發布日期：2022-04-18 來源：環球電氣之家 作者：環球電氣之家 點擊率：68 品牌：組態王_Kingview
安全功能安全相關部分的設計步驟 風險評估 機械有許多危險源，作業者靠近危險源會發生危險狀況。放任此狀態不管會使造成傷害的可能性變大。所以在設計階段討論機械的安全性時，必須在事前把握機械自身所具有的危險情況。像這樣把握危險程度稱為風險評估（Risk Assessment）。 根據EN1050的風險評估 Determination of the pmit of Machinery 機械耐用期間對各階段的要求事項 確定機械的正確使用方法和動作及預想的誤操作和誤動作的機械界定。 操作者的性別、年齡、使用能力和體能（如視覺/聽覺障礙，身高、體力等）等的限制，確定機械使用狀況的范圍。 預想的使用者的訓練、經驗、能力的程度。 機械給人帶來危險的可能性。 發生了可預見的機械危險時，機械給人帶來危險的可能性。 2.『危險確認』Harzard Identification 確認機械附帶的所有危險狀態及危險情況。如 機械危險：切斷、卷入、擠壓等危險 電氣危險：與帶電部分接觸、靜電現象等 高溫危險：與高溫部分接觸、高低溫作業環境帶來的健康危害等，引出預測由機械產生的危險。 3.『風險推定』Risk Estimation 確認了機械危險狀態及危險情況后，決定風險要素，根據可『引發危害的程度』和『概率』推定危險。 4.風險評價Risk evaluation 推定風險后，評價該風險，確定是否有必要降低風險。 必須降低風險時，實施設計變更、安全防護措施等安全對策。 5.達到安全性的反復處理如下圖所示，反復實施第一項到第四項所說的步驟，降低風險，實施安全對策。 6.降低風險目標的達成為了達到安全性而反復實施處理降低風險，但當如下的條件被確認后，降低風險處理也就結束了。 通過設計上的對策，變更使用危險性少的材料或設置安全防護來降低風險。 安全防護設置確認使用時充分防護。 安全防護是作業者不能無效化且不能回避的結構。 使用機械時向用戶提示充分的信息。 機械的運轉過程中，萬一發生誤操作也不會引發重大危險。 安全作業步驟規定訓練要件。 向用戶展示充分的殘存風險的信息。 詳細規定殘存風險的保護工具的必要性及訓練要件。 追加預防措施充分。
●基于EN954-1的安全等級 根據EN1050評價機械風險的大小，實施降低風險的對策，降低風險的對策有設計及安裝安全裝置的方法。首先是是采取設計對策，根據右表等級核定表預測的傷害程度（從輕傷到重傷）和發生該傷害的概率（幾乎沒有到經常發生）這兩個因素，決定應該選擇的等級。 控制系統的安全相關部分安全等級，在一臺機械的控制電路整體中判定為一個等級的情況時，也可以對每部分進行核定。 S：傷害程度(S：Severity of Injury) S1：輕傷（擦傷，碰傷等） S2：重傷（手腳切斷、死亡等） 對因控制系統的安全性相關部分故障造成的傷害進行風險評價,應用最嚴重的傷害情況考慮，輕傷選擇S1，重傷選擇S2。 F：引起危險的程度(F：Frequency and/or Exposure Time to the Hazard) F1：偶然發生時間短 F2：頻繁發生時間長 例如，作業者為安裝/拆除工作零件而向周期運轉的機械的工具和工具間必須放入手時選擇F2，基本不需接近機械時選擇F1。 P：避免危險的程度(P：Possibipty of Avoiding the Hazard) P1：可能 P2：不可避免 對參數P的選擇有影響的例子如下。 是否在監視下運轉。 是否有熟練工人負責運轉。 機械是否伴隨危險而高速運轉。 是否有避免危險的可能性。 系統是否有安全經驗。 發生了某種危險情況后，完全沒有逃避危險的機會時選P2，有機會時選P1。
