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功能安全系統技術在工業衡器的最新應用
功能安全系統技術在工業衡器的最新應用
上海香川電子衡器有限公司
【摘 要】 產品功能安全系統設計與應用目前在國外工業發達國已經發展到相當先進的水平，我國工業界近幾年也緊跟國際潮流，相應制定了相關的國家標準與實施計劃。在我國工業衡器技術的發展歷程中，同樣離不開衡器功能安全技術的發展。本文針對目前國內衡器行業對于產品功能安全的理念和相關技術比較陌生的實際情況，試圖根據最新國際IEC/EN、ISO/EN相關標準內容，結合衡器產品設計與應用，以最簡潔的方式闡述工業衡器“功能安全”概念及衡器技術的發展與應用。
概述從傳統的基于繼電器與人工防護的安全系統到目前發展起來的功能安全集成系統，使得我國工業產品的安全技術在不斷進化。產品功能安全系統設計與應用是目前我國工業技術革命向縱深發展的必由進程。近幾年IEC國際電工技術委員會與ISO國際標準化技術委員會相繼發布了“與安全相關的電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全”，“機械安全—控制系統的安全相關部件”等標準，我國也根據上述國際標準等同采用制定或正在制定相應的國家標準。2011年11月初在上海舉辦的“2012中國國際工業博覽會”上，主辦部門舉辦的“OEM機械設計技術高峰論壇”上就產品功能安全系統作了專題交流與研討，研討會上許多國際知名公司如：Rockwell，ABB，Omron，Pilz等相繼推出了最新功能安全應用的控制產品。由于目前國內衡器行業對于產品功能安全的理念比較陌生，本文擬結合我國衡器行業正在制定的唯一的衡器產品強制國家標準《電子衡器安全技術要求》，從產品功能安全系統設計的概念開始結合衡器產品的設計與應用，特別是對于較復雜的工業稱重系統談談自己的看法。
一、功能安全概念
由于產品研發人員在開發制造中由于可靠性風險管理意識的不足，自身安全性能存在缺陷的產品已經造成人身安全、財產損失和環境危害等影響，給社會帶來了無法挽回的損失，為此引出了功能安全的設計理念。
功能安全——無論產品的零部件或者整體系統發生失效是隨機失效、系統失效還是共因失效，都不會導致安全系統的故障，進而不會對操作人員或者環境產生危害，那么這個系統在功能上就是安全的。
無論是在正常工作狀態或者是故障工作狀態，控制系統都必須保證其安全功能。
二、功能安全相關標準
目前許多有關安全的設備供應商均在其說明書或樣本中聲明其產品符合EN 954-1安全標準的規定。EN 954-1和IEC、ISO有關的安全標準之間的關系如何，有何區別。為了搞清楚這個問題我們有必要先分別介紹一下相關標準的內容。
1、EN 954-1標準
EN 954-1“機械安全——控制系統有關安全的部件”是由歐洲標準委員會（CEN）制定的歐洲標準，最早于1992年11月公布，它設定了一個流程來選擇和設計安全措施，這個流程包括以下5個步驟：（1）危險分析與風險評估；（2）確定措施以減少風險；（3）通過控制系統的與安全相關的部件實現指定的安全要求；（4）設計；（5）驗證。
EN 954-1也提供了一個典型的安全功能的列表：（1）停車；（2）緊急停車；（3）手動重置；
（4）啟動和重啟；（5）響應時間；（6）安全相關的參數；（7）本地控制功能；（8）供電系統的波動，損失和復位；（9）暫時失效；（10）安全功能手冊。
EN 954-1將危險等級分為CAT.B、CAT.1、CAT.2、CAT.3、CAT.4五個等級。等級B是最低，
對安全系統沒有特別的要求，等級4為最高的危險等級。控制等級分為4級，安全控制等級必須大于等于其危險等級。EN954-1通常適用于機械的低復雜性的安全系統。
EN 954-1存在的問題：沒有覆蓋PLC可編程系統及單片機系統；沒有涉及系統故障概率；安
全等級劃分不明確；有效期至2011年12月31日。
2、IEC 61508標準
IEC 61508“電氣／電子／可編程電子（E/E/PE）安全相關系統的功能安全”是由國際電工委員會在1998年12月發布的國際標準，該標準包括電氣/電子/可編程電子安全系統的要求，包括對設備和系統的要求，對軟件的要求，描述避免失效的方法，給出一些確定安全完整性水平的方法示例，給出測試方法。
IEC 61508標準主要適用于對安全系統有較復雜要求的系統，根據發生故障的可能性分為4個SIL（安全完整等級Safety Integrity Level）等級。
4、IEC/EN 62061、ISO/EN 13849-1風險評估標準
安全標準主要依據應是風險、故障概率的描述和安全等級，現IEC/EN 62061將注意力集中在
機械設備安全功能的量化上，是IEC 61508標準的簡化版。與IEC 61508標準相同由每小時故障率PFH決定安全完整性等級SIL。
ISO/EN 13849-1舊版本（1999）與EN 954-1是相同的，ISO/EN 13849-1新版本（2006版）引
入控制系統安全性能等級的新概念PL（Performance Level），是一種定性故障評估的方法，考慮了控制系統外在因素的可變性。新的安全控制標準EN /ISO13849-1在2009年12月取代EN 954-1強制執行，標準覆蓋了氣壓系統、機械安全控制系統。還引入了B10d，MTTFd等概念。
