結合ISO 13849-1的注塑機安全回路設計評估

孫產剛，王祝挺，徐儒俠（海天集團，浙江 寧波 315000）

許祺琦（皮爾磁工業自動化（中國）有限公司，上海 201204）

結合ISO 13849-1的注塑機安全回路設計評估

孫產剛，王祝挺，徐儒俠（海天集團，浙江 寧波 315000）

許祺琦（皮爾磁工業自動化（中國）有限公司，上海 201204）

國內塑機行業執行的有關安全標準，大多數采用歐洲標準EN或國際標準ISO、IEC，出口產品一般要求通過CE或SPI標準認證。隨著國內塑料機械制造水平的提升，注塑機出口增加，對注塑機的安全保護要求已經越來越重要，本文對如何根據相關安全標準做有效的回路設計，使得安全等級符合認證做了探討，本文所探討的僅僅是注塑機安全標準的一部分。

注塑機；風險評估；性能等級；安全相關功能

1 概述

塑料成型制品產品關聯度大、綜合性強，在國民經濟中日益顯示出極為重要的作用。塑料機械工業的發展，在一定程度上反映出一個國家和地區的國民經濟及技術發展水平。當前注塑機的生產要求不斷提高，安全認證已被越來越多的注塑機生產廠商所重視，國外針對注塑機的主要的安全標準有歐洲CE標準及美國SPI標準。隨著EN ISO 13849-1的發布，機械安全實現了從元器件到系統進行全面性的安全評估，從而有效解決了原有EN954-1標準無法實現定量化判斷系統安全性的問題。在此方面，中國是世界塑料機械生產大國、消費大國和出口大國，中國塑機行業也走在了國際先進的道路上。

2 有關機械安全控制系統的標準

EN ISO 13849-1評估有關安全控制系統或有關安全控制功能的方式并不僅僅是之前EN 954-1中被熟知的控制系統的類別，還有經過概率考量后估算得到的性能等級（PL：a、b、c、d、e）。該標準適用于控制系統使用電氣/電子組件和系統以外的其他介質（包括液壓、氣動等），正確應用時實現的目標是將危險降至可接受水平，或在可預見條件下執行完整安全功能并按規定實現風險減小的能力。

表1 PL和SIL及PFHD關系

表1所示為性能等級PL和安全完整性等級SIL之間的關系和“轉換”。這一關系的基礎在于每小時平均危險失效概率，即所謂的PFHD值。

3 主要安全功能

注塑機的工作原理是借助螺桿（或柱塞）的推力，將已塑化好的熔融狀態（即粘流態）的塑料注射入閉合好的模腔內，經固化定型后取得制品的工藝過程。一般注塑機包括注射裝置、合模裝置、液壓系統和電氣控制系統部分，如圖1所示。

圖1 帶臥式合模及注射裝置的注射成型機（未安裝防護裝置）示意圖

臥式注塑機使用的安全元器件包括合模區域前后門的安全開關、急停按鈕和可能存在的噴嘴區域安全開關、頂蓋安全開關、模式選擇開關和安全地毯等，如圖2所示。對于安全功能較少的普通臥式注塑機，安全功能往往限于前后防護門和急停按鈕。而頂蓋防護門、安全邊沿開關、安全地毯和模式開關為可選項，一般用于特殊機型或大型的注塑機械。

圖2 注塑機主要安全功能

4 EN ISO 13849-1的結構和應用

4.1 所需性能等級

在安全回路設計之前必須對每個安全功能做風險評估，確定所需性能等級（PLr），可以用如圖3所示風險圖進行確定，也可理解為每個安全功能的性能等級“額定值”。

圖3 風險圖（根據EN ISO 13849-1）

風險評估通過三個參數的簡單組合：

（1）S：危險源導致的人員受傷嚴重程度如何？

? S1 輕傷（通常可恢復），例如擦傷、撕裂傷

? S2 重傷（通常不可恢復），例如介質、死亡

（2）F：人員處于危險區域的持續時間或頻率？

? F1 較少或暴露時間短

? F2 頻繁或暴露時間長

（3）P：是否可以避免危險？

? P1 在特定條件下可能：存在預防事故或避免危險的實際可能性

? P2 幾乎不可能

評估的結果風險從低到高遞增，為每個安全功能確定適合于當前風險減小的PL，最終計算回路的PL要大于等于PLr。

4.2 確定基本參數

（1）類別Cat

安全相關功能（SRP/CS）由傳感器系統-邏輯處理-執行元件構成。

圖4 SRP/CS

類別是描述發生失效時安全相關功能（SRP/CS）運行情況的基本參數，在EN 954-1的類別基礎上做了更精確的描述，一共分為五類：B、1、2、3、4。

類別B的特點在于單通道結構，發生單個故障時可能導致安全功能丟失，僅可實現PL=b的性能等級。

類別1也是單通道結構為特色，以B類為基礎，故障也可能導致安全功能丟失，但要求使用經驗證的元器件和安全原則，此要求可參考EN ISO 13849-2的附錄A至D的相應列表。1類最高可實現PL=c的性能等級。

類別2包含實現安全功能的單通道結構。此外必須實現校驗功能，用于以合適的時間間隔校驗安全功能的有效性。校驗功能的質量是決定因素，必須能夠識別故障。而在兩次校驗之間發生故障則可能導致安全功能丟失。2類最高可實現PL=d的性能等級。

