摘 要：國內(nèi)塑機行業(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或國際標(biāo)準(zhǔn)ISO、IEC， 出口產(chǎn)品一般要求通過CE或SPI標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。隨著國內(nèi)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(jīng)越來越重要，本文對如何根據(jù)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)做有效的回路設(shè)計，使得安全等級符合認(rèn)證做了探討，本文所探討的僅僅是注塑機安全標(biāo)準(zhǔn)的一部分。
關(guān)鍵詞：注塑機 風(fēng)險評估 性能等級 安全相關(guān)功能
1.引言
塑料成型制品產(chǎn)品關(guān)聯(lián)度大、綜合性強，在國民經(jīng)濟中日益顯示出極為重要的作用。塑料機械工業(yè)的發(fā)展，在一定程度上反映出一個國家和地區(qū)的國民經(jīng)濟及技術(shù)發(fā)展水平。當(dāng)前注塑機的生產(chǎn)要求不斷提高，安全認(rèn)證已被越來越多的注塑機生產(chǎn)廠商所重視，國外針對注塑機的主要的安全標(biāo)準(zhǔn)有歐洲CE標(biāo)準(zhǔn)及美國SPI標(biāo)準(zhǔn)。
隨著EN ISO13849-1的發(fā)布，機械安全實現(xiàn)了從元器件到系統(tǒng)進行全面性的安全評估，從而有效解決了原有EN954-1標(biāo)準(zhǔn)無法實現(xiàn)定量化判斷系統(tǒng)安全性的問題。在此方面，中國是世界塑料機械生產(chǎn)大國、消費大國和出口大國，中國塑機行業(yè)也走在了國際先進的道路上。
2.有關(guān)機械安全控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)
EN ISO 13849-1評估有關(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)的類別，還有經(jīng)過概率考量后估算得到的性能等級(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、氣動等)，正確應(yīng)用時實現(xiàn)的目標(biāo)是將危險降至可接受水平，或在可預(yù)見條件下執(zhí)行完整安全功能并按規(guī)定實現(xiàn)風(fēng)險減小的能力。PL 和SIL及PFHD關(guān)系參見表所示。
表1所示為性能等級PL和安全完整性等級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(參見圖1)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程。一般注塑機包括注射裝置、合模裝置、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)部分。
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(qū)域前后門的安全開關(guān)、急停按鈕和可能存在的噴嘴區(qū)域安全開關(guān)、頂蓋安全開關(guān)、模式選擇開關(guān)和安全地毯等。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(guān)、安全地毯和模式開關(guān)為可選項，一般用于特殊機型或大型的注塑機械。注塑機主要安全功能參見圖2所示。
圖2 注塑機主要安全功能
4 .EN ISO13849-1的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用
4.1 所需性能等級
在安全回路設(shè)計之前必須對每個安全功能做風(fēng)險評估，確定所需性能等級(PLr)，可以用以下風(fēng)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”，參見圖3所示。
圖3.風(fēng)險圖(根據(jù)EN ISO 13849-1)
風(fēng)險評估通過三個參數(shù)的簡單組合：
(1)S：危險源導(dǎo)致的人員受傷嚴(yán)重程度如何？
·S1 輕傷(通常可恢復(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：人員處于危險區(qū)域的持續(xù)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(yù)防事故或避免危險的實際可能性
·P2 幾乎不可能
評估的結(jié)果風(fēng)險從低到高遞增，為每個安全功能確定適合于當(dāng)前風(fēng)險減小的PL，最終計算回路的PL要大于等于PLr。
4.2 確定類別Cat參數(shù)
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，如圖4所示。
圖4.SRP/CS
類別是描述發(fā)生失效時安全相關(guān)功能(SRP/CS)運行情況的基本參數(shù)，在EN 954-1的類別基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)，發(fā)生單個故障時可能導(dǎo)致安全功能丟失，僅可實現(xiàn)PL=b的性能等級。
類別1也是單通道結(jié)構(gòu)為特色，以B類為基礎(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類最高可實現(xiàn)PL=c的性能等級。
類別2包含實現(xiàn)安全功能的單通道結(jié)構(gòu)。此外必須實現(xiàn)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(zhì)量是決定因素，必須能夠識別故障。而在兩次校驗之間發(fā)生故障則可能導(dǎo)致安全功能丟失。2類最高可實現(xiàn)PL=d的性能等級。
類別3包含實現(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)計必須確保這些部件之一的單一故障不會導(dǎo)致安全功能丟失。即3類所有的有關(guān)安全部件設(shè)計要冗余，以確保當(dāng)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(dǎo)致安全功能丟失。3類最高可實現(xiàn)PL=e的性能等級。
類別4也包含實現(xiàn)所需安全功能的雙通道結(jié)構(gòu)，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(dǎo)致安全功能的丟失。4類最高可實現(xiàn)Ple的性能等級。
4.3 確定失效MTTFd參數(shù)
表示元器件平均危險失效時間，劃分為三個區(qū)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(guān)次數(shù)，因為開關(guān)次數(shù)與元器件的機械磨損直接相關(guān)，B10d是其參考的值，它表示生命周期檢查過程中10%元器件發(fā)生危險失效時總的開關(guān)次數(shù)。B10d可以通過計算得到MTTFd值。
4.4 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(biāo)準(zhǔn)，通過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，參見表2所示。
4.5 共因失效(CCF)
單個失效不會導(dǎo)致冗余系統(tǒng)的兩個通道同時失效。對于類別2、3、4都需要借助標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)值為65%或以上即能符合。
4.6 計算性能等級
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PL。
圖5 通過參數(shù)計算性能等級PL
5.執(zhí)行驗證
合模區(qū)是最危險的區(qū)域，以合模區(qū)為例。合模機構(gòu)區(qū)域中，模板驅(qū)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(qū)域的防護裝置被打開，人體將可以進入開模時模板后方區(qū)域，可能造成擠壓的危險， 抽芯和頂出機構(gòu)的運動也可能造成相同的危險。這些危險被認(rèn)為是不可恢復(fù)的傷害，且很難避免。合模區(qū)域風(fēng)險評估參見圖6所示。
圖6.合模區(qū)域風(fēng)險圖
所以根據(jù)風(fēng)險圖可知，該區(qū)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(shè)計對合模區(qū)安全防護裝置(前門和后門)進行監(jiān)控。
對合模區(qū)域安全相關(guān)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(guān)(圖7)， 該開關(guān)為雙通道結(jié)構(gòu)，2N/C，1N/O觸點類型，感應(yīng)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(tài)顯示。有小型或緊湊型設(shè)計，安裝靈活。該安全門可以達到Cat 3或Cat 4結(jié)構(gòu)。
圖7 非接觸式磁性安全開關(guān)
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(圖8)來完成相應(yīng)安全功能，所有的安全功能直接接入PNOZmulti，共有20個安全輸入，通過簡單編程可以自由配置邏輯執(zhí)行相應(yīng)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。
圖8 PNOZ multi 2可編程控制器
通過得到所需元器件的安全基本參數(shù)后，根據(jù)設(shè)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(yīng)SRP/CS的性能等級，參見圖9所示。
圖9 安全等級計算軟件
6.結(jié)束語
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俱進。如前門可使用編碼型非接觸式安全開關(guān)，Pilz帶有50N保持力的PSEN cs6.11開關(guān)或1000N鎖定力的安全門系統(tǒng)PSEN sl1.0都達到了PLe的性能等級，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。
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