为安全防护/附加保护措施做出贡献的安全设备（摘自NECA安全指导手册－制造现场中的安全措施）

可用于设计安全机械的安全设备

安全装置是能够用于降低机械风险的装置。NECA成员企业提供各种安全装置来帮助实现机械安全设计。

图1.在生产现场安装安全设备的示例

安全开关的特征

安全开关是用于确保机械安全的开关的总称，其中包括用于安全防护的联锁开关和作为附加保护措施而安装的紧急停止开关等。为了将这些开关用于安全用途，安全标准中规定了如下要求事项。

直接开路动作机构

这是在紧急停止开关操作或是防护装置打开等开关动作时，利用传递的力可靠地让开关触点开路的机构，在IEC60947-5-1中有所规定。其具备如下图所示的特征。

图2.直接开路动作机构

安全限位开关、安全门开关、紧急停止开关等内置开关中，都内置有这种可通过施力强行分开触点的结构。

防止无效化的相关要件

在关于附加在防护装置上的安全开关的国际标准ISO14119中，对此做了规定。要求不能通过除专用执行器以外的，诸如日常使用的钥匙、硬币、驱动器等简易方法轻易进行操作。

安全门开关

安全门开关是检测遮盖机器危险运动部件的防护装置开闭状态的开关，可用作仅当防护装置关闭时才允许机器启动的联锁装置。
具有多种不同类型，例如附加可在防护罩关闭状态下锁定的功能、非接触式等。也被称为保护联锁开关。

图3.安全门开关概要

使能开关

使能开关是即使操作者无意识地操作也能避免危险的开关。在进行机器人示教、设置更改、保养、维护时，必须在防护装置内的危险区域中进行作业。在这种情况下，利用使能开关可以避免在危险区域工作时机器意外启动的危险。

使能开关主要内置于示教器、握持开关等手持操作设备中，仅在保持轻按状态时才允许对设备和机器人进行手动操作。在这一状态下，在遇到危险的瞬间，操作者反射性地松开或是用力按下使能开关，从而使设备停止运转。

ISO10218等工业机器人标准和机床标准中，要求必须使用3位使能开关。

此外，3位使能开关标准：IEC60947-5-8是由NECA提出草案，并源于日本的国际标准。

图4.生产现场中的示教器及手柄开关使用场景

图5.3位使能开关安装示例

图6.OFF-ON-OFF的3位状态迁移图

紧急停止开关

紧急停止开关是当机械设备在运行或正常工作中出现异常时，或当操作者遇到危险时，由操作者自行操作使机器紧急停机的开关。如果此开关失效，则有立即发生事故或灾难的高风险，因此国际安全标准中对紧急停止开关规定了各种必要要求。

紧急停止功能的相关要件

· 紧急停止开关在所有操作模式下都有效，并且具有高于任何其他控制的最高优先级。（ISO13850、IEC60204-1）

· 应安装在各操作控制面板及其他工位附近，以便在紧急情况下立即操作。（ISO12100、ISO13850、IEC60204-1）

· 应将停止类别设置为0或1，以确保停止状态。（ISO13850、IEC60204-1）

紧急停止开关的结构相关规格要件

· 应使用具有直接开路动作功能的NC触点，以确保即使发生接触不良/断线等故障时也可以实现故障安全。（IEC60947-5-5、IEC60947-5-1）

· 操作部分应为红色，背景为黄色，以便易于看到并易于与其他操作开关区分开，形状应易于用手掌操作。（IEC60947-5-5、ISO13850、IEC60204-1）

· 为了防止意外重新启动，应具有能够在保持停止状态的同时锁定操作部分，并通过手动操作予以复位的结构。（IEC60947-5-5、ISO13850）

安全光幕

安全光幕是用于检测接近机械危险源的人员的传感器。为了保护人体免受机械危险源的影响，在危险部位用防护罩遮挡，并在需要维护的部位安装门。然而，为了频繁进行机械加工所需的原料的提供或取出，必须有始终保持打开状态的开口。通过光控方式对这一开口部位进行防护的，就是安全光幕。安全光幕是将许多透射式光电开关排列成一列而构成的传感器，可用于监控一定宽度的区域。如果在机械运行时人体侵入并遮挡住光线，则机械将停机。

安全光幕旨在保护人体，IEC61496系列标准中对其功能和安全性做了规定。为了达到保护人体的目的，请仅使用符合该标准的光幕。

安全光幕所要求具备的功能

在IEC61496系列标准中，安全光幕等用于保护人体的传感器被称为ESPE（Electro-Sensitive Protective Equipment）。安全光幕需要具备以下功能。