適用安全等級1。 安全等級，運行時為4。
●基于EN954-1的安全等級的核定 根據等級核定表決定應選擇的安全等級后，電路的設計必須滿足如下表各等級要求的安全功能。 安全等級有B、1、2、3、4，數字越大，電路構成的安全功能也就越高。發生重大災害可能性高的機械類其安全相關部分應由屬于數字大的安全等級的控制零件和系統構成。 作為確保安全的原則，安全等級2～4一般由包含多個安全功能零件的子系統構成。 換言之，雖然進行前項的風險核定，但在設計機械安全相關部分時，與要降低的風險程度相比，安全相關部分的安全功能可以有一定程度的超出。 等級要求事項概要確保安全 性的原則B控制系統的安全性相關部分應根據相關標準進行設計、選擇及組裝，使其最低可以承受以下的使用環境壓力。☆耐使用環境應力舉例如下。●由切斷容量及其頻度決定的可靠性等的預期動作應力。●選擇耐使用環境的材料。●機械振動、外部磁場、停電、外部干擾之類的外部原因。●構成部件符合相應標準。因此，等級B部分不適用于特別安全對策，故障時有可能導致安全功能降低。 1適用等級B及以下要求事項。屬于等級1的控制系統的安全性相關部分應當是使用經過充分研究的部件和充分研究后的安全原理進行設計和組裝的☆充分研究的部件是以下部件。●過去在類似用途上被廣泛使用的部件。●適合安全性相關用途的使用，且可靠性已經過驗證。☆充分研究的安全原理是類似下面所舉的例子。●短路時的熔斷器保護。●部件尺寸有余量，通過降額使用等降低故障的發生概率。●故障時電路開路、切斷電源等故障模式的定義。●故障的早期發現。●設備接地等的故障發生后的對策。所以，等級1的故障發生概率比等級B低，但故障時有可能導致安全功能下降。 等級要求事項概要確保安全 性的原則2等級B的要求事項及添加充分研究的安全原理的使用，適用以下的要求事項。屬于等級2的控制系統的安全性相關部分的安全功能，應設計成由機械控制系統以適當的間隔時間進行檢查。☆由機械控制系統以適當的間隔進行檢查的設計，舉例如下。●機械啟動時和危險狀態發生之前。●如果風險核定和運轉種類的檢查是必要的，運轉中定期進行。檢查的開始自動開始、手動都可以，但安全功能的檢查是以下內容中任意一個。●檢測不出故障時，可以運轉。●檢測出故障時，啟動適當的控制操作并輸出，根據此輸出構成安全狀態。不能構成安全狀態時（例如最終切換裝置內的接點熔接），應該輸出危險警報。檢測出故障后，安全狀態需要維持到故障消失。所以等級2有可能在故障發生時,檢查與檢查之間失去安全功能。 3等級B及添加充分研究的安全原理的使用，適用以下要求事項。屬于等級3的控制系統的安全性相關部分應設計成,無論在哪個安全性相關部分中發生單獨的故障,都不會導致安全功能下降。單獨的故障盡可能在以下要求安全功能時或之前檢測出來。☆設計成單獨故障不會導致安全功能下降，舉例如下。●應當具備冗余性多樣性。●安全功能的自動檢查。所以多個故障一起發生時，安全功能有可能不啟動。4等級B及添加充分研究的安全原理的使用，適用以下的要求事項。屬于等級4的控制系統的安全性相關部分如下設計。●任何安全性相關部分中發生的單獨故障不會導致安全功能下降。●在后面的安全功能運行之前檢測出單獨故障。●即使未能檢出，故障的累積也不會導致安全功能的下降。
