本文簡(jiǎn)要介紹了自動(dòng)化機(jī)械安全電路的基礎(chǔ)知識(shí)，并就以下方面進(jìn)行探討：規(guī)定所需功能的標(biāo)準(zhǔn)、通用設(shè)置、解決故障和防止篡改的機(jī)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(shí)代初期的機(jī)械設(shè)備極其危險(xiǎn)。無(wú)論是工人，還是農(nóng)民，由于卷入轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)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(hù)系統(tǒng)及其他安全設(shè)備的發(fā)展。 互鎖是指兩種或多種設(shè)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。互鎖可以防止設(shè)備傷害操作員或損壞其元器件。例如，在防護(hù)裝置打開的情況下，互鎖可以防止設(shè)備啟動(dòng)；如果在操作過(guò)程中打開防護(hù)裝置，互鎖則可使設(shè)備停機(jī)。

許多簡(jiǎn)單的互鎖系統(tǒng)都是純機(jī)械式的。例如，在某些設(shè)備的設(shè)計(jì)中，防護(hù)裝置的轉(zhuǎn)軸上裝有互鎖凸輪。當(dāng)防護(hù)裝置打開時(shí)，凸輪與設(shè)備驅(qū)動(dòng)軸上的凸輪配接，防止軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這就表示只有在防護(hù)裝置關(guān)閉時(shí)，設(shè)備才能運(yùn)行。 如今的設(shè)備大多采用電子安全電路，甚至使用微處理器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)互鎖安全系統(tǒng)。不管是布置防護(hù)裝置的靈活性，還是安全程序的復(fù)雜性，電子安全電路都比機(jī)械式解決方案更具優(yōu)勢(shì)。 典型的電子安全電路只允許設(shè)備在電路閉合時(shí)運(yùn)行——這種結(jié)構(gòu)稱之為常閉 （NC） 運(yùn)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(fù)雜性并縮減成本。 設(shè)想一個(gè)典型的安全裝置，當(dāng)防護(hù)裝置的相應(yīng)部分關(guān)閉時(shí)，該裝置的多個(gè)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(hù)裝置的任何部分未正確關(guān)閉，則整個(gè)電路斷開，設(shè)備將無(wú)法運(yùn)行。實(shí)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(gè)事項(xiàng)：如果電路中包含超過(guò)四個(gè)安全開關(guān)或頻繁開關(guān)的門或開關(guān)，則會(huì)降低設(shè)計(jì)的性能水平（PLr——將在下一篇文章中詳細(xì)說(shuō)明），并增加故障遮掩的風(fēng)險(xiǎn)。后者是指由于一個(gè)開關(guān)斷開或出現(xiàn)某故障，導(dǎo)致另一個(gè)開關(guān)斷開或故障無(wú)法識(shí)別的狀態(tài)。故障遮掩最有可能發(fā)生在包含無(wú)源觸點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)不可接受，則可能需要采用更復(fù)雜的布線和方法。

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

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的要求

ISO 14119 標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了用于防護(hù)的互鎖裝置的機(jī)械安全，概述了確保機(jī)械安全的設(shè)計(jì)和選型原則。有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)中風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和降低風(fēng)險(xiǎn)的一般原則方面，它參考了其他標(biāo)準(zhǔn)。 互鎖防護(hù)裝置的基本功能是在防護(hù)裝置關(guān)閉之前，防止所覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)備執(zhí)行危險(xiǎn)操作。因此，如果設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，有人或物強(qiáng)行打開防護(hù)裝置，那么防護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備應(yīng)當(dāng)停止運(yùn)行。在某些情況下，可以安裝防護(hù)鎖定裝置，以防在設(shè)備運(yùn)行期間打開防護(hù)裝置。

應(yīng)當(dāng)注意的是，盡管設(shè)備可以在防護(hù)裝置關(guān)閉時(shí)運(yùn)行，但是不能用防護(hù)裝置的關(guān)閉動(dòng)作來(lái)觸發(fā)并啟動(dòng)危險(xiǎn)操作，此類操作必須使用單獨(dú)的啟動(dòng)命令。不過(guò)，有一種例外，即所謂的控制防護(hù)裝置——一種具有啟動(dòng)功能的特殊互鎖防護(hù)裝置，無(wú)需單獨(dú)的啟動(dòng)命令，就能在防護(hù)裝置關(guān)閉時(shí)啟動(dòng)危險(xiǎn)操作。 此外，ISO 14119 標(biāo)準(zhǔn)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(guò)設(shè)備互鎖的動(dòng)作。

例如，在防護(hù)裝置打開時(shí)，操作員可能有意或無(wú)意地將重物放在行程開關(guān)上，這使得設(shè)備運(yùn)行時(shí)人員可以進(jìn)入工作區(qū)，因而相當(dāng)危險(xiǎn)。如果安全系統(tǒng)采用正確的設(shè)計(jì)，那么采用可以合理預(yù)見的任何方式都無(wú)法使互鎖裝置失效——無(wú)論是手動(dòng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)將互鎖裝置分為四類：

1 型互鎖裝置具有機(jī)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(duì)簡(jiǎn)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(jī)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(dòng)原理。能使電容式、超聲波和光學(xué)執(zhí)行器失效的器件相當(dāng)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(biāo)簽、編碼磁鐵或編碼光學(xué)標(biāo)簽等帶編碼的執(zhí)行器。如果系統(tǒng)構(gòu)建恰當(dāng)，無(wú)法卸下已編碼的執(zhí)行器，則很難使其失效。