· 应具备检测危险临近故障的检测手段。

· 应具备一定水平以上的抗干扰性能。

· 光束的辐射角度应在一定标准以下。

安全光幕的类型与种类

ESPE包括4种类型。近年来使用的安全光幕大多为类型4，对应第4类。

安全光幕的安装

将安全光幕安装到机械上时也有相关规定。

要安装光幕的机械必须具备停机功能。此外，不可用于工件或碎片等会从机械内部飞出的开口部位。为了防护飞出物品，必须在开口处安装防护门。

决定安装安全光幕的位置时，必须考虑到传感器的检测性能、机器停止时间以及身体的侵入速度等。根据ISO13855计算该传感器安装位置的相关距离。在JIS B9715中也制订了相关规格标准。

图7.安全光幕的安全距离

安全激光扫描仪

安全激光扫描仪是一种用于检测操作员是否侵入设备运行区域内的传感器。当人员能够进入危险区域时，仅依靠安全门开关或安全光幕检测入侵是不够的。

确保安全的原则，是当机器人运行区域或机械设备周边“有工人在场时，不启动机械设备”。

安全激光扫描仪就是以二维方式检测这种特定区域的专用设备。

其通过利用激光束进行扫描并监控反射光，实现监控区域内安全状况的目标。

图8.安全激光扫描仪监控案例

安全激光扫描仪所要求具备的功能

与安全光幕一样，安全激光扫描仪同样也被定位为ESPE之一。另外，由于是反射型的检测设备，因此单独规定了附加要求事项的标准。对功能规定如下。

· 具备检测出会导致危险的故障的检测手段。

· 应具备一定水平以上的抗干扰性能。

· 应使用1级激光。

· 采用不会因颜色而改变反射率的波长。

· 如果检测表面脏污，应可发出警报。

安全激光扫描仪的安装

安全激光扫描仪也需要根据标准考虑安装到机械设备中时的距离。除了规定安全距离的ISO 13855外，还可以参考规定人体保护用传感器安装标准的IEC 62046等。安全激光扫描仪的检测区域边界与机械设备的危险区域之间的安全距离S，是按照如下方式计算得出。

 S = 1600 ×（t₁+t₂）+（1200-0.4h）

将以下参数带入该公式中进行计算。

t1：安全激光扫描仪的应答时间（s）

t2：机械的停止时间（s）

h：监测区域距离地面的高度（mm）

检测区域距地面的高度h与所使用的安全激光扫描仪的检测能力d之间，必须满足h ≥ 15 (d-50)。且必须满足1200-0.4h ≧ 850。

在设定激光扫描机的监测区域时，除了这个安全距离之外，还需要考虑每个产品的测量误差值。有关测量误差概念的详细信息，需要向安全激光扫描仪的制造商确认。

安全继电器/安全继电器单元

为了安全地设计出机械设备，用于进行控制的部件也必须考虑到安全性。安全继电器和安全继电器单元就是具备此类安全控制所需特征的部件。

安全继电器与普通继电器的主要区别

安全继电器并非不会发生故障的继电器，而是故障时固定执行特定动作的继电器。与一般继电器不同，即使发生触点粘连时，强制导向触点机构也能确保安全功能生效。

强制导向触点机构

是指a触点粘连时，b触点仍能保持0.5mm以上的触点间距的机构，在IEC61810-3中予以规定。利用此功能可用于监视触点状态，因此适用于在发生粘连等故障时能够确保让机械设备停机的安全电路。

图9.强制导向触点机构中a触点与b触点的关系

安全继电器与安全继电器单元

安全继电器可用于构建安全电路，利用安全电路捕获确认机器安全的输入以确认安全之后再控制输出到接触器等。安全继电器单元是预先构建运用安全继电器的安全电路控制功能，并将其单元化而成的部件。

安全控制器/安全PLC

安全继电器和安全继电器单元并不是唯一一种可用于安全电路的部件。随着功能安全领域标准和技术的发展，安全电路中也逐渐开始使用电子元件和软件。

安全控制器/安全PLC

功能安全标准使得电子设备和可编程设备在安全验证和安全用途领域的应用成为可能。

安全控制器/安全PLC就是实现这一目标的产品，利用控制设备制造商预先构建的电子控制程序或用户设置的软件，即可构建起适合用于安全控制的电路。

与一般控制器相比，安全控制器/安全PLC增加了安全标准要求的故障监测和自诊断功能。通过定期执行诊断功能，可以在检测到控制器自身故障时让机械设备安全停机。此外，还可以构建起即使与控制器连接的安全输入/输出设备发生故障，也能够让机械设备安全停机的控制电路。