安全等級的符合確認 ●安全等級的符合確認 為了根據EN1050檢查和降低機械整體潛在的危險，選定基于EN954-1的安全相關部分的安全等級。 然后對機械整體安全中安全相關部分是否符合要求事項的確認進行分析和試驗。 分析根據基于EN954-1的設計標準和預想的故障列表進行，但是,例如以下的故障，則作為「故障除外事項」的一例排除在外。 ①具有強制斷開動作機構的安全開關的NC接點不分斷。 ②具有強制導向接點結構的安全繼電器的NC接點及NO接點同時處于閉合狀態。 ③電纜導管等確實保護的固定電纜由于外部沖擊造成線間短路。 ④連接部分由絕緣套管等確實覆
蓋的鄰接的端子間短路。
互鎖裝置 在機械式．電氣式等裝置中，例如以在防護裝置未關閉的狀態下防止機械運轉為目的的裝置稱為互鎖裝置。 在互鎖的相關規定中，關于防護裝置的規定在EN953中、關于隨付在防護裝置上的連動裝置的規定在EN1088中、處理從連動裝置發出的信號使機械停止的方法的規定在EN954-1中分別進行了規定。在此，根據EN1088，將與安全限位開關和安全門開關之類的防護裝置連動的互鎖零件及其裝置的要點進行說明。 互鎖裝置的作用 需要安全性的機械設備如圖1所示，由「控制部」及「動作部」構成。此外，「動力控制要素」使控制部和動作部產生關聯，「機械可動部」通過防護裝置進行防護量實施互鎖。只有收到從互鎖裝置發出的安全確認信號，從控制部發出的機械運轉指令后，才會向動作控制要素供給電能量。 如下圖所示，互鎖裝置的作用是將確認安全后的結果傳輸給動力控制要素。在時序裝置不會對互鎖裝置產生不良影響的條件下，安全信號也會傳輸給時序裝置。也就是說，互鎖裝置（安全相關部分）與時序裝置（非安全相關部分）是分別獨立的關系。在國際安全標準中，控制部由安全相關部分和非安全相關部分組成，在結構上，必須使非安全相關部分無論在正常時和異常時都不會對安全相關部分產生影響。
互鎖裝置的分類 互鎖裝置根據互鎖方式不同，分類如下。 1. 互鎖方式 ●控制互鎖方式 通過將互鎖裝置發出的停止信號輸入電磁繼電器等控制系統，使控制系統切斷或分離向機械可動部分供應能量的方式。 ●動力互鎖方式 通過互鎖裝置發出的停止信號，直接切斷或分離向機械可動部分供應能量的方式。 2. 防護裝置鎖定方式 ●非上鎖方式 始終能開關防護裝置，在開狀態下輸出停止信號。 ●上鎖方式 ①無條件鎖定解除方式 操作人員任何時候都能解除防護鎖，但鎖定解除時間應當比危險性消除時間更長。 ②有條件鎖定解除方式 由于一定時限后或危險性消失（旋轉零檢測等），在滿足一定條件后機械的危險狀態消除后，能夠解除防護裝置鎖定的方式。 3. 上鎖解鎖方式 根據以防護裝置上鎖解鎖為目的的操作機構不同，其分類如下。 ●彈簧上鎖動力解鎖方式（在歐姆龍，被稱為機械鎖定/電磁解鎖方式）。 ●動力上鎖彈簧解鎖方式（在歐姆龍，被稱為電磁鎖定/機械解鎖方式）。 ●動力上鎖動力解鎖方式 注1. 在特定用途中，若能保證同等水平的安全性，也可使用「動力上鎖、彈簧解鎖」或「動力上鎖、動力解鎖」，但以鎖定為目的的零件（鎖簧）原則上必須采用「彈簧上鎖動力解鎖」方式。
互鎖裝置的設計 使用安全限位開關和安全門開關設計互鎖裝置時，應當考慮以下事項。 ●使用機械位置檢測開關時 ①使用1個機械位置檢測開關設計互鎖裝置時，必須使用正動作（強制斷開動作機構）的開關。 ②使用2個機械位置檢測開關設計互鎖裝置時，通過使用負動作（非強制斷開動作機構）和正動作（強制斷開動作機構）的開關，以實現避免共同原因故障的設計。 注. 關于負動作和正動作，請參見57頁。 ●檢測開關的安裝 ①可通過緊固拆卸工具進行。 ②通過長孔進行的安裝僅限初期調整時，調整后為了避免位置錯誤，使用銷釘等進行定位，使其在更換時無須再調整。 ③開關動作時的防護裝置移動量應在不妨礙防護裝置防護效果的范圍內。 ④機械的動作范圍應為開關的規定動作范圍。 ⑤請不要將其用作機械制動器。 ⑥安裝在不會受外部損傷的場所，根據需要實施保護措施。 ⑦應裝于便于維護檢查的位置。 ●減少因共同原因引起的故障 開關冗余化時，使用負動作和正動作開關等，來作為避免因共同原因引起的故障。
