文｜无锡中鼎集成技术有限公司

张伟

摘 要：为分析ISO 13849原则在物流装备电气安全性设计中的应用，回顾了机械安全标准基本原则及发展，分析了在电气设计中安全回路的结构分类与设计方法。对机械设备危险点进行评估，将所预测危险点执行不同PLr，使用SISTEMA软件计算出安全回路的危险、失效发生概率，进而得出安全回路的PL。讨论了物流行业主要设备安全回路设计的适用性，提出了一种物流设备电气安全回路设计与计算的实用方案。对ISO 13849原则的深入认识，可改变物流装备的电气设计理念、提升物流设备的安全等级。

关键词：ISO 13849、SISTEMA、性能等级、物流装备

为避免机械设备运行时重要信号失效，工程技术人员在设计电气原理图时会增加冗余设计，例如将行程开关双动作信号设计为双触点输出，或将接触器辅助触点接入PLC监测其动作状态，以增加电气回路的可靠性。然而这样的设计方法缺乏可量化的安全指标。自EN ISO 13849-1:2008出版以来，沿用了多年的EN 954-1被逐渐取代[1-2]。随着EN ISO 13849-1:2008中的安全设计原则开始被多国接受，目前已成为自动化机械设备安全功能设计的首要原则。我国也发布了基于ISO 13849标准的GB/T 16855《机械安全 控制系统安全相关部件》在机械自动化行业内推广使用[3]。

ISO 13849原则的经典应用是双手操作装置、双控制回路、动作监测等设计；元器件厂商提供安全元器件的PL（性能等级，Performance Level）等级、低压元器件B10D（10%元件危险失效时的周期数）等参数。目前机械设备正不断走向高度自动化、智能化，更多的液压、气动、传感器、电气元件被集成在机械设备中，使其变得更灵活、功能更强大。但是复杂程度高的机械设备，其控制电路出现信号被干扰、元器件失效、线缆损坏等故障的概率也会相应增加，因此会造成机械设备的损坏，甚至严重的安全生产事故。所以在设计控制电路之初对重要的控制回路进行安全指标评估就显得尤为重要。

物流装备最为重要的机械设备，经过多年快速发展。中、低端物流装备已经具备了相当规模和产能。在高端物流装备走向世界的过程中，虽部分指标已经能够比肩一流水平。但是在安全功能设计、人员安全主动保护方面的认识还存在着较大的不足。因此全面研究物流装备的风险点，利用ISO 13849原则量化安全功能指标，并分析多种安全手段实现某项安全功能的适应性，可指导工程技术人员设计非标定制项目的安全功能，也可用于出口装备的CE认证。

物流装备包括输送线、堆垛机、AGV、RGV、提升机，其实质都能够在输送和堆垛机设备上体现。输送线和堆垛机也是应用最为广泛的物流装备，探讨输送线和堆垛机风险点，具有普遍意义。

1. 输送设备

在输送线设备中，主要存在的风险是防止人员闯入正在运行的输送设备，避免机械挤压、卷入、撞击。工程师在设计阶段主要通多增加护栏实现物理区域的隔离，但是输送设备都会存在开放的上下料口，以及根据工艺、效率所需要划分的区域。因此在实际工作中需要使用光幕、安全地毯、急停、安全门锁等安全元器件。虽然增加安全元器件在一定程度上增加了安全性能，但是随着安全元器件所控制执行单元的增加，即系统中变频器、接触器、开关数量也相应增加，这无疑提高了元器件失效概率，造成安全功能保护等级降低。

考虑到输送设备特点，为了对某项功能进行安全评估，工程技术人员在设计电气原理图之前，应先绘制出输送线中安全功能框图，体现安全元器件、逻辑单元、执行单元组合关系，建立安全功能所选用类别与控制架构，方便工程技术人员使用ISO 13849原则计算安全等级，如图1所示，ISO 13849原则提供了物流装备控制系统安全相关部件（SRP/CS）设计标准和评估规范。

2. 堆垛机设备

对于堆垛机设备，传感器、PLC单元、电机驱动器等都可作为物流装备的SRP/CS（控制系统安全相关部件），提升物流装备的安全等级。目前我国尚缺少堆垛机设备的标准，因此作者参考了EN 528-2021的安全要求进行设备安全评估[4]。堆垛机主要存在的安全风险是巷道内撞击、挤压、脱轨、坠落等，尤其是当堆垛机在维修时还需要进行钢丝绳断带保护、安全限速、急停等保护。例如在设计钢丝绳断带保护功能