预计会减少[ 37 ][ 38 ]。

在工业环境中，应用过程中经常会遇到问题。大多数这些问题通常是由人为错误引起的，并可能导致系统故障[ 4 ][ 39 ]。2022 年，能源控制程序是最常见的违反 LOTO 标准的行为（图 6）。

有一些 OSHA 1910.147 不适用的例外情况 [ 16 ]。该法规不涵盖正常操作，但涵盖小型服务和维护活动。如果 LOTO 程序是生产设备使用的常规、非重复性、不可分割的一部分，则不使用 LOTO 程序。使用替代控制方法来保护设备和工人免遭危险能源的无意启动[ 40 ]。

通过设计预防（PTD）是零能源术语的安全干预概念，是控制职业事故、疾病和死亡的重要方法之一。由于这种方法对进行设计的工人或必须与设计产生的机器一起工作的工人进行评估，因此出现了安全有效的工作环境[ 41 ]。这种方法使用零能量会产生一些负面影响。这些效果的例子是[ 42 ]：

• 在概念和设计阶段没有考虑所有服务和维护的零能耗，从而阻碍了高效和有效的设备设计，

• 停止生产阶段的时间超过必要的时间，

• 考虑减少导致严重伤害或死亡的情况（如果不能减少的话）[ 43 ]。

他们还必须通过使用锁定程序来防止重新通电。还必须应用挂牌程序来建立通信。在开始工作之前，必须进行测试以确保工件确实断电[ 44 ]。

伯莱特-维尼等人。[ 45 ]设计了一个带有电子卡、传感器和无线通信的系统，可以遵循锁定程序。这种设计具有智能工具的功能，可以按照程序执行关闭、隔离、加锁、分发和验证等步骤。采用可独立控制的方法，观察和后续过程可以顺利进行。该方法符合从设计上降低风险的原则，方便工人检查和实施LOTO程序，使工人的培训更加实用。

定性和定量概率模型对风险评估的影响对于接受国际标准的系统设计也很重要。进行设计是为了验证确定安全完整性水平的概率建模过程。在一项确保控制和保护系统功能安全的研究中，包括了可编程电子系统[ 46 ]。

概率建模可用于最大程度地减少由于人为错误和过程偏差造成的事故，重点关注生产过程中的问题[ 47 ]。人们认为，按照 LOTO 程序进行设计可以给出最佳结果。优化研究中首选分析视角。实验设计与遗传算法相结合获得的解析形式实现了最优生产计划。迪奥普等人。通过抽样调查了LOTO实施的纠正性维护，可以用定量的方式表达。采用基于马尔可夫链模型的方法论，研究了涉及系统连续变量和离散变量的动力学。

在建筑领域，已经针对 LOTO 研究的不同书面程序进行了研究。在一项使用顶出施工方法的研究中，使用有限元软件寻求根据交通基础设施施工程序缩短施工时间的方法[ 48 ]。

因此，尽管技术进步，工业安全问题仍然构成严重威胁。正确实施 LOTO 程序是最大限度降低能源风险和确保工人安全的关键一步。本文强调了 LOTO 程序的重要性，并讨论了解决行业面临的安全挑战以及创建更安全工作环境的措施。研究和案例研究表明，正确的培训和意识计划使工人能够更好地理解并正确实施 LOTO 程序。此外，自动锁定系统等技术解决方案支持更可靠、更高效的程序实施。

本文介绍了 LOTO 应用背景下的电气单线图设计。单线图对于保证联锁过程的效率和安全性起着至关重要的作用。这项综合分析将通过提供 LOTO 概述、解释电气单线图的概念并强调其在 LOTO 程序中的重要作用，揭示电气单线图在 LOTO 应用中的重要性。充分掌握 LOTO 应用中电气单线图重要性的雇主和工人将能够更好地认识到精确和最新图表在促进安全工作环境方面的重要性。

称为电气单线图的图形表示[ 49 ]提供了电气系统[ 50 ][ 51的简化概述]。图表对于理解和分析电气系统至关重要。它们提供电路的可视化表示，包括配电板、变压器和开关等关键组件。这些图使用标准符号和约定来描述电气元件及其连接。它们还通过确定电流路径和能源位置来显示电流的流动。通过研究单线电气原理图，工程师、技术人员和电工可以全面了解电气基础设施。然而，它可以方便故障排除、维护和系统升级。此外，这些图表还可作为记录和交流电气系统的参考，确保设计和施工的一致性和准确性。