互鎖裝置的選擇 在選擇互鎖裝置時，應全面考慮機械的使用條件及潛在危險性及評價對機械的接近停止時間及接近頻度等后進行選擇。 1. 停止時間及接近時間 操作員到機械的危險區域的到達時間（接近時間）比機械的停止時間快，必須選擇鎖定式互鎖裝置。 2. 接近頻度（防護裝置的開關頻度） ①高頻度開關時，在進行風險評價的基礎上，盡量選擇防護裝置開閉影響較小的產品。 ②在裝入自動檢測電路的互鎖裝置中，開關頻度低的話功能確認的頻度也會降低，故障未能檢測的概率也增加了，所以請增加帶條件的鎖定解除等措施。
互鎖裝置的控制要件 關于與可動防護裝置對應的互鎖裝置，需要滿足以下的控制條件。[EN292-1] ①關閉可動防護裝置，被防護裝置包圍的機械才可以運轉。此外，無法通過關閉防護裝置來使其自動開始運轉。實際啟動時，需在所有其他啟動條件均具備后，按下啟動按鈕才能再次啟動。 ②在被防護裝置覆蓋的機械運轉過程中打開防護裝置時，機械會輸出停止信號。也就是說只要未檢測到防護裝置的關閉狀態，就不允許機械運轉。
故障時的基本安全功能 電氣設備的故障或混亂可能導致危險狀態，損傷機械和加工中的加工件，此時需要采取適當方法，將危險發生概率控制在最小限度內。這里根據EN60204-1，對于在安全等級中使用時將故障時的風險控制在最小限度的主要方法，舉列加以說明。
使用已認證的電路技術和部件 Use of Proven Circuit Techniques and Components ●應考慮到接地故障的基本電路結構。 以下所示的是有代表性的方法的例子。 基本電路結構 設計控制系統安全電路時，在結構上的主要注意點如下所示。 1.安全電路中的繼電器接點，應為線圈無勵磁時開路。 2.隔離變壓器2次側的安全電路其一側的線需要接地。 3.安全電路中所有的線圈盡量靠近接地側的線，并直接連接。 4.安全電路中必須安裝熔斷器。 全部含有上述項目的安全電路的基本結構如下圖所示。
在開關線A上出現了接地障礙時，熔斷器將熔斷，切斷電路。 線圈B已接地，所以沒有接地故障。
接地故障的事例
2個接地故障會繞開開關，機械可能會有突然啟動而無法停止的危險。
1個接地障礙會對繼電器線圈施加50%的電壓，可能使機械不能停止。
●應設計成在不通電時能立即停止控制電路和電力電路。 詳細內容，請參見「(8)緊急停止」項。
●應使用已取得安全標準認定的零件。 所謂取得安全標準認定，是指取得T等第三方機關進行的認證。
●應使用切實進行開路動作的安全開關。 取得上述標準認證的產品上有
定期實施功能試驗 Functional Tests 特別是與安全相關的功能試驗的實施可自動通過控制系統進行，或依靠手動檢查或試驗進行。 實施時間為開始作業時及需要一定的時間。檢測到故障時，在查明其原因前，不得再次啟動機械。
應具備冗余性 Provisions of Redundancy 通過部分或整體配備的冗余性（重復性），可將電氣電路的1個故障發生危險的概率控制在最小限度。 例如，由于2個以上的繼電器或開關并列組合，即使1個發生故障，另一個也能代行整體功能的電路示例如下。
多樣性的使用 Use of persity 由于在冗余性,同一種類的設備，在同樣條件下，可能同時發生故障。因此，可通過使用各種動作原理的控制電路和各種類型的裝置或零件，能降低共同障礙及故障的概率。 作為這種多樣性的手段，有如下幾種。 ●將NC接點和NO接點組合，由保護門使其動作。 ●將不同類型的控制零件用于電路中。 ●將機電電路和電子電路組合，形成具有冗余性的結構。
