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圖1   三類標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系

    圖1中所示標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):

    EN292(ISO 12100) GB/T 15706 機(jī)械安全 基本概念與設(shè)計(jì)通則—基本術(shù)語(yǔ)和方法

    EN1050(ISO 14121) GB/T 16856 機(jī)械設(shè)備的安全性 危險(xiǎn)評(píng)估的原則

    EN414 GB/T 16755 機(jī)械安全 安全標(biāo)準(zhǔn)的起草與表述規(guī)則

    EN60204(IEC 60204) GB   5226 機(jī)械(電氣)安全 機(jī)械的電氣設(shè)備

    EN954(ISO 13849) GB/T 16855 機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件

    EN999(ISO 13855) GB/T 19876 機(jī)械安全 考慮到接近人體時(shí)速度的防護(hù)設(shè)備的定位

    EN1037(ISO 14118) GB/T 19670 機(jī)械安全 防止意外啟動(dòng)

    EN418(ISO 13850) GB  16754 機(jī)械安全 急停 設(shè)計(jì)原則

    EN1760 GB/T 17454 機(jī)械安全 壓力敏感防護(hù)裝置 壓力敏感墊和敏感地板

    EN1088(ISO 14119) GB/T 18831 機(jī)械安全 帶防護(hù)裝置的聯(lián)鎖裝置 設(shè)計(jì)和選擇原則

    EN574(ISO 13851） GB/T 19671 機(jī)械安全 雙手操縱裝置 功能狀況及設(shè)計(jì)原則

    其中，IEC 60204 (GB 5226)是用于機(jī)械的電氣設(shè)備的安全，由于現(xiàn)代機(jī)械中電氣設(shè)備的量大面廣，這是一個(gè)比較重要的B2標(biāo)準(zhǔn)。由于機(jī)械中控制系統(tǒng)的重要性，及EN954-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械的控制系統(tǒng)的安全功能引入了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類別B，1，2，3，4 (Category B，1，2，3，4)對(duì)應(yīng)的要求，在機(jī)械安全的實(shí)現(xiàn)中常用作重要的參考依據(jù)。這是一個(gè)比較重要的B1標(biāo)準(zhǔn)。EN954-1標(biāo)準(zhǔn)中的類別和相應(yīng)的要求摘要，如下：

    Category B 單個(gè)故障導(dǎo)致安全功能的丟失要考慮特定應(yīng)用的可靠性，除了安全相關(guān)的控制之外可能需要其他措施

    Category 1 Category B 的所有要求更高可靠性的器件用于安全功能降低了故障的可能

    Category 2 Category B 的所有要求更高可靠性的器件用于安全功能安全功能的檢查 (自動(dòng)或手動(dòng)); 在測(cè)試間隔可能會(huì)丟失安全功能

    Category 3 Category B 的所有要求單個(gè)的故障 應(yīng)該不會(huì) 導(dǎo)致安全功能的丟失(需要冗余)合理地實(shí)施時(shí), 安全相關(guān)的關(guān)鍵故障會(huì)在下次需要安全功能時(shí)或之前被檢測(cè)到累積的故障可能導(dǎo)致安全功能的丟失

    Category 4 Category B 的所有要求安全相關(guān)的關(guān)鍵故障會(huì)在下次需要安全功能時(shí)或之前被檢測(cè)到累積的故障可能不會(huì)導(dǎo)致安全功能的丟失脈沖測(cè)試會(huì)用來實(shí)現(xiàn)該等級(jí)的檢測(cè)

    安全產(chǎn)品要按照標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)和制造，并常要經(jīng)過第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的測(cè)試認(rèn)定。TUV是比較權(quán)威的安全產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)之一。如標(biāo)有TUV/CAT3的產(chǎn)品表示它有己經(jīng)過TUV認(rèn)證的CAT3安全性能。近年來，也常有用TUV/SIL3（SIL -安全完整性等級(jí)，見下面）等來表示產(chǎn)品有經(jīng)TUV認(rèn)證的SIL3安全性能。

3 機(jī)械危險(xiǎn)

    一般的機(jī)械危險(xiǎn)主要來自以下四部分： 

    ——正常使用加工機(jī)械時(shí)，如加工件易反彈并傷及工作人員，則加工機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)能防止加工件的反彈，以免造成危害。 

    ——如加工機(jī)械停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，與刀具的接觸仍存在危險(xiǎn)，加工機(jī)械則必須帶有自動(dòng)停止裝置，以保證刀具在極短的時(shí)間內(nèi)處于停止?fàn)顟B(tài)。

