機器安全和機器控制

根據當前技術的國際水準，機器的控制電路可以劃分為兩大部分。一部分是負責機器運行功能的控制電路，另一部分是實現安全保護功能的控制電路。

上述的控制電路劃分在國際性標準中已經成為標準要求(1)，而且有關“工作保護” 的條目，在許多國家法律規定中也可以找到。

不同的思考方法
帶有安全功能的控制電路-以下也稱為“與機器安全相關的控制部分”或“安全電路”，通過采取本質上和/或結構的措施區別于控制機器運行的控制電路，從而使在工作范圍內由機器對工作人員產生的危險性動作和其它機械危險得到的專門的處理保護，而且在出故障的情況下，工作人員也能得到保護。
這里要研究的一個是機器停止命令，另一個是對機器或機器部件意外起動的保護。


插圖1：機器控制的基本結構

控制機器正常運轉的電路結構的可支配性(即可靠性)成為研究的重點。也就是研究：在確定的時間里對可預見任務的作用。實現安全功能控制電路的結構關系到在部件失效和出現故障行為的情況下，對工作人員無法避免的傷害后果進行保護。也就是說，在對與安全性有關的機器控制部件進行設計的過程中，一定要確保安全。即使在出現故障時，也不允許使人員受到生命或健康的損害。與此相關的問題是下述列舉的情況發生時，僅在對人員保護方面，機器控制將會怎樣？
• 斷電
• 電纜受到損壞
• 結構性元件(相同種類)失靈，即在對機器給出功能指令時不能打開或不能關閉機械性折斷、卡死等。
這里只給出幾個例子。在標準IEC13849-2(2)附錄中對所研究的故障或故障可能性有較全面的介紹。
設計過程的目的應當是：通過適當的措施，實現有安全功能的控制電路，使得引起危險的故障或干擾的可能性減低到最小(3)。這種可能性取決于危險程度的大小。

機器控制與安全有關部分的類別
為了確定根據風險大小采取的附加措施，從經濟、安全技術角度，對實現安全功能控制電路的技術要求分為不同的“類別”，例如，在標準ISO13849-1(4)中，被稱為控制類別。可以說，它涉及5 種不同的安全、技術、質量等級。下面再次對此作簡要的敘述(5)：
控制類別B：
控制中涉及安全的部分和/或保護裝置及零部件必須按照有關標準進行構造、制造、選擇、組裝和組合，以能承受預料的影響。
解釋：應根據一般有效標準的推薦，使用帶有功能和安全技術特征和特點的部件，例如IEC-和ISO-標準。
控制類別1：
B 類別中的要求必須得以滿足，而且必須用成熟可靠的部件和安全原理。
解釋： 可靠部件是指經得住長年使用的(使用中得到驗證的)，例如：機電開關，而微處理器卻不屬于可靠部件。可靠安全原理，例如像安全電路中的穩流原理，開關的強制斷開式觸點或強制操動的繼電器觸點，保護觸點等。
控制類別2：
必須滿足B 類別中的要求和可靠安全原理的應用。安全功能須在適當的時間間隔內通過機器控制得到檢驗。
解釋： 這里要求的是對規定功能的定期檢驗。例如:每班開始工作起動機器前，保護罩應首先被打開再關上以后，才可進行生產，這應形成有意識的行為。對于檢驗周期的長短，在專家們間存在不同的觀點。
對類別B、1 、2 的共同解釋:這些控制類別一般為單通道結構。也就是說，機器運轉時出現干擾或故障的情況下，人員可能受損傷。
控制類別3：
必須滿足B 類別中的要求和可靠安全原理的應用，任何部件上出現一個故障時不會導致安全功能的損壞。如果可能，應采取適當的方式使故障得以識別。
解釋：這里關系到對已經講過的單故障安全的要求。也就是說，從控制類別3 開始，安全電路一般來講是冗余結構，即雙通道。如果兩通道中其中一個通道出現干擾或故障，第二個通道將承擔安全功能，或者由于兩通道間出現矛盾時則會斷路。原則上，控制類別3 涉及到故障安全的邏輯比較。對于隱蔽的故障，應最晚在機器下次起動前被識別，并鎖住機器防止再運轉。
控制類別4：
必須滿足B 類別中的要求和可靠安全原理的應用。任何一個部件上出現一個故障時，不會導致安全功能的失效，并且在安全功能被實施或在下一次安全功能被實施之前故障應被識別。如果這樣不能做到的話，故障的積累不會導致安全功能的損壞。
解釋：單故障安全的要求在這里一樣適用，但所有可能隱蔽的故障必須能夠被識別。也就是說，控制類別4 中故障識別的措施要嚴格得多，以至于多到故障的積累。另外，有規律的且頻繁的對安全電路檢驗是很有效的措施。

