自動化機械安全電路的基礎(chǔ)知識

本文簡要介紹了自動化機械安全電路的基礎(chǔ)知識，并就以下方面進行探討：規(guī)定所需功能的標準、通用設置、解決故障和防止篡改的機制，以及安全電路裝置中常見的元器件功能。

安全電路的歷史及其功能

工業(yè)時代初期的機械設備極其危險。無論是工人，還是農(nóng)民，由于卷入轉(zhuǎn)動的機械設備而失去手指、手腳，甚至失去生命的情況，屢見不鮮。于是，這便促使了防護系統(tǒng)及其他安全設備的發(fā)展。 互鎖是指兩種或多種設備功能的狀態(tài)相互依賴，它是如今安全系統(tǒng)功能的核心?；ユi可以防止設備傷害操作員或損壞其元器件。例如，在防護裝置打開的情況下，互鎖可以防止設備啟動；如果在操作過程中打開防護裝置，互鎖則可使設備停機。

許多簡單的互鎖系統(tǒng)都是純機械式的。例如，在某些設備的設計中，防護裝置的轉(zhuǎn)軸上裝有互鎖凸輪。當防護裝置打開時，凸輪與設備驅(qū)動軸上的凸輪配接，防止軸轉(zhuǎn)動。這就表示只有在防護裝置關(guān)閉時，設備才能運行。 如今的設備大多采用電子安全電路，甚至使用微處理器控制來實現(xiàn)互鎖安全系統(tǒng)。不管是布置防護裝置的靈活性，還是安全程序的復雜性，電子安全電路都比機械式解決方案更具優(yōu)勢。 典型的電子安全電路只允許設備在電路閉合時運行——這種結(jié)構(gòu)稱之為常閉 （NC） 運行。

此外，電路中還串聯(lián)了安全元器件，從而最大限度地發(fā)揮效能、降低復雜性并縮減成本。 設想一個典型的安全裝置，當防護裝置的相應部分關(guān)閉時，該裝置的多個行程開關(guān)保持常閉。這些行程開關(guān)與安全裝置串聯(lián)，因此如果防護裝置的任何部分未正確關(guān)閉，則整個電路斷開，設備將無法運行。實際上，安全電路中的控制元件也需要串聯(lián)連接，以確保在安全元器件出現(xiàn)任何連接不良或突然中斷（如切斷）的情況下，仍能保障安全。

關(guān)于安全電路的串聯(lián)連接，要注意一個事項：如果電路中包含超過四個安全開關(guān)或頻繁開關(guān)的門或開關(guān)，則會降低設計的性能水平（PLr——將在下一篇文章中詳細說明），并增加故障遮掩的風險。后者是指由于一個開關(guān)斷開或出現(xiàn)某故障，導致另一個開關(guān)斷開或故障無法識別的狀態(tài)。故障遮掩最有可能發(fā)生在包含無源觸點的裝置中，例如繼電器，除了開關(guān)連接之外沒有其他電源連接。如果這種風險不可接受，則可能需要采用更復雜的布線和方法。

安全鑰匙互鎖常用于確保所有防護裝置均處于關(guān)閉且鎖定的狀態(tài)，這樣才能開始操作設備。在這類系統(tǒng)中，每個安全防護裝置上的鎖都配有鑰匙，但僅當防護裝置緊閉時才能拔出鑰匙。然后可將這些鑰匙用于控制單元或動力單元，以便啟動設備。同樣，設備運行時也無法拔出鑰匙，只有等設備停機后才能將其從動力單元上拔出。此時，又可以用這些鑰匙打開防護裝置。

風險評估與監(jiān)管標準的要求

ISO 14119 標準涵蓋了用于防護的互鎖裝置的機械安全，概述了確保機械安全的設計和選型原則。有關(guān)機械設計中風險評估和降低風險的一般原則方面，它參考了其他標準。 互鎖防護裝置的基本功能是在防護裝置關(guān)閉之前，防止所覆蓋區(qū)域內(nèi)設備執(zhí)行危險操作。因此，如果設備運行過程中，有人或物強行打開防護裝置，那么防護區(qū)域內(nèi)的設備應當停止運行。在某些情況下，可以安裝防護鎖定裝置，以防在設備運行期間打開防護裝置。

