結(jié)合ISO 13849-1的注塑機(jī)安全回路設(shè)計(jì)評(píng)估

孫產(chǎn)剛，王祝挺，徐儒俠（海天集團(tuán)，浙江 寧波 315000）

許祺琦（皮爾磁工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，上海 201204）

結(jié)合ISO 13849-1的注塑機(jī)安全回路設(shè)計(jì)評(píng)估

孫產(chǎn)剛，王祝挺，徐儒俠（海天集團(tuán)，浙江 寧波 315000）

許祺琦（皮爾磁工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司，上海 201204）

國(guó)內(nèi)塑機(jī)行業(yè)執(zhí)行的有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO、IEC，出口產(chǎn)品一般要求通過(guò)CE或SPI標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。隨著國(guó)內(nèi)塑料機(jī)械制造水平的提升，注塑機(jī)出口增加，對(duì)注塑機(jī)的安全保護(hù)要求已經(jīng)越來(lái)越重要，本文對(duì)如何根據(jù)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)做有效的回路設(shè)計(jì)，使得安全等級(jí)符合認(rèn)證做了探討，本文所探討的僅僅是注塑機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

注塑機(jī)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；性能等級(jí)；安全相關(guān)功能

1 概述

塑料成型制品產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度大、綜合性強(qiáng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中日益顯示出極為重要的作用。塑料機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，在一定程度上反映出一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)及技術(shù)發(fā)展水平。當(dāng)前注塑機(jī)的生產(chǎn)要求不斷提高，安全認(rèn)證已被越來(lái)越多的注塑機(jī)生產(chǎn)廠商所重視，國(guó)外針對(duì)注塑機(jī)的主要的安全標(biāo)準(zhǔn)有歐洲CE標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)SPI標(biāo)準(zhǔn)。隨著EN ISO 13849-1的發(fā)布，機(jī)械安全實(shí)現(xiàn)了從元器件到系統(tǒng)進(jìn)行全面性的安全評(píng)估，從而有效解決了原有EN954-1標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量化判斷系統(tǒng)安全性的問(wèn)題。在此方面，中國(guó)是世界塑料機(jī)械生產(chǎn)大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)和出口大國(guó)，中國(guó)塑機(jī)行業(yè)也走在了國(guó)際先進(jìn)的道路上。

2 有關(guān)機(jī)械安全控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

EN ISO 13849-1評(píng)估有關(guān)安全控制系統(tǒng)或有關(guān)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(tǒng)的類(lèi)別，還有經(jīng)過(guò)概率考量后估算得到的性能等級(jí)（PL：a、b、c、d、e）。該標(biāo)準(zhǔn)適用于控制系統(tǒng)使用電氣/電子組件和系統(tǒng)以外的其他介質(zhì)（包括液壓、氣動(dòng)等），正確應(yīng)用時(shí)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是將危險(xiǎn)降至可接受水平，或在可預(yù)見(jiàn)條件下執(zhí)行完整安全功能并按規(guī)定實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)減小的能力。

表1 PL和SIL及PFHD關(guān)系

表1所示為性能等級(jí)PL和安全完整性等級(jí)SIL之間的關(guān)系和“轉(zhuǎn)換”。這一關(guān)系的基礎(chǔ)在于每小時(shí)平均危險(xiǎn)失效概率，即所謂的PFHD值。

3 主要安全功能

注塑機(jī)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(tài)（即粘流態(tài)）的塑料注射入閉合好的模腔內(nèi)，經(jīng)固化定型后取得制品的工藝過(guò)程。一般注塑機(jī)包括注射裝置、合模裝置、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)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(jī)（未安裝防護(hù)裝置）示意圖

臥式注塑機(jī)使用的安全元器件包括合模區(qū)域前后門(mén)的安全開(kāi)關(guān)、急停按鈕和可能存在的噴嘴區(qū)域安全開(kāi)關(guān)、頂蓋安全開(kāi)關(guān)、模式選擇開(kāi)關(guān)和安全地毯等，如圖2所示。對(duì)于安全功能較少的普通臥式注塑機(jī)，安全功能往往限于前后防護(hù)門(mén)和急停按鈕。而頂蓋防護(hù)門(mén)、安全邊沿開(kāi)關(guān)、安全地毯和模式開(kāi)關(guān)為可選項(xiàng)，一般用于特殊機(jī)型或大型的注塑機(jī)械。

圖2 注塑機(jī)主要安全功能

4 EN ISO 13849-1的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

4.1 所需性能等級(jí)

