產(chǎn)品功能安全系統設計與應用目前在國外工業(yè)發(fā)達國已經(jīng)發(fā)展到相當先進(jìn)的水平，我 國工業(yè)界近幾年也緊跟國際潮流，相應制定了相關(guān)的國家標準與實(shí)施計劃。在我國工業(yè)電子秤技術(shù)的 發(fā)展歷程中，同樣離不開(kāi)電子秤功能安全技術(shù)的發(fā)展。本文針對目前國內電子秤行業(yè)對于產(chǎn)品功能安全 的理念和相關(guān)技術(shù)比較陌生的實(shí)際情況，試圖根據最新國際ffiC/EN、ISO/EN相關(guān)標準內容，結合電子秤產(chǎn)品設計與應用，以最簡(jiǎn)潔的方式闡述工業(yè)電子秤“功能安全”概念及電子秤技術(shù)的發(fā)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(fā)展起來(lái)的功能安全集成系統，使得我國工 業(yè)產(chǎn)品的安全技術(shù)在不斷進(jìn)化。產(chǎn)品功能安全系統設計與應用是目前我國工業(yè)技術(shù)革命向縱深發(fā)展 的必由進(jìn)程。近幾年IEC國際電工技術(shù)委員會(huì )與ISO國際標準化技術(shù)委員會(huì )相繼發(fā)布了“與安全相 關(guān)的電氣、電子和可編程電子控制系統的功能安全”，“機械安全一控制系統的安全相關(guān)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(yè)博覽會(huì )”上，主辦部門(mén)舉辦的“OEM機械設計技術(shù)高峰論壇”上就產(chǎn)品功能 安全系統作了專(zhuān)題交流與研討，研討會(huì )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(chǎn)品。由于目前國內電子秤行業(yè)對于產(chǎn)品功能安全的理念比較陌 生，本文擬結合我國電子秤行業(yè)正在制定的唯一的衡器產(chǎn)品強制國家標準《電子衡器安全技術(shù)要求》， 從產(chǎn)品功能安全系統設計的概念開(kāi)始結合電子秤產(chǎn)品的設計與應用，特別是對于較復雜的工業(yè)稱(chēng)重系 統談?wù)勛约旱目捶ā?/span>

一、功能安全概念

由于產(chǎn)品研發(fā)人員在開(kāi)發(fā)制造中由于可靠性風(fēng)險管理意識的不足，自身安全性能存在缺陷的產(chǎn) 品已經(jīng)造成人身安全、財產(chǎn)損失和環(huán)境危害等影響，給社會(huì )帶來(lái)了無(wú)法挽回的損失，為此引出了功 能安全的設計理念。

功能安全一無(wú)論產(chǎn)品的零部件或者整體系統發(fā)生失效是隨機失效、系統失效還是共因失效，都 不會(huì )導致安全系統的故障，進(jìn)而不會(huì )對操作人員或者環(huán)境產(chǎn)生危害，那么這個(gè)系統在功能上就是安全 的。

無(wú)論是在正常工作狀態(tài)或者是故障工作狀態(tài)，控制系統都必須保證其安全功能。

二、功能安全相關(guān)標準

目前許多有關(guān)安全的設備供應商均在其說(shuō)明書(shū)或樣本中聲明其產(chǎn)品符合EN 954-1安全標準的 規定。EN 954-1和IEC、ISO有關(guān)的安全標準之間的關(guān)系如何，有何區別。為了搞清楚這個(gè)問(wèn)題我 們有必要先分別介紹一下相關(guān)標準的內容。

1、EN 954-1 標準

EN 954-1“機械安全——控制系統有關(guān)安全的部件”是由歐洲標準委員會(huì )（CEN)制定的歐洲標 準，最早于1992年11月公布，它設定了一個(gè)流程來(lái)選擇和設計安全措施，這個(gè)流程包括以下5個(gè) 步驟：（1)危險分析與風(fēng)險評估；（2)確定措施以減少風(fēng)險；（3)通過(guò)控制系統的與安全相關(guān) 的部件實(shí)現指定的安全要求；（4)設計；（5)驗證。

EN 954-1也提供了一個(gè)典型的安全功能的列表：（1)停車(chē)；（2)緊急停車(chē)；（3)手動(dòng)重置;