應當注意的是，盡管設備可以在防護裝置關(guān)閉時運行，但是不能用防護裝置的關(guān)閉動作來觸發(fā)并啟動危險操作，此類操作必須使用單獨的啟動命令。不過，有一種例外，即所謂的控制防護裝置——一種具有啟動功能的特殊互鎖防護裝置，無需單獨的啟動命令，就能在防護裝置關(guān)閉時啟動危險操作。 此外，ISO 14119 標準中還定義了安全系統(tǒng)失效的概念。這是一種利用旁路繞過設備互鎖的動作。

例如，在防護裝置打開時，操作員可能有意或無意地將重物放在行程開關(guān)上，這使得設備運行時人員可以進入工作區(qū)，因而相當危險。如果安全系統(tǒng)采用正確的設計，那么采用可以合理預見的任何方式都無法使互鎖裝置失效——無論是手動操作，還是使用附近隨手可取的器物。這包括使用用于操作設備的工具，或是螺絲刀、內(nèi)六角、膠帶或電線等隨手可取的工具，卸下開關(guān)或執(zhí)行器。另外，這也表示安全鑰匙互鎖系統(tǒng)的備用鑰匙不能輕易獲取。 ISO 14119 標準將互鎖裝置分為四類：

1 型互鎖裝置具有機械式行程開關(guān)，使用旋轉(zhuǎn)凸輪、線性凸輪或鉸鏈等未編碼的執(zhí)行器。這種裝置的失效方法相對簡單，只需將器物放在開關(guān)上，或以其他方式使其保持在特地位置。

2 型互鎖裝置具有機械式行程開關(guān)，使用異型執(zhí)行器（舌型）或安全鑰匙等帶編碼的執(zhí)行器。這類裝置則很難使其失效。

3 型互鎖裝置具有非接觸式行程開關(guān)，使用接近開關(guān)等未編碼的執(zhí)行器。使 3 型互鎖裝置失效的難度取決于所涉及的致動原理。能使電容式、超聲波和光學執(zhí)行器失效的器件相當多；任何鐵制金屬物體都能使電感式執(zhí)行器失效；而要使磁執(zhí)行器失效，就需要一塊磁鐵。

4 型互鎖裝置具有非接觸式行程開關(guān)，使用 RFID 標簽、編碼磁鐵或編碼光學標簽等帶編碼的執(zhí)行器。如果系統(tǒng)構(gòu)建恰當，無法卸下已編碼的執(zhí)行器，則很難使其失效。

設計安全電路時，所選擇的互鎖裝置必須能夠最大限度地降低失效的可能性。除此之外，還須考慮：

系統(tǒng)整體停機性能，即發(fā)出停止命令后設備達到安全狀態(tài)所需的時間。

接近時間，即啟動停止命令后人員接觸到危險所需的時間。

系統(tǒng)整體停機性能必須比接近時間短得多。此外，還應考慮防護裝置是否需要設置緊急釋放（允許從外部手動打開），或是逃生釋放（允許從內(nèi)部手動釋放）。 ISO 14119 標準參考了 ISO 13849 標準，后者分為兩部分，涵蓋了控制系統(tǒng)中安全相關(guān)部分 (SRP/CS) 的設計和驗證原則。根據(jù)此標準，SRP/CS 可以按以下特性進行分類：

抗故障能力

發(fā)生故障時的行為

機械設備上所有涉及安全的設計工作都須根據(jù) ISO 12100 標準，從風險評估開始著手，以便識別危害、預估風險。然后盡量降低風險：首先采用本質(zhì)安全型設計，然后采取防護措施，最后注意使用信息。另外，所有依賴于控制系統(tǒng)的保護措施都必須使用特殊的迭代程序來進行評估。這涉及確定每種安全功能所需的性能水平 (PLr) 及平均危險故障前時間 (MTTFD)，以確定 SRP/CS 的可靠性。在a到e的范圍內(nèi)，可以為每個組件指定一個性能等級，其中 PLa表示發(fā)生危險故障的可能性最高，而PLe表示可能性最低。對于故障發(fā)生的具體方式，還需參考上述 ISO 14119 標準中提出的注意事項。