在 LOTO 应用中，识别锁定过程中涉及的电气元件和电路非常重要。电气单线图通过提供能源和互连的可视化表示来发挥这一重要作用。其清晰的可视化使工作人员能够准确识别哪些电路需要断电和锁定。通过参考这些图表，工作人员可以识别适当的隔离点并了解与每个过程相关的潜在危险。这些知识对于设计和运行有效的 LOTO 计划、确保所有能源都得到适当控制以及保护工人免受不可预测能源的影响至关重要 [ 52]。大多数电气安全事故可能是由以下四个问题中的一个或多个引起的。通常，原因是多个故障而不是单一原因。

• 不切断设备电源

• 与上锁/挂牌程序相关的故障

• 员工培训和资格不足

• 维护和操作不当[ 53 ]

在美国和加拿大，每年有 400 万工人面临此类风险。因此，职业安全与健康管理局（OSHA）目前正在准备一份工作现场封锁提案[ 21 ][ 54 ][ 55 ]。

建筑活动在工人活动中发生率最高，占工人死亡人数的 49% [ 56 ]。在加拿大和美国，建筑行业约占 20% 的工作相关死亡[ 17 ]。关于建筑行业危险能源控制的科学文献主要集中于与电气危险相关的工作场所事故的分析[ 57 ]。

尽管电力通常是建筑工地最常见的危险，但[ 54 ]电力并不是工人在维护工作期间面临的唯一危险。例如，在美国，“接触物体或设备”也是比电气接触更重要的行业死亡原因[ 58 ][ 59 ]。此类事故还可能与能源控制问题相关[ 17 ]。

本研究探讨了上锁挂牌程序是什么、它们如何应用以及为什么它们对于工作场所工人的安全很重要。此外，还讨论了正确实施这些程序所需的步骤及其潜在好处。研究表明，上锁挂牌程序在确保工作场所的职业安全方面发挥着至关重要的作用。

2. 方法

正确的LOTO需要良好的单线绘制知识和正确的练习。在数据中心、生产和变电站等复杂项目中，单条生产线非常复杂。因为不仅存在单一来源，而且存在多个冗余来源。这些也非常激烈。因此，单行阅读非常重要。本研究将介绍一些例子。

设施维护 (FacOps) 和建筑行业在 LOTO 实施方面完全不同。如果在运行设施中执行 LOTO，则需要锁定所需设备的所有直接上游馈线。然而，这并不实用，并且仅在建筑工地有时应用。这使得建筑 LOTO 更加复杂，因为每天都会执行锁定的组，并且将锁定一个区域而不是单个单元。一旦您了解了 LOTO 设置的方式和程序，我们将通过图解以更好的方式对其进行解释。

该研究仅重复OSHA 1910.147标准的一些规则和规定。然而，本文将描述电气单线、潜在来源和危险。

2.1. LOTO的重要因素

锁定设备的程序顺序如下：

a) 识别与能源隔离的设备部件。

b) 资源识别，

该项目具有三种电力类型：公用事业线路、发电机和UPS。UPS 在预先充电后被发送到现场。

c) 然而，功率因数也受到关注。电源有主电源和控制电源两种。控制电源除了主电源外还可以是大型用电设备的控制电源，这种危害也必须得到控制。

d) 检查单条线路，此步骤需要良好的电气知识和丰富的经验。

e) 资源与工作区域隔离，创造安全的环境。

图 7-10 显示了典型数据中心的单线图。该图仅代表该设施的一部分。表1给出了数据中心各单元的信息。

图 7显示了要在该设施中使用的应用程序的起始部分。在以主开关装置 MSG-A 和 MSG-E 单元启动的系统中，当锁定过程发生时，可以从一个位置限制连接到 MSG-6A 和 MSG-6B 单元的所有系统的使用。

该系统的控制电源如图8所示。控制电源可由控制面板 (CP) 控制。

在图9中，由电源变压器供电的主开关板所在的位置，系统连接到MSB-04和MSB-05板。通过HMD-04和HMD-05（即Distribution）实现了系统的机械动力分配。