IEC61508功能安全相关要求事项

IEC61508是为将电气、电子、可编程电子系统全面应用于安全设备而制定的标准。如下特征使构建高度可靠的安全控制程序成为可能。

· 定期进行确认测试，让危险不会外显（例如，通过自我诊断检测出故障。）

· 构成部件劣化和寿命的可靠性已经过评估（例如，已知每个部件功能的故障概率。）

· 系统的可靠性已经过评估（例如，可确认对某种危险的保护不会导致其他危险。）

安全网络技术

凭借功能安全技术，安全控制器/安全PLC日渐普及，通用可编程控制器（PLC）中应用的技术也开始被应用于安全领域。其中之一是通过网络对控制器进行分布式控制、对传感器和执行器进行分布式配置。

在该网络中，融入了IEC61508理念的安全网络相关技术也被IEC61784-3标准化，并可以应用于安全用途。

IEC61784-3基于IEC61508的理念，定义了通信中可能发生的异常（错误）的允许发生概率。此外，还规定了将通信系统特有的通信延迟考虑在内的安全应答时间、通信异常及其应对措施。

由此，FA领域普遍使用的网络技术也可以应用到安全设备上，从而扩大了安全设备的应用范围。时至今日，各种FA网络被标准化为安全网络。

图10.以往的系统与运用了安全网络的系统

安全阀门

三步法中第二步的附加保护措施包括切断动力供给以及耗散存储的能量。阀门是用于供应、消散、隔离和封入作为动力能源的液油压和气压的机械。安全阀是一种基于ISO13849-1进行过评估，具有故障诊断功能，可应用于安全相关领域的机械。

在ISO13849-1中，液油压气压设备也被包含在安全相关部分中。例如，如果气缸用电磁阀发生故障，即使构建了对应于PLr的电路，气缸的动作也可能与电气控制不同。因此，对于机械设备的安全控制，必须考虑作为输出设备的油压和气动阀门的PLr兼容性。

安全阀门的种类

利用阀体的开闭检测判断阀门故障状态。将阀门的基本规格与安全功能汇总如下表所示。

表1.安全阀门的种类（与主要用途对应的功能）

注释

-：不适用

表2.安全阀的安全功能（按应用和阀门类型区分）

注释

○：空压用

●：油压用

 - ：不适用

①：可利用阀体开/关检测开关对进入阀门的输入信号进行响应

②：将2个开关信号与外部监控电路（故障诊断、防止重启）结合使用。
　（参阅图11. 带开关的双三通电磁阀动作图 ）

③：在②的基础上添加监控功能（气动式、气电式、电子式等）

此外，还有一种与②、③类似，称为冲压用双联电磁阀的产品。根据多年的经验，这一类产品也已开始应用于冲压机以外的机械设备。

安全阀门的与主要用途1）余压泄压阀（三通阀）

如果在维护期间压缩空气残留在气动回路中，可能会因意外的气缸动作导致事故。因此，在ISO4414和作为美国劳动安全卫生法的OSHA要求在维护期间必须对相关设备进行能源切断、耗散，并将该设备锁定。

图11.带开关的双三通电磁阀动作图　一览表1）-②

余压泄压阀的选配件—防飞出阀（2通阀、3通阀）

防飞出阀与余压泄压阀组合使用。防止余压泄压后重新供气时气缸飞出。阀门打开初期，流量减少，当二次压力上升到设定压力的40～60%时，阀门全开。也有与余压泄压阀集成在一起的组合功能阀。

图12.防飞出阀的时间与压力的关系

安全阀门的主要用途2）防跌落阀（2通、5通3位阀）

在油压/气动回路中，因切断动力源、耗散而发生危险动作的典型例子，是由上下用气压缸支撑的重物坠落（因压力消失而降下）。

防坠落阀通过封闭压力防止负载坠落。需要注意的是，应提示正在封闭压力，并预先准备用于释放封闭压力的方法。在专用设备上，也可提供与这些相对应的选配件（压力检测端口、余压泄压阀等）。

图13.防跌落阀的安装案例

安全阀门的主要用途3）强制复位阀（5通2位阀门）

如果安全侧和危险侧是由气缸的动作方向决定，则在系统异常时通过返回安全侧来确保安全。

例如，作为在气缸式压力机中达到4级安全的方法，可以考虑以上升端为安全侧，并且在系统异常时让气缸上升以保证安全的系统。使用双联电磁阀时，即使一侧阀体发生故障，也可以强制恢复。

图14.4级安全电路示例

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