    ——如帶刀具的加工機(jī)械不是全自動(dòng)化設(shè)備，其設(shè)計(jì)與制造則應(yīng)防止傷人事件的發(fā)生；或使用圓形截面的刀具并限制其切削厚度，將危害保持在最低限度內(nèi)。 

    ——機(jī)械危險(xiǎn)：主要來自運(yùn)動(dòng)組件，包括運(yùn)動(dòng)軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所造成之?dāng)D壓、剪切或絞入等危險(xiǎn)。建議采用固定或移動(dòng)式護(hù)罩來防止人員接近危險(xiǎn)區(qū)域。

4 機(jī)械設(shè)備安全應(yīng)該考慮的幾點(diǎn) 

    （1）元器件要求

    與安全功能有關(guān)的控制電路在設(shè)計(jì)上應(yīng)使用成熟的技術(shù)方案，器件選型上須使用技術(shù)成熟的元器件，即在相似的應(yīng)用領(lǐng)域中有過廣泛和成功的使用，或是根據(jù)可靠的安全標(biāo)準(zhǔn)制造的元器件。采用工作極其安全可靠的元器件,可以不考慮這種元器件本身發(fā)生故障的可能性。

    同時(shí)，為了避免短路，減少故障的發(fā)生率，確定故障的類別，準(zhǔn)確地檢測(cè)故障以及避免二次故障的發(fā)生，可以采用諸如：隔離電路，容余功能，線路保護(hù)，遇故障時(shí)及時(shí)斷電，良好的接地等措施。 

    安全控制電路要能夠承受預(yù)期的運(yùn)行強(qiáng)度，能夠承受運(yùn)行過程中工作介質(zhì)的影響和相關(guān)外部環(huán)境的影響。

    （2）機(jī)器安全停止要求

    機(jī)器設(shè)備的安全保護(hù)，其核心就是使機(jī)器設(shè)備的危險(xiǎn)動(dòng)作停止下來。根據(jù)所使用的安全保護(hù)裝置的不同，可以有不同的安全停止功能。

    在正常運(yùn)行中使用的停止功能，必須要能夠避免機(jī)器設(shè)備、產(chǎn)品和加工過程被破壞，同時(shí)要能夠防止機(jī)器設(shè)備的重新啟動(dòng)，這就是對(duì)安全停止功能的要求。 

    在IEC 60204標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了三種停止類別： 

    - 停止類別0：通過立即切斷供給機(jī)器設(shè)備的電源來實(shí)現(xiàn)停止，也就是停止不受控制。 

    - 停止類別1：受控制的停止，供給機(jī)器設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源一直保持，以使機(jī)器設(shè)備逐漸停止下來。

    只有當(dāng)機(jī)器設(shè)備完全停止后電源才被切斷。 

    - 停止類別2：受控制的停止，供給機(jī)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置的電源一直保持。 

    正確的停止類別的選擇，必須建立在對(duì)機(jī)器設(shè)備所進(jìn)行的危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)之上，這在ISO 13849標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定。 

    所有的機(jī)器設(shè)備都必須具有停止類別0的停止功能。

    停止類別1和/或2的停止功能只有在機(jī)器設(shè)備的安全和功能要求有必要時(shí)才可使用。 

    （3）安全距離解決方法

    a. 可用安全門開關(guān)鎖、電敏式安全保護(hù)裝置、安全地毯和雙手控制器等實(shí)現(xiàn)。

    b. 在機(jī)器設(shè)備的安全保護(hù)中，除了要使用安全可靠的保護(hù)元件外，對(duì)于非常危險(xiǎn)的機(jī)器設(shè)備，還要對(duì)其安全保護(hù)控制電路做出一定的要求，以提高安全保護(hù)的等級(jí)，如：安全監(jiān)控器模塊。 

    （4）安全地毯的使用　

    在機(jī)器設(shè)備的安全保護(hù)中，有些場(chǎng)合是無法用安全圍欄和安全防護(hù)門對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行安全保護(hù)的，如在一些大型注塑機(jī)械、冶金機(jī)械中，經(jīng)常需要到機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整，此時(shí)需要保證在外部無法啟動(dòng)機(jī)器，這種情況下顯然無法使用安全防護(hù)門。

    另外，在有些需要且可以使用安全防護(hù)門的場(chǎng)合，出于方便和美觀的考慮， 也有可能不愿意采用安全防護(hù)門。

    在以上兩種情況中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的安全保護(hù)，可以使用接觸式的安全保護(hù)裝置。在這一類安全保護(hù)裝置中，安全地毯是很有特色，也是應(yīng)用非常廣泛的一種。