在界面繼電器電路中的自動檢測 Self-Monitoring by Interface-Relay Circuit 將電力供應給使復位開關動作的接觸器時，將自動檢測是否有因界面用并列繼電器電路引起的故障，無論有什么故障，啟動動作都將停止，使電路切斷，這是一種安全控制電路。 由繼電器裝置構成的自動檢測電路示例
單一故障檢測 Detection of Single-fault 編程序控制器一般用于安全相關功能的監視，或定期功能試驗及備份。此外，可編程控制器需要使用IEC61131的合格品。 下列表示的是使用了可編程控制器的單一故障檢測的基本電路的示例。
打開門后,開關S1會解除向可編程控制器輸入的輸入信號，切斷電源。 在發生故障時，開關S2具有能使危險動作停止的安全保護功能。因此，開關S2必須是具有強制斷開功能的安全開關。 要開關1個電力負載電路必須有1個電力接觸器。
短路保護的檢測Detection of Short-circuit 以動作中的控制回線為例，因夾握、高溫沖擊、酸等引起的損傷，可能會造成安全控制電路引線上的開路或短路。 安全控制電路上如果備有短路保護，就可以檢測這些影響。要配備短路保護，以下是前提條件。 1) 必須是分別具有NC接點的2通道輸入的安全控制電路。 2) 在各個通道間，應產生電位差。以下是具有短路保護功能的電路示例。
緊急停止Emergency Stop 緊急停在的要求事項如下所示。 ●緊急停止裝置 1. 緊急停止裝置應配置在操作人員控制的各個控制站及需要緊急停止的其他操作站上。 2. 配置的位置，應是將機械分為多個緊急停止區域，操作人員能方便進行目測，方便接近，并且操作時不會發生危險的位置。 3. 緊急停止功能應優先于所有功能及所有模式下的操作。 4. 應備有停止級別0或級別1的停止功能。該級別的選擇應根據機械的風險評估決定。 停止功能的分類 ●停止級別0：（Stop Category 0） 通過立即直接切斷機械驅動部的電源使其停止的級別（例如直接切斷主電源）不控制的停止。 ● 停止級別1：（Stop Category 1） 通過控制電路發出的運轉停止指令，啟動機械驅動部的停止功能（例如制動器），隨后由停止供電（例如切斷控制電路電源）的級別控制停止。 ●停止級別2：（Stop Category 2） 保持向機械傳動裝置的驅動部供電的狀態下停止。 5. 不應僅靠可編程控制器構成緊急停止電路。特別在停止級別0的緊急停止中，不能使用可編程控制器。 6. 有多個緊急停止裝置時，在所有動作后的緊急停止設備復位之前，不應恢復電路。此外，也不能通過復位進行再啟動。 7. 緊急停止裝置請不要用作安全防護裝置或安全設備類的代替手段。至多可以用作備份手段。
●緊急停止設備 1. 形式 具有代表性的緊急停止設備有如下的形式 ●按鈕操作開關 ●拉線操作開關 2. 要求事項 ●電氣接點應備有強制斷開動作機構。 ●備有保持機構，在手動復位之前，停止位置應被機械保持。 ●操作部為紅色，蘑菇型，背后的底色和周圍應該為黃色。 ●將金屬線作為驅動器使用時，應注意以下事項。 1）在發出緊急停止信號之前的金屬線變位量 2）最大變位量 3）金屬線和最短位置上的機械之間的空間距離 4）操作中需要的力量 5）應當使用標志標記等使操作人員便于確認。 6）應在金屬線斷開、脫落時自動發出緊急停止信號。
存在檢測 安全的基本點 安全的基本點可大致分為以下2類。 1.在確認安全之前，不啟動機械設備。 2.檢測到危險后停止機械。 為了確保安全，需要采取能檢測作業者侵入危險區域及存在于危險區域，并能排除危險的安全策略。