(4)啟動(dòng)和重啟；（5)響應時(shí)間；（6)安全相關(guān)的參數；（7)本地控制功能；（8)供電系統 的波動(dòng)，損失和復位；（9)暫時(shí)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(gè)等級。等級B是最低， 對安全系統沒(méi)有特別的要求，等級4為最高的危險等級?？刂频燃壏譃?/span>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(wèn)題：沒(méi)有覆蓋PLC可編程系統及單片機系統；沒(méi)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(guān)系統的功能安全”是由國際電工委員會(huì ) 在1998年12月發(fā)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(fā)生故障的可能性分為4個(gè) SIL (安全完整等級 Safety Integrity Level)等級.

其中：PFHd 每小時(shí)發(fā)生危險故障的概率。

3、IEC 61511 標準

IEC 61511是適用于工藝過(guò)程工業(yè)的安全儀表系統的國際化標準，是IEC 61508的補充。

4、IEC/EN 62061、ISO/EN 13849-1 風(fēng)險評估標準

安全標準主要依據應是風(fēng)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ffiC 61508標準的簡(jiǎn)化版。與IEC 61508標準相同由每小時(shí)故障率 PFH決定安全完整性等級SIL，如上表2所示。

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B1M，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(shí)發(fā)生危險故障的概率表示，并劃分5個(gè)等級，依次為PL a、PL b、PL c、PL d、PL e。

上圖中PL e為最高等級，PL a為最低等級。

(2)風(fēng)險評估圖

(3) PL評估參數 A. B1M值——發(fā)生10%故障概率時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作的次數。

B10d=0.5 X B10

其中氏。一一制造商提供的10%故障概率開(kāi)關(guān)動(dòng)作的次數。

B . MTTFd 每個(gè)通道的平均無(wú)危險故障時(shí)間（mean-time-to-dangerous failure of each

channel)，是統計值，不是可以保證的壽命值。

MTTFd可以分為3級。

此范圍值低于3無(wú)法接受。

MTTFd的大小取決于實(shí)際開(kāi)關(guān)動(dòng)作的頻率。

DC 診斷覆蓋率（diagnostic coverage)。

Architecture 類(lèi)另ij (the category)

三、風(fēng)險評估的流程

首先要確定當前或者發(fā)展中可能存在風(fēng) 險的等級，通過(guò)評估、設計、選擇、驗證以 及維護等一系列程序來(lái)建立真正安全的生產(chǎn) 環(huán)境，這些都要遵循相關(guān)的國際安全標準和 規則。較為復雜的工業(yè)產(chǎn)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(jìn)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(kāi)展了產(chǎn)品安全 等級測試及認證工作?；?/span>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(jìn)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(kāi)發(fā)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(huán) 境試驗、EMC電磁兼容性測試等內容。以下 是風(fēng)險等級評估的流程。

對機器進(jìn)行過(guò)危險性分析后，制造商可以采取如下三種措施來(lái)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(shí)將可能出現的危險降低到最少；（2)對于無(wú)法避免的危險，采取必要的安 全保護措施；（3)對用戶(hù)進(jìn)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(lèi)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(kāi)關(guān)的雙觸點(diǎn)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(lèi)設計方法已經(jīng)或正引起越來(lái)越多的產(chǎn)品設計與應用部門(mén)的重視。

四、功能安全在工業(yè)電子秤中的應用

功能安全控制系統的宗旨是提高工業(yè)產(chǎn)品的可靠性與安全性。目前在我國工業(yè)自動(dòng)衡器的產(chǎn)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(dòng)分選衡器、連續累計自動(dòng)衡器中皮帶秤、 給煤機、皮帶配料秤、重力式自動(dòng)裝料衡器中的大型稱(chēng)重配料系統、產(chǎn)品稱(chēng)重包裝生產(chǎn)線(xiàn)、動(dòng)態(tài)滾 道秤、動(dòng)態(tài)膠料秤等產(chǎn)品中，一些卓有遠見(jiàn)的用戶(hù)已經(jīng)提出了功能安全集成控制系統的要求。