類別3包含實現所需安全功能的雙通道結構，有關安全功能的設計必須確保這些部件之一的單一故障不會導致安全功能丟失。即3類所有的有關安全部件設計要冗余，以確保當某通道失效時，可以依然保持安全功能不丟失，但累積的故障可能導致安全功能丟失。3類最高可實現PL=e的性能等級。

類別4也包含實現所需安全功能的雙通道結構，而與類別3不同的是能及時檢測故障，未檢故障的累積不會導致安全功能的丟失。4類最高可實現Ple的性能等級。

（2）MTTFd

表示元器件平均危險失效時間，劃分為三個區間：

? 低：3年≤MTTFd≤10年

? 中：10年≤MTTFd≤30年

? 高：30年≤MTTFd≤100年

而對于氣動、機械元器件，平均危險失效時間很大程度上取決于開關次數，因為開關次數與元器件的機械磨損直接相關，B10d是其參考的值，它表示生命周期檢查過程中10%元器件發生危險失效時總的開關次數。B10d可以通過計算得到MTTFd值。

（3）診斷覆蓋率DC

診斷覆蓋率DC是安全功能診斷效率（故障檢測）的衡量標準，通過檢查安全功能的相關元件失效或元件缺陷。可以從已檢出的危險失效的失效率與總危險失效的失效率之比計算DC，DC分為4檔。

表2 DC診斷覆蓋率

（4）共因失效（CCF）

單個失效不會導致冗余系統的兩個通道同時失效。對于類別2、3、4都需要借助標準EN ISO 134901的附錄表F.1對已采取或即將采取的措施進行評估，目標值為65%或以上即能符合。

4.3 計算性能等級

根據以上所得的Cat、MTTFd、DC、CCF等參數的值結合圖表可以得到相應的性能等級PL，如圖5所示。

圖5 通過參數計算性能等級PL

5 執行驗證

合模區是最危險的區域，以合模區為例。合模機構區域中，模板驅動裝置的運動可能對操作和維護人員造成擠壓和剪切的危險，如果模具區域的防護裝置被打開，人體將可以進入開模時模板后方區域，可能造成擠壓的危險，抽芯和頂出機構的運動也可能造成相同的危險。這些危險被認為是不可恢復的傷害，且很難避免。

圖6 合模區域風險圖

所以根據圖6風險圖可知，該區域的所需性能等級PLr要求達到PLr=d或PLr=e（取決于開門的頻繁程度）。所以，必須采用可靠地安全設計對合模區安全防護裝置（前門和后門）進行監控。

對合模區域安全相關部分，前后安全門解決方案采用了Pilz傳感器PSEN mag系列非接觸式磁性開關，該開關為雙通道結構，2N/C, 1N/O觸點類型，感應距離10mm，最高可達到PLe性能等級，另外防護等級高達IP67，且可有LED燈狀態顯示。有小型或緊湊型設計，安裝靈活。該安全門可以達到Cat 3或Cat 4結構。

針對中大型注塑機，邏輯處理部分使用Pilz模塊化可編程控制器PNOZmulti系列來完成相應安全功能，所有的安全功能直接接入PNOZmulti，共有20個安全輸入，通過簡單編程可以自由配置邏輯執行相應的安全動作，4個安全晶體管輸出最高可達到PLe（Cat 4）性能等級，安全輸出信號給到擴展安全繼電器來控制液壓閥或電機主接觸器的切斷。

通過得到所需元器件的安全基本參數后，根據設計的電氣回路，利用Pilz的安全計算軟件PAScal可以方便快捷地計算相應SRP/CS的性能等級。

6 展望

隨著行業發展，安全標準將不斷更新，使用的安全元器件也必須與時俱進。如前門可使用編碼型非接觸式安全開關，Pilz帶有50N保持力的PSEN cs6.11開關或1000N鎖定力的安全門系統PSEN sl1.0都達到了PLe的性能等級，其三種編碼方式能適應工廠不同的應用要求，將有良好的使用前景。

[1] GB 22530-2008. 橡膠塑料注射成型機安全要求[S]. 北京 : 中國標準出版社, 2008

[2] Safety of machinery – Safety-related parts of control systems – Part 1: General principles for design (ISO 13849-1:2006)[S].

Design and Risk Assessment of the Safety Circuit in Plastic Injection Machine According to ISO 13849-1

Most of the safety standards adopted by the domestic plastic industry are the European standard EN or the international standard ISO, IEC, and the export products are usually required to pass the CE or SPI standard certifcations. With the development of domestic plastics machinery manufacturing, and the increased number of injection molding machine exports, the requirements of injection molding machine safety protection have become increasingly important. This article discusses how to design safety circuit according to the relevant safety standards to meet the requirements of safety certifications. It should be noted that what we discuss here is only a part of the safety standards for injection molding machine.

Plastic injection machine; Risk assessment; Performance Level; SRP/CS

孫產剛（1979-），男，浙江富陽人，工程師，本科，現就職于海天集團，主要研究方向為機械電氣工程。

王祝挺（1988-），男，浙江寧波人，工程師，本科，現就職于海天集團，主要研究方向為機械電氣工程。

徐儒俠（1985-），男，浙江寧波人，工程師，本科，現就職于海天集團，主要研究方向為機械電氣工程。

許祺琦（1988-），男，上海人，助理工程師，現就職于皮爾磁中國，主要研究方向為電氣工程與自動化。

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1003-0492(2016)12-0082-03

TQ320.5