    （5）安全光柵的應(yīng)用 

    安全光柵工作原理是：通過發(fā)射紅外線，產(chǎn)生保護(hù)光柵，當(dāng)光柵被遮擋時(shí)，裝置發(fā)出遮光信號(hào)，控制具有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備停止工作，以降低作業(yè)人員在工作環(huán)境中受到傷害的可能性，有效保護(hù)作業(yè)人員的人身安全。它是人員需要頻繁而方便地進(jìn)出操作區(qū)域的理想選擇。主要應(yīng)用有機(jī)器人焊接、機(jī)器定位、貼標(biāo)，沖鍛壓機(jī)床，包裝設(shè)備等場(chǎng)合。按保護(hù)對(duì)象（手指、手腕、身體）不同有不同的分辨率、保護(hù)高度選擇。

    （6）安全聯(lián)鎖開關(guān)的應(yīng)用

    安全聯(lián)鎖開關(guān)對(duì)很少進(jìn)出操作區(qū)域的應(yīng)用提供一種經(jīng)濟(jì)的解決方案，它分接觸式和非接觸式，用于當(dāng)防護(hù)門或受保護(hù)的通道被移動(dòng)時(shí)停止危險(xiǎn)區(qū)域的機(jī)器。

    （7）傳感器的使用

    包括光電開關(guān)，電容式/電感式接近開關(guān)，限位開關(guān)等。傳感器產(chǎn)品是成功的自動(dòng)化安全解決方案的基礎(chǔ)。通過對(duì)生產(chǎn)過程中的各個(gè)安全相關(guān)參數(shù)的采集并分析，可以精準(zhǔn)地控制設(shè)備的工作狀態(tài)。

    （8）監(jiān)測(cè)型安全繼電器的使用

    監(jiān)測(cè)型安全繼電器的基本任務(wù)是要實(shí)現(xiàn):

    a. 檢測(cè)出安全相關(guān)的電氣控制線路上的故障，如傳感器/接觸器/線路連接等上發(fā)生的故障。

    b. 提供可靠的開關(guān)動(dòng)作，如作為中間繼電器來放大信號(hào)或傳輸?shù)蕉鄠€(gè)裝置上去。

    c. 提供手工復(fù)位功能。

    這些任務(wù)的實(shí)現(xiàn)有賴于其內(nèi)部的冗余及監(jiān)測(cè)功能。至于監(jiān)測(cè)型安全繼電器具體在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)如延時(shí)，動(dòng)作傳感，雙手控制監(jiān)測(cè)等哪些功能由設(shè)計(jì)使用情況決定。

    （9）雙手控制裝置的運(yùn)用

    在許多危險(xiǎn)性很高的機(jī)器設(shè)備中，如鍛壓設(shè)備、沖剪設(shè)備等，都會(huì)使用雙手控制裝置。雙手控制裝置屬于電敏式安全保護(hù)裝置，其作用是當(dāng)有人在操作機(jī)器設(shè)備，給機(jī)器設(shè)備一個(gè)產(chǎn)生危險(xiǎn)動(dòng)作的信號(hào)時(shí)，迫使其同時(shí)使用雙手，從而必須待在一個(gè)地方，這樣可以確保安全。 

    （10）安全PLC（可編程邏輯控制器）的應(yīng)用

    安全繼電器在小型的系統(tǒng)中是較好運(yùn)用的器件。但安全繼電器的靈活性不夠好，當(dāng)機(jī)械的控制系統(tǒng)的安全邏輯較復(fù)雜時(shí)，用安全繼電器就不易實(shí)現(xiàn)或使得安全系統(tǒng)變得過于龐大，設(shè)計(jì)和調(diào)試的周期及難度都會(huì)增加很多。這時(shí)就常采用安全可編程控制器，它是采用雙處理器的冗余結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)，邏輯控制有定時(shí)的比較、診斷扦查。