在安全回路設(shè)計(jì)之前必須對(duì)每個(gè)安全功能做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定所需性能等級(jí)（PLr），可以用如圖3所示風(fēng)險(xiǎn)圖進(jìn)行確定，也可理解為每個(gè)安全功能的性能等級(jí)“額定值”。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)圖（根據(jù)EN ISO 13849-1）

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通過(guò)三個(gè)參數(shù)的簡(jiǎn)單組合：

（1）S：危險(xiǎn)源導(dǎo)致的人員受傷嚴(yán)重程度如何？

? S1 輕傷（通?？苫謴?fù)），例如擦傷、撕裂傷

? S2 重傷（通常不可恢復(fù)），例如介質(zhì)、死亡

（2）F：人員處于危險(xiǎn)區(qū)域的持續(xù)時(shí)間或頻率？

? F1 較少或暴露時(shí)間短

? F2 頻繁或暴露時(shí)間長(zhǎng)

（3）P：是否可以避免危險(xiǎn)？

? P1 在特定條件下可能：存在預(yù)防事故或避免危險(xiǎn)的實(shí)際可能性

? P2 幾乎不可能

評(píng)估的結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)從低到高遞增，為每個(gè)安全功能確定適合于當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)減小的PL，最終計(jì)算回路的PL要大于等于PLr。

4.2 確定基本參數(shù)

（1）類(lèi)別Cat

安全相關(guān)功能（SRP/CS）由傳感器系統(tǒng)-邏輯處理-執(zhí)行元件構(gòu)成。

圖4 SRP/CS

類(lèi)別是描述發(fā)生失效時(shí)安全相關(guān)功能（SRP/CS）運(yùn)行情況的基本參數(shù)，在EN 954-1的類(lèi)別基礎(chǔ)上做了更精確的描述，一共分為五類(lèi)：B、1、2、3、4。

類(lèi)別B的特點(diǎn)在于單通道結(jié)構(gòu)，發(fā)生單個(gè)故障時(shí)可能導(dǎo)致安全功能丟失，僅可實(shí)現(xiàn)PL=b的性能等級(jí)。

類(lèi)別1也是單通道結(jié)構(gòu)為特色，以B類(lèi)為基礎(chǔ)，故障也可能導(dǎo)致安全功能丟失，但要求使用經(jīng)驗(yàn)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(yīng)列表。1類(lèi)最高可實(shí)現(xiàn)PL=c的性能等級(jí)。

類(lèi)別2包含實(shí)現(xiàn)安全功能的單通道結(jié)構(gòu)。此外必須實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)功能，用于以合適的時(shí)間間隔校驗(yàn)安全功能的有效性。校驗(yàn)功能的質(zhì)量是決定因素，必須能夠識(shí)別故障。而在兩次校驗(yàn)之間發(fā)生故障則可能導(dǎo)致安全功能丟失。2類(lèi)最高可實(shí)現(xiàn)PL=d的性能等級(jí)。

類(lèi)別3包含實(shí)現(xiàn)所需安全功能的雙通道結(jié)構(gòu)，有關(guān)安全功能的設(shè)計(jì)必須確保這些部件之一的單一故障不會(huì)導(dǎo)致安全功能丟失。即3類(lèi)所有的有關(guān)安全部件設(shè)計(jì)要冗余，以確保當(dāng)某通道失效時(shí)，可以依然保持安全功能不丟失，但累積的故障可能導(dǎo)致安全功能丟失。3類(lèi)最高可實(shí)現(xiàn)PL=e的性能等級(jí)。

類(lèi)別4也包含實(shí)現(xiàn)所需安全功能的雙通道結(jié)構(gòu)，而與類(lèi)別3不同的是能及時(shí)檢測(cè)故障，未檢故障的累積不會(huì)導(dǎo)致安全功能的丟失。4類(lèi)最高可實(shí)現(xiàn)Ple的性能等級(jí)。

（2）MTTFd

表示元器件平均危險(xiǎn)失效時(shí)間，劃分為三個(gè)區(qū)間：

? 低：3年≤MTTFd≤10年

? 中：10年≤MTTFd≤30年

? 高：30年≤MTTFd≤100年

而對(duì)于氣動(dòng)、機(jī)械元器件，平均危險(xiǎn)失效時(shí)間很大程度上取決于開(kāi)關(guān)次數(shù)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)次數(shù)與元器件的機(jī)械磨損直接相關(guān)，B10d是其參考的值，它表示生命周期檢查過(guò)程中10%元器件發(fā)生危險(xiǎn)失效時(shí)總的開(kāi)關(guān)次數(shù)。B10d可以通過(guò)計(jì)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(cè)）的衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)檢查安全功能的相關(guān)元件失效或元件缺陷。可以從已檢出的危險(xiǎn)失效的失效率與總危險(xiǎn)失效的失效率之比計(jì)算DC，DC分為4檔。