設(shè)計(jì)安全電路時(shí)，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(jī)性能，即發(fā)出停止命令后設(shè)備達(dá)到安全狀態(tài)所需的時(shí)間。

接近時(shí)間，即啟動(dòng)停止命令后人員接觸到危險(xiǎn)所需的時(shí)間。

系統(tǒng)整體停機(jī)性能必須比接近時(shí)間短得多。此外，還應(yīng)考慮防護(hù)裝置是否需要設(shè)置緊急釋放（允許從外部手動(dòng)打開），或是逃生釋放（允許從內(nèi)部手動(dòng)釋放）。 ISO 14119 標(biāo)準(zhǔn)參考了 ISO 13849 標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)和驗(yàn)證原則。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，SRP/CS 可以按以下特性進(jìn)行分類：

抗故障能力

發(fā)生故障時(shí)的行為

機(jī)械設(shè)備上所有涉及安全的設(shè)計(jì)工作都須根據(jù) ISO 12100 標(biāo)準(zhǔn)，從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開始著手，以便識(shí)別危害、預(yù)估風(fēng)險(xiǎn)。然后盡量降低風(fēng)險(xiǎn)：首先采用本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，然后采取防護(hù)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(hù)措施都必須使用特殊的迭代程序來(lái)進(jìn)行評(píng)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(xiǎn)故障前時(shí)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(gè)組件指定一個(gè)性能等級(jí)，其中 PLa表示發(fā)生危險(xiǎn)故障的可能性最高，而PLe表示可能性最低。對(duì)于故障發(fā)生的具體方式，還需參考上述 ISO 14119 標(biāo)準(zhǔn)中提出的注意事項(xiàng)。

各類安全電路及一些布置示例

對(duì)于帶門的機(jī)器人工作區(qū)等大型圍欄，安全布局略有不同。因?yàn)榧幢悴僮鲉T在活動(dòng)工作區(qū)內(nèi)，防護(hù)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(shí)操作員不在工作區(qū)內(nèi)，并且只有這樣，機(jī)器人才能開始全速運(yùn)行。 當(dāng)然，當(dāng)操作員在工作區(qū)內(nèi)時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)器人往往只能在低速示教模式下進(jìn)行操作，而當(dāng)其全速運(yùn)行時(shí)，人員則不得靠近，這一點(diǎn)與協(xié)作機(jī)器人不同。即使在示教模式下，除非機(jī)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(xiǎn)。因此，手持式控制單元上常裝有失能開關(guān)，當(dāng)操作員失去行為能力時(shí)，它將關(guān)閉機(jī)器人。

另一種需要專用安全電路的自動(dòng)化應(yīng)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(yùn)行速度相當(dāng)快的輸送機(jī)旁工作。這就存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，人員可能會(huì)因卷入而導(dǎo)致重傷，因此必須盡可能地避免。不過(guò)，在亞馬遜物流中心 （Amazon Fulfillment Center） 等注重運(yùn)營(yíng)效率的工作場(chǎng)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(tái)輸送機(jī)，無(wú)論在哪個(gè)位置都可以停止其運(yùn)行。

布置這類停止開關(guān)時(shí)，要使操作員在緊急情況下能夠輕松抓取或按下，而不必費(fèi)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(shí)，輸送機(jī)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)停機(jī)。可能需要多個(gè)停止裝置和冗余電路，而且如果可從兩側(cè)接近輸送機(jī)，那么輸送機(jī)兩側(cè)都必須布置這類安全裝置。

常用安全電路元器件

機(jī)械式開關(guān)包括用于檢測(cè)門和防護(hù)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(dòng)啟動(dòng)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(hù)裝置和防護(hù)門搭配使用。上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jiǎn)單的方法來(lái)檢測(cè)人員何時(shí)進(jìn)入防護(hù)區(qū)域。但近年來(lái)，這類器件大多已被光幕和激光掃描儀等光學(xué)系統(tǒng)所取代。

光幕可以構(gòu)建虛擬防護(hù)裝置，因而無(wú)需物理防護(hù)。一旦任何光束中斷，設(shè)備就會(huì)停止軸向運(yùn)動(dòng)。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(cè)這些光束。如果其中任何一道光束中斷，就會(huì)觸發(fā)設(shè)備停機(jī)。光幕的優(yōu)點(diǎn)包括開放式的工作區(qū)域、出入不受限制以及能夠快速進(jìn)出保護(hù)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(dú)的發(fā)送器和接收器來(lái)構(gòu)成屏障，而是只需單個(gè)硬件就能設(shè)置門禁。換言之，光幕可提供周界防護(hù)，而激光掃描儀則可為面積較大的出入口提供保護(hù)，適用于輸送機(jī)和機(jī)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(shí)需要計(jì)算最小安全距離。該值取決于系統(tǒng)整體停機(jī)性能和接近時(shí)間。不過(guò)，由于涉及額外的處理，激光掃描儀的系統(tǒng)整體停機(jī)性能可能比光幕的時(shí)間長(zhǎng)很多。

對(duì)于工廠和 OEM 設(shè)計(jì)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(xiàng)，可用于保護(hù)人員和設(shè)備。軟件供應(yīng)商及其他供應(yīng)商資源可幫助簡(jiǎn)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(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)的工作區(qū)，甚至是要求工作人員或設(shè)備操作員工作時(shí)必須靠近輸送機(jī)、機(jī)器人以及與工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)的其他移動(dòng)設(shè)備的靈活區(qū)域。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：關(guān)于安全電路的基礎(chǔ)知識(shí)

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