    羅克韋爾自動(dòng)化在各種安全產(chǎn)品方面有20多年的工作經(jīng)驗(yàn)，包括在1999-2002年間并購(gòu)了英國(guó)的EJA-Guardmaster公司，德國(guó)的TESCH GmbH公司等著名的安全產(chǎn)品公司。目前有包括急停開關(guān)，安全光柵，安全地毯，安全互鎖開關(guān)，安全繼電器，安全可編程控制器等全系列的安全產(chǎn)品，并都經(jīng)過TUV的安全認(rèn)證。如羅克韋爾自動(dòng)化的模塊化的安全繼電器MSR300系列產(chǎn)品滿足EN954-1 Category 4和IEC61508 SIL3的TUV認(rèn)證，并支持RS232和CIP（通用工業(yè)協(xié)議）的通訊。羅克韋爾自動(dòng)化的GuardLogix是采用雙處理器結(jié)構(gòu)（1002結(jié)構(gòu)）的安全可編程控制器，達(dá)到EN954-1 Category 4和IEC61508 SIL3的TUV認(rèn)證，還符合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 79和ANSI B11.19的認(rèn)證。

5 關(guān)于IEC61508及相關(guān)的機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

    IEC61508標(biāo)準(zhǔn)引入了安全完整性(Safety integrity)，其定義為：在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，安全相關(guān)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)所要求的安全功能的概率(probability of a safety-related system satisfactorily performing the required safety function under all the stated conditions within a stated period of time)。并引入了4個(gè)安全完整性等級(jí)(safety integrity level－ SIL)。安全完整性等級(jí)4 (SIL4) 是最高的，安全完整性等級(jí)1 (SIL1) 是最低的。IEC61508中定義的安全完整性等級(jí)劃分與功能安全危險(xiǎn)失效概率范圍的對(duì)照如表1所示。

    表1   EN/IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中SIL等級(jí)與PFHd：

    IEC61508標(biāo)準(zhǔn)要求從全生命周期的各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估出發(fā)，從系統(tǒng)的角度采取各種措施（包括對(duì)硬件、軟件的功能安全要求，安全完整性要求，失效模式分析，診斷覆蓋，測(cè)試和證實(shí)等等）降低各個(gè)階段的風(fēng)險(xiǎn)至可以允許的范圍內(nèi)。機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所的馮曉升教授在“儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量”雜志的2007年第1期至第6期的“功能安全技術(shù)系列講座”中對(duì)IEC61508作了仔細(xì)、深入的講述。本文由于篇幅所限不準(zhǔn)備詳述此標(biāo)準(zhǔn)。

    IEC61508討論的是“電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全”。由于近年來電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的廣泛使用及控制系統(tǒng)中功能安全的重要性，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原則上適用于包括過程工業(yè)，化學(xué)，石油化工，機(jī)械工業(yè)等幾乎所有工業(yè)，是十分重要的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)。以IEC61508為基礎(chǔ)，關(guān)于過程工業(yè)，己制訂出了一個(gè)重要的基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)：IEC61511——功能安全-用于過程工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)。以IEC61508為基礎(chǔ)，關(guān)于機(jī)械工業(yè)，己發(fā)展、制訂出了一個(gè)重要的機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)：IEC62061——機(jī)械安全-安全相關(guān)的電氣，電子，可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全。

     圖2   EN954-1，IEC62061，ISO13849-1，IEC/EN61508幾個(gè)
標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系示意圖

    1999年版的ISO13849-1(機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件，由EN954-1發(fā)展而來)根據(jù)安全系統(tǒng)有故障存在時(shí)的性能把安全系統(tǒng)歸成五個(gè)類別B，1，2，3，4之一。2006年發(fā)表的新版的ISO13849-1結(jié)合采用了IEC62061和IEC61508的處理方法，依據(jù)：危險(xiǎn)失效的平均時(shí)間（mean time to dangerous failure - MTTFd）；診斷覆蓋(diagnostic coverage)；共因失效（common-cause failures）；系統(tǒng)失效（systematic failures）；軟件分析（software analysis）等引入了一個(gè)新的安全功能分類級(jí)別，稱為性能等級(jí)（Performance Level - PL）：a，b，c，d 或 e，PL與IEC62061的安全完整性等級(jí)(safety integrity level— SIL)是可比較的。2006年版的ISO13849-1可用于采用各種技術(shù)（包括電，機(jī)械，風(fēng)力，水力）的安全相關(guān)系統(tǒng)的機(jī)械，但對(duì)于采用高度復(fù)雜的、可編程電子技術(shù)的安全相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用有些限制。（IEC62061和IEC61508把重點(diǎn)放在采用高度復(fù)雜的、可編程電子技術(shù)的安全相關(guān)系統(tǒng)）。有些人認(rèn)為，2006年版的ISO13849-1基本上是一個(gè)IEC61508的簡(jiǎn)化版本。可以用圖2表示這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的相對(duì)關(guān)系。

作者信息：

    陳開泰，朱春標(biāo)，黃松杰（羅克韋爾自動(dòng)化研究（上海）有限公司，上海  200233）