表2 DC診斷覆蓋率

（4）共因失效（CCF）

單個(gè)失效不會(huì)導(dǎo)致冗余系統(tǒng)的兩個(gè)通道同時(shí)失效。對(duì)于類(lèi)別2、3、4都需要借助標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 134901的附錄表F.1對(duì)已采取或即將采取的措施進(jìn)行評(píng)估，目標(biāo)值為65%或以上即能符合。

4.3 計(jì)算性能等級(jí)

根據(jù)以上所得的Cat、MTTFd、DC、CCF等參數(shù)的值結(jié)合圖表可以得到相應(yīng)的性能等級(jí)PL，如圖5所示。

圖5 通過(guò)參數(shù)計(jì)算性能等級(jí)PL

5 執(zhí)行驗(yàn)證

合模區(qū)是最危險(xiǎn)的區(qū)域，以合模區(qū)為例。合模機(jī)構(gòu)區(qū)域中，模板驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)可能對(duì)操作和維護(hù)人員造成擠壓和剪切的危險(xiǎn)，如果模具區(qū)域的防護(hù)裝置被打開(kāi)，人體將可以進(jìn)入開(kāi)模時(shí)模板后方區(qū)域，可能造成擠壓的危險(xiǎn)，抽芯和頂出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也可能造成相同的危險(xiǎn)。這些危險(xiǎn)被認(rèn)為是不可恢復(fù)的傷害，且很難避免。

圖6 合模區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)圖

所以根據(jù)圖6風(fēng)險(xiǎn)圖可知，該區(qū)域的所需性能等級(jí)PLr要求達(dá)到PLr=d或PLr=e（取決于開(kāi)門(mén)的頻繁程度）。所以，必須采用可靠地安全設(shè)計(jì)對(duì)合模區(qū)安全防護(hù)裝置（前門(mén)和后門(mén)）進(jìn)行監(jiān)控。

對(duì)合模區(qū)域安全相關(guān)部分，前后安全門(mén)解決方案采用了Pilz傳感器PSEN mag系列非接觸式磁性開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)為雙通道結(jié)構(gòu)，2N/C, 1N/O觸點(diǎn)類(lèi)型，感應(yīng)距離10mm，最高可達(dá)到PLe性能等級(jí)，另外防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，且可有LED燈狀態(tài)顯示。有小型或緊湊型設(shè)計(jì)，安裝靈活。該安全門(mén)可以達(dá)到Cat 3或Cat 4結(jié)構(gòu)。

針對(duì)中大型注塑機(jī)，邏輯處理部分使用Pilz模塊化可編程控制器PNOZmulti系列來(lái)完成相應(yīng)安全功能，所有的安全功能直接接入PNOZmulti，共有20個(gè)安全輸入，通過(guò)簡(jiǎn)單編程可以自由配置邏輯執(zhí)行相應(yīng)的安全動(dòng)作，4個(gè)安全晶體管輸出最高可達(dá)到PLe（Cat 4）性能等級(jí)，安全輸出信號(hào)給到擴(kuò)展安全繼電器來(lái)控制液壓閥或電機(jī)主接觸器的切斷。

通過(guò)得到所需元器件的安全基本參數(shù)后，根據(jù)設(shè)計(jì)的電氣回路，利用Pilz的安全計(jì)算軟件PAScal可以方便快捷地計(jì)算相應(yīng)SRP/CS的性能等級(jí)。

6 展望

隨著行業(yè)發(fā)展，安全標(biāo)準(zhǔn)將不斷更新，使用的安全元器件也必須與時(shí)俱進(jìn)。如前門(mén)可使用編碼型非接觸式安全開(kāi)關(guān)，Pilz帶有50N保持力的PSEN cs6.11開(kāi)關(guān)或1000N鎖定力的安全門(mén)系統(tǒng)PSEN sl1.0都達(dá)到了PLe的性能等級(jí)，其三種編碼方式能適應(yīng)工廠不同的應(yīng)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(jī)安全要求[S]. 北京 : 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)剛（1979-），男，浙江富陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)就職于海天集團(tuán)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電氣工程。

王祝挺（1988-），男，浙江寧波人，工程師，本科，現(xiàn)就職于海天集團(tuán)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電氣工程。

徐儒俠（1985-），男，浙江寧波人，工程師，本科，現(xiàn)就職于海天集團(tuán)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電氣工程。

許祺琦（1988-），男，上海人，助理工程師，現(xiàn)就職于皮爾磁中國(guó)，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ膛c自動(dòng)化。

B

1003-0492(2016)12-0082-03

TQ320.5