各類安全電路及一些布置示例

對于帶門的機器人工作區(qū)等大型圍欄，安全布局略有不同。因為即便操作員在活動工作區(qū)內(nèi)，防護裝置也常常是關(guān)閉的。因此，在很多情況下可以使用安全鑰匙系統(tǒng)，確保在門關(guān)閉時操作員不在工作區(qū)內(nèi)，并且只有這樣，機器人才能開始全速運行。 當然，當操作員在工作區(qū)內(nèi)時，傳統(tǒng)機器人往往只能在低速示教模式下進行操作，而當其全速運行時，人員則不得靠近，這一點與協(xié)作機器人不同。即使在示教模式下，除非機器人配備了力反饋系統(tǒng)，否則操作員仍有遭受沖撞的危險。因此，手持式控制單元上常裝有失能開關(guān)，當操作員失去行為能力時，它將關(guān)閉機器人。

另一種需要專用安全電路的自動化應用是人員照看的輸送系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，可能需要讓工作人員在運行速度相當快的輸送機旁工作。這就存在極大的風險，人員可能會因卷入而導致重傷，因此必須盡可能地避免。不過，在亞馬遜物流中心 （Amazon Fulfillment Center） 等注重運營效率的工作場所，就必須安裝拉線開關(guān)和限位條等分布式停止開關(guān)。這為人員提供了一種可靠的方式，沿著整臺輸送機，無論在哪個位置都可以停止其運行。

布置這類停止開關(guān)時，要使操作員在緊急情況下能夠輕松抓取或按下，而不必費力找尋。 此外，還需在一定位置布置安全裝置，確保受傷或失去知覺的人跌落或被卷入時，輸送機會自動觸發(fā)停機?？赡苄枰鄠€停止裝置和冗余電路，而且如果可從兩側(cè)接近輸送機，那么輸送機兩側(cè)都必須布置這類安全裝置。

常用安全電路元器件

機械式開關(guān)包括用于檢測門和防護裝置位置的行程開關(guān)，以及緊急停止開關(guān)和拉線開關(guān)等手動啟動的停止開關(guān)。光傳感器和電感式傳感器等非接觸式開關(guān)，也可用于類似的用途。這些類型的互鎖元器件常常與物理防護裝置和防護門搭配使用。上述標準對其作出了很好地詮釋。此外，安全電路中還可以使用其他類型的安全元器件，包括光幕、激光掃描儀和安全墊。 安全墊是在橡膠墊中嵌入壓力傳感器，以一種簡單的方法來檢測人員何時進入防護區(qū)域。但近年來，這類器件大多已被光幕和激光掃描儀等光學系統(tǒng)所取代。

光幕可以構(gòu)建虛擬防護裝置，因而無需物理防護。一旦任何光束中斷，設備就會停止軸向運動。光幕由兩部分組成——發(fā)射器和接收器。發(fā)射器發(fā)出一束平行光束，接收器則檢測這些光束。如果其中任何一道光束中斷，就會觸發(fā)設備停機。光幕的優(yōu)點包括開放式的工作區(qū)域、出入不受限制以及能夠快速進出保護區(qū)域。

激光掃描儀的功能與光幕類似。但是，激光掃描儀沒有單獨的發(fā)送器和接收器來構(gòu)成屏障，而是只需單個硬件就能設置門禁。換言之，光幕可提供周界防護，而激光掃描儀則可為面積較大的出入口提供保護，適用于輸送機和機器人工作區(qū)等。與所有安全元器件一樣，使用激光掃描儀時需要計算最小安全距離。該值取決于系統(tǒng)整體停機性能和接近時間。不過，由于涉及額外的處理，激光掃描儀的系統(tǒng)整體停機性能可能比光幕的時間長很多。

對于工廠和 OEM 設計工程師而言，如今的電子安全電路和安全元器件提供了靈活的選項，可用于保護人員和設備。軟件供應商及其他供應商資源可幫助簡化安全系統(tǒng)的規(guī)范，適用范圍包括傳統(tǒng)互鎖裝置的布置、采用安全鑰匙設計來保護的工作區(qū)，甚至是要求工作人員或設備操作員工作時必須靠近輸送機、機器人以及與工業(yè)自動化相關(guān)的其他移動設備的靈活區(qū)域。

責任編輯：xj

原文標題：關(guān)于安全電路的基礎(chǔ)知識

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