關于安全電路的基礎知識

關于安全電路的基礎知識

本文簡要介紹了自動化機械安全電路的基礎知識，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)稱之為常組（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閉時，

該裝置的多個行程開關保持常閉。這些行程開關與安全裝置

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或頻繁開關的門或開關，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

加成摩遨斯的風險。后者是指由于一個開關斷開或出現(xiàn)某故

障，導致另一個開關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

ISO14119標準涵蓋了用于防護的互繳裝置的機械安全，

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閉時運行，但是

不能用防護裝置的關閉動作來觸發(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，就能在防護裝置關閉時啟動危險操

作。

此外，ISO14119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一一無論是手動操作，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。

ISO14119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，使用旋轉(zhuǎn)凸輪、線性凸

輪或銀鏈等未編碼的執(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，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，使用接近開關等未編

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，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）。

ISO14119標準參考了ISO13849標準，后者分為兩部

分，涵蓋了控制系統(tǒng)中安全相關部分（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)ISO12100

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，而尸/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ISO14119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關能力:關，當操作員失去行

為能力時，它將關閉機器人。

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(AmazonFulfillmentCenter)等注重運營效率的工作

場所，就必須安裝拉線開關和限位條等分布式停止開關。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?/p>

個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

機械式開關包括用于檢測門和防護裝置位置的行程開關，以

及緊急停止開關和拉線開關等手動啟動的停止開關。光傳感

器和電感式傳感器等非接觸式開關，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。光幕由兩部分組成一一

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