根據ISO13849-1 風險評估
控制類別的選擇和使用取決于風險評定。對風險評定，一個可利用的輔助工具提供了叫做風險圖的參考(6)。就像在ISO13849-1 附錄中出版的那樣須根據下列風險參數評估：
- 受傷害程度.......................................(S)
- 經常性和/或危險位置........................(F)
- 避免危險的可能性.............................(P)
下面插圖指出，根據對參數S,F,P 的認識和評估，將它們進行相互組合，實現對風險等級劃分，并歸類在到控制類別B 到4 中。風險的等級越高，就應該選擇越高的保護措施以控制住危險。


插圖2: ISO13849-1 風險圖

S 傷害程度
-S1輕度（一般可恢復）傷害
-S2嚴重（一般不可恢復）傷害，包括死亡
F 危險發生的經常性和/或持續性
-F1很少到經常和/或短暫發生
-F2經常到持續和/或持久地發生
P 避免危險的可能性
-P1在一定條件下可能
-P2不太可能
類型B、1到4，控制部分用于安全相關的元件

上述對于風險評定的研究總是與安全電路相關的，并且由信號變送器、安全傳感器、控制邏輯和執行元件組成。


插圖3: 安全電路結構

安全-繼電器-組件
鑒于控制類別2,3,4 之間在成本上無顯著區別，另外尤其是在計劃和數據邏輯方面盡可能要簡單化，現今，安全電路的邏輯部分一般都采取安全-繼電器-組件。


插圖4: Schmersal 集團生產的安全-繼電器-組件實例
安全-繼電器-組件是安全傳感器技術層與機器控制有關安全的執行元件層之間的連接環節，此邏輯聯接使輸入端與輸出端的安全技術得以實現。按照安全技術要求，這些器件的制作達到了故障安全。即有限的線路故障技術，殼體可打開并可直接安裝，滿足ISO13849-1 類別4 的要求。
安全-繼電器-組件可直接安裝的構造形式，可簡便地、節約空間地裝在機器柜中。使用中節省了很多布線時間，避免安全電路設計階段出現錯誤，布線出錯以及找錯，排錯花費的時間。此外這些繼電器在銷售時，提供有著名檢驗機構對樣品的檢驗證書，使消費者感到放心。
根據與輸入和輸出端相連的外部線路的不同，可以實現所有類別的安全電路，只是“線路中最薄弱的環節“決定安全標準的高低。也就是說，一個單通道輸入線路和符合控制類別4 的安全-繼電器-組件的組合一般只能達到類別2，甚至可能是類別1，而不是類別4，但在輸入和輸出端加上“故障排除“是允許的。也就是說，根據應用，選擇超出類別需要的部件或采取附加措施，以排除故障或干擾是可以的。

線路技術

安全-繼電器-組件線路是按照任務的不同，通過所謂的2 個或3 個繼電器技術實現的。
3-繼電器技術意味著此線路帶有自己的起始繼電器(K1)，繼電器獨自通過起始電路工作并帶動通道繼電器K2 和K3； 2-繼電器-技術線路所不同的是，線路的起始不通過自己的起始繼電器。更確切地說，在兩個配電繼電器自保功能激活過程中進入配電過程。
雖然這兩種線路在安全技術方面并無區別，在功能方面卻有不同。例如控制類別2 和4 中所要求的起動檢測或在起動過程中反饋信號的處理，當然只有3 個繼電器線路可實現。
應用中所有線路的安全繼電器帶有強制動作觸點。根據結構，大部分的繼電器以旋轉電樞原理工作，一部分以樞軸銜鐵原理工作。


插圖5:
分等級保護措施的實現實例，控制類別3
結構
1. 兩個接點，最少其中之一是肯定斷開式的。
2. 接觸器/繼電器的防護等級IP54。
3. 引線用通用的帶護套電線。
4. 接觸器/繼電器的線圈與控制電路的線圈共地。


插圖6:
分等級保護措施的實現實例，控制類別4。
結構:
1. 如上所述的控制類別3。
2. 開關信號的接線，護套導線要分開布線或在線路中帶有短路、交叉識別或“特殊的屏蔽電纜”。
3. 上電檢測。
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(1) 特別參考見ISO 12100-1/-2：機器的安全-基本概念/一般性結構原理。
(2) IEC 13849-2：機器控制中安全相關部件- 部分2：驗證。
(3) 比較IEC 60204-1：1997，章節9.4.1： 故障中的控制功能/一般要求。
(4) IEC 13849-1: 機器控制中安全相關部件- 部分1：一般性結構原理。這是當前有效文本，被稱為執行層面的標準中的要求正在起草過程中。其它相似的安全標準，如IEC 61508：與安全功能相關的電氣/電子/可編程系統。
(5) 在標準ISO13849 的兩個部分及其它一些文獻中有相關的詳細信息，所有生產機器安全部件的著名生產商也提供有相關信息。
(6) 對于復雜的機器和加工系統，可能會出現是否安裝帶有安全功能的可編程系統的問題。