（1）PL（Performance Level）——控制系統執行安全功能的能力，以每小時發生危險故障的
概率表示，并劃分5個等級，依次為PL a、PL b、PL c、PL d、PL e。
三、風險評估的流程
首先要確定當前或者發展中可能存在風
險的等級，通過評估、設計、選擇、驗證以
及維護等一系列程序來建立真正安全的生產
環境，這些都要遵循相關的國際安全標準和
規則。較為復雜的工業產品系統能夠達到何
種安全等級一般是需要由第三方機構進行認
證的。目前我國主要由一些權威的外資機構
如德國TUV公司等在中國開展了產品安全
等級測試及認證工作。基于IEC 61508，IEC
61511，IEC 13849-1，IEC 62061等標準，對
安全設備的安全完整性等級（SIL）或者性能
等級（PL）進行評估和確認的一種第三方評
估、驗證和認證。功能安全認證主要涉及針
對安全設備開發流程的文檔管理（FSM）評
估，硬件可靠性計算和評估、軟件評估、環
境試驗、EMC電磁兼容性測試等內容。以下
是風險等級評估的流程。
對機器進行過危險性分析后，制造商可以采取如下三種措施來減少事故的可能性，將機器的危險性降低到可以承受的程度：
（1）在設計機器時將可能出現的危險降低到最少；（2）對于無法避免的危險，采取必要的安全保護措施；（3）對用戶進行培訓，避免剩余危險可能導致的傷害。
為達到上述標準的各類安全等級，最常用的設計方法為熱備份的冗余設計方法。例如：安全開關的雙觸點結構、安全繼電器的雙通道輸入、安全PLC的雙CPU結構、控制軟硬件的冗余設計。
此類設計方法已經或正引起越來越多的產品設計與應用部門的重視。
四、功能安全在工業衡器中的應用
功能安全控制系統的宗旨是提高工業產品的可靠性與安全性。目前在我國工業自動衡器的產品中采用功能安全集成控制系統已初露端倪。例如：重量自動分選衡器、連續累計自動衡器中皮帶秤、給煤機、皮帶配料秤、重力式自動裝料衡器中的大型稱重配料系統、產品稱重包裝生產線、動態滾道秤、動態膠料秤等產品中，一些卓有遠見的用戶已經提出了功能安全集成控制系統的要求。
在上圖的產品生產稱重系統中，安全鎖、安全急停按鈕、拉線急停開關、感應式安全光幕以及控制柜中的安全繼電器、安全PLC等部件動作互相關聯，組成了一個完整的功能安全集成控制系統。
作為一個設計人員應該在機器的設計上把危險減少到最小，就必須采用安全控制類產品。以下將結合上海大和衡器有限公司近期在工業自動衡器產品設計中的一些應用實例，分別介紹各種安全功能部件的應用。
1、安全互鎖開關
安全互鎖開關是指通過強制斷開動作結構，即使在接點熔接時也能確保功能安全。
產品分為非接觸式、機械連鎖式兩種。例如：安全門鎖、舌簧互鎖開關、安全限位開關、非接觸式安全開關等。上述用于安全互鎖開關的共同特點是必須要有兩個并列的安全回路。如：兩路常開或兩路常閉。
2、安全繼電器
安全繼電器與一般繼電器不同，具有強制導向的接點結構，即使在接點熔接時也能確保功能安全。安全繼電器一般與安全開關配套使用，具有雙通道檢測功能。
安全繼電器的主要技術指標如下：
（1）接點間隔不僅在通常運行狀態而且在發生故障胡狀態也應達到0.5mm以上；
（2）接點負載開關應符合AC15、DC13的要求；
（3）機械壽命為1000萬次以上。
3、急停裝置
該裝置主要用于緊急停車系統。產品主要有安全拉繩開關、急停按鈕等。該類設備用于一旦系統出現異常故障，使操作者能在最短的時間，最近的位置實施緊急停車。例如在產品的包裝線上、物料配料稱重輸送線上、皮帶秤和定量給料機、給煤機的側面需使用安全拉繩開關。
4、感應式安全裝置
該類裝置屬于主動安全防護，無需在設備和操作者之間設置硬件防護。主要感應生產線上的操作者或移動設備。較為典型的產品有安全光柵/光幕、安全掃描儀等。在衡器行業應用最多的是安全檢測光柵/光幕。在產品包裝熱封設備前用于防止操作者手動誤操作的紅外線安全光柵；設置在動態公路稱重收費站秤臺邊的車輛檢測光幕。
安全光幕還有光束屏蔽功能，由于工藝需要把光幕中的個別光束屏蔽不起作用。光幕輸出為
OSSD信號，該信號有短路輸出、過載保護、PNP輸出及交叉檢測等功能。安全光幕還有外部設備監控功能：通過外部執行器的斷開檢測是否正常工作。
5、安全PLC
目前市場上已有封裝型可編程安全控制器、集成安全控制器和安全I/O，通過RSNetWork編程，通訊采用DeviceNet和EtherNet/IP，該類產品最大的特點是采用標準與安全的兩套CPU控制，并實現安全通訊。
（a）可編程安全控制器；（b）集成安全控制器；（c）安全I/O
上述各種安全部件可以組成一個完整的功能安全集成控制系統。在工業衡器的系統設計中應根據現場的不同安全等級要求選擇不同的功能安全器件及功能安全系統。
五、結尾
在功能安全控制系統的應用已經風靡全球工業界的今天，工業衡器特別是自動衡器如何緊跟這一時代發展的新潮流，已經成了我國衡器行業技術發展急需提出的新課題。盡管越來越多的衡器產品最終用戶和制造商已經意識到安全的重要性，但并未認識到應從系統上根本解決安全的問題，安全理念和相關技術與標準的實施在我國衡器行業推廣的道路仍然漫長。愿本文能在衡器行業起到一定的推動促進作用。