安全要求事項 對于存在檢測的要求事項，以下列各項在各國各種標準指南中都有規定。 「關于機械總括性安全標準的方針」：厚生勞動省附表2 對于機械的危險源的安全防護方法 若勞動者為了作業可能通過開口部分全身進入安全防護區域內時，應設置能檢測該安全防護區域內勞動者的裝置。 ANSI/RIA R15.06：美國機器人相關安全標準 第10.4.7項 啟動及再啟動 作業人員在安全防護區域內時，必須保護作業人員免受機器人/機器人系統錯誤啟動/再啟動而造成的傷害。（中略）將安全防護區域明確標識，無法進行單元啟動及再啟動時，需要有檢測在不可見位置作業的人員的方法。值得推薦的方法是自動檢測。（后略） EN201：歐洲注射成型機安全標準 第5.3.1項 作業人員可能全身進入可動防護裝置和金屬零件部之間時，應設置檢測作業人員存在的設備。
檢測方式 檢測存在的方式，大致可分為以下2種方式。 （1）反射光方式 特長：防護區域可比較自由的設定。
（2）壓力檢測方式 特長：具有優秀的耐環境能力。
安全距離 即使人體侵入安全區域，在到達危險部之前，機械必須停止。 在機械危險部和保護裝置之間必須間隔的最短距離稱為安全距離。 關于必須的安全距離的計算，請參見62頁。
動作原理 安全墊 如圖1所示，因作業人員腳部踏入，接觸內部2塊板，通過控制器進行檢測，輸出。
激光掃描儀 如圖2所示，發射激光束，碰到周圍物體后反射，由受光之前的時間來計算距離。
雙手控制器 作為防止作業人員接近處于危險狀態的危險區域的防止策略之一，可使用將雙手操作裝置設置在特定位置的方法。 作為雙手操作裝置的設計指南，可使用EN574（ISO13851），在此將根據EN574「雙手操作設備功能方面設計的原則」，來說明設計雙手操作設備時的主要安全要求事項。 （注）實際設計時，應根據本標準的詳細規定進行設計。 1. 主要特性 根據應具備的特性，類型特性，可分為類型I、II及III，在此將就作為風險評估結果，使用安全等級3及4的類型III的主要特性進行記述如下。 （1）應通過雙手使用同時啟動。 （2）應通過2個輸入信號來輸出1個輸出信號。 （3）一方或兩方輸入信號OFF時，輸出信號也OFF。 （4）2輸入信號OFF的條件應是輸出信號的再啟動條件。 （5）應在將兩輸入信號的時間差限制在0.5秒以下的基礎上，能同時啟動輸出。 （6）偶發啟動及無效化防止：請參見第2項。 2. 偶發啟動及無效化防止 2.1單手進行的無效化防止 兩個啟動設備間，水平距離應相隔260mm以上（內尺寸）。（注）在兩個啟動設備間設置屏蔽物，但無效化防止還有其他 方法。 2.2通過單側手腕的手和肘部的無效化防止 兩個啟動設備間，應水平距離550mm以上（內尺寸）。 （注）在兩個啟動設備間設置屏蔽物，但無效化防止還有其他方法。 2.3前腕及肘部的無效化防止 設置蓋或框 2.4單手及身體其他部分的無效化防止 通過單手和身體其他部分(肘部、腰等)進行無效化的防止，應在距離地面或操作平面1100mm以上的地方設置啟動裝置。 （注）安全距離 2.5代表性結構示例 按照從2.1項到2.3項的注意事項組成的雙手操作設備的代表性結構示例如圖1所示。
3. 連接電路示例 3.1使用安全繼電器單元的連接電路示例 使用雙手操作設備用安全繼電器單元（G9SAT-H301）及按鈕開關（A22）的連接電路示例如80頁所示。 3.2使用安全控制器的連接電路示例 以下圖所示的鉚接機作為例，使用安全控制器（F3SX）、安全光幕（F3SN-A）及按鈕開關（A22）的連接電路示例如81頁所示。
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