在上圖的產(chǎn)品生產(chǎn)稱(chēng)重系統中，安全鎖、安全急停按鈕、拉線(xiàn)急停開(kāi)關(guān)、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(dòng)作互相關(guān)聯(lián)，組成了一個(gè)完整的功能安全集成控制系統。

作為一個(gè)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(lèi)產(chǎn)品。以下 將結合上海大和衡器有限公司近期在工業(yè)自動(dòng)衡器產(chǎn)品設計中的一些應用實(shí)例，分別介紹各種安全 功能部件的應用。

1、安全互鎖開(kāi)關(guān)

安全互鎖開(kāi)關(guān)是指通過(guò)強制斷開(kāi)動(dòng)作結構，即使在接點(diǎn)熔接時(shí)也能確保功能安全。

產(chǎn)品分為非接觸式、機械連鎖式兩種。例如：安全門(mén)鎖、舌簧互鎖開(kāi)關(guān)、安全限位開(kāi)關(guān)、非接 觸式安全開(kāi)關(guān)等。上述用于安全互鎖開(kāi)關(guān)的共同特點(diǎn)是必須要有兩個(gè)并列的安全回路。如：兩路常 開(kāi)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(diǎn)結構，即使在接點(diǎn)熔接時(shí)也能確保功能安 全。安全繼電器一般與安全開(kāi)關(guān)配套使用，具有雙通道檢測功能。

安全繼電器的主要技術(shù)指標如下：

(1)接點(diǎn)間隔不僅在通常運行狀態(tài)而且在發(fā)生故障胡狀態(tài)也應達到0.5mm以上；

(2)接點(diǎn)負載開(kāi)關(guān)應符合AC15、DC13的要求；

(3）機械壽命為1000萬(wàn)次以上。

下面為應用在工業(yè)衡器上的安全繼電器實(shí)例

3、急停裝置

該裝置主要用于緊急停車(chē)系統。產(chǎn)品主要有安全拉繩開(kāi)關(guān)、急停按鈕等。該類(lèi)設備用于一旦系 統出現異常故障，使操作者能在最短的時(shí)間，最近的位置實(shí)施緊急停車(chē)。例如在產(chǎn)品的包裝線(xiàn)上、 物料配料稱(chēng)重輸送線(xiàn)上、皮帶秤和定量給料機、給煤機的側面需使用安全拉繩開(kāi)關(guān)。

4、感應式安全裝置

該類(lèi)裝置屬于主動(dòng)安全防護，無(wú)需在設備和操作者之間設置硬件防護。主要感應生產(chǎn)線(xiàn)上的操 作者或移動(dòng)設備。較為典型的產(chǎn)品有安全光柵/光幕、安全掃描儀等。在電子秤行業(yè)應用最多的是安全 檢測光柵/光幕。在產(chǎn)品包裝熱封設備前用于防止操作者手動(dòng)誤操作的紅外線(xiàn)安全光柵；設置在動(dòng)態(tài) 公路稱(chēng)重收費站秤臺邊的車(chē)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(gè)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(guò)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(guò)外部執行器的斷開(kāi)檢測是否正常工作。

5、安全PLC

目前市場(chǎng)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(guò)RSNetWork編程， 通訊采用DeviceNet和EtherNet/IP，該類(lèi)產(chǎn)品最大的特點(diǎn)是采用標準與安全的兩套CPU控制，并實(shí) 現安全通訊.

上述各種安全部件可以組成一個(gè)完整的功能安全集成控制系統。在工業(yè)電子秤的系統設計中應根 據現場(chǎng)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(jīng)風(fēng)靡全球工業(yè)界的今天，工業(yè)電子秤特別是自動(dòng)衡器如何緊跟這 一時(shí)代發(fā)展的新潮流，已經(jīng)成了我國電子秤行業(yè)技術(shù)發(fā)展急需提出的新課題。盡管越來(lái)越多的電子秤產(chǎn) 品最終用戶(hù)和制造商已經(jīng)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(wèn)題，安 全理念和相關(guān)技術(shù)與標準的實(shí)施在我國電子秤行業(yè)推廣的道路仍然漫長(cháng)。愿本文能在電子秤行業(yè)起到一 定的推動(dòng)促進(jìn)作用。