为了使用 LOTO 应用程序而不使其复杂化，正确设计系统非常重要。单线图的终点如图10所示，它确保所有单元相互协调并且锁定点易于确定。主开关装置和控制电源板必须在通电前锁定，按程序设计，便于在锁定过程中正确、顺序地执行操作。

2.2. 乐透秀

图 11包含一些演示，可帮助您更好地了解 LOTO 的工作原理。该设计有两个来源：电力线和发电机。这些装置必须在项目开始时锁定，然后才能通电。当通电开始时，锁会向下移动，锁定会更加复杂。该图不包括 UPS。应该注意的是，UPS 也是另一个电源，应与市电和发电机（如果有）锁定在一起。我们将看到锁定工作设施和同一安装的施工之间的差异。

项目中的设备部件：

1) MVS 中压开关 PTX 电源变压器 GEN 发电机

2) MSB主板

3) SB 配电盘 CB 断路器 SF 供电风扇

我们的场景是隔离 SB 2。

a) 第一个事件在工作设施中进行。正如我们之前提到的，锁定功能性设施比锁定活跃的建筑工地要容易得多。解决方案如图12所示。第一步是将 CB 12 单元的馈线锁定在 MSB 1 处。这就是将锁内置于断路器中的原因。馈线侧没有备用电源或回路。这样，就安全了。第二步是审查该装置的下游。这是为了查看是否有另一个循环或反馈选项。SB3与SB 2处于循环中。因此，CB 20需要被锁定。该操作是在工作过程中进行的。控制权也需要审查和锁定（如果有的话）。正如我们在工作设施中看到的那样，您只需查看上游和下游即可。在这里很容易锁定系统。需要放置两把锁。此外，该装置可以与能源隔离。

b) 相同的场景将应用于建筑工地。MSB 1中的CB 12可以被锁定并且可以实现相同的安全状态。然而，在建筑工地上单独锁定每个单元是不切实际的。在建筑工地上，LOTO 箱由授权的 LOTO 经理设置，商人在轮班开始时将其锁定，并在轮班结束时将锁拆下。这是建筑工地的常见做法。因此，建筑工地的目的不是隔离一个单元，而是隔离多个单元。但必须遵循通电的顺序。

在此示例中，MVS 将首先通电，然后所有子单元将通电，作为建筑工地实际场景的一部分。假设 MVS 已通电，通电路径为 PTX、MSB、SB 和 SF。也就是说，LOTO盒可以设计成如图13所示。该系统将按预期工作。

然而，如果缺少环路，它们将来就无法工作，也不会危及工人。最佳实践是在开始时处理循环并将它们锁定到项目结束为止。一个项目旨在为所有设备和最初可选的备用电源供电。最佳锁定应如图14所示。

需要更多解释为什么这个 LOTO 设置比前一个更好。所有冗余资源和环路均被锁定。附加锁为 CB 3、6、9、18、19、20、21 和最后的 25。图中的所有设备在需要时仍可通电。它不会阻止通电。

之后，它被传递到激励计划。该计划是为 MSB 3 通电。请注意，所有 MVS 均已预通电。所需要做的就是关闭 SWITCH 3 并将其解锁。此外，新的下游CB 15和CB 16必须被锁定。此外，由于发电机反馈，CB 8 需要锁定。绘图如下图 15所示。红色阴影区域是通电单元。

3. 结果与结论

电力系统的可视化侧重于单线图，以及电路连接和组件的简化逻辑描述。这些图表支持电力系统数据的审查、分析和呈现。

通电前需要尽可能多地排除掉一些东西。这是因为它预先锁定了回路的冗余电源，以便在通电期间可以对其进行处理。有些项目必须在施工现场处理数千台设备。在本研究中，包括为项目的某一部分准备的设计。设计中缺少一个回路、冗余电源、另一个下游或反馈源会对工人造成危险，并且设施可能会发生事故。

缺乏对单线绘图的了解会导致事故。这基本上是人为错误。先进的计算机软件被用来修复人为错误，而且效果很好。

基本上，在将电气单线图作为数据输入软件后，软件会告诉用户有多少个锁以及应该在哪里应用它们。如果将单行正确输入到软件中，则可以消除人为错误。该技术刚刚开始在行业中应用。预计病例将会减少。人类的能力是有限的，但计算机科学正在克服障碍。LOTO 设计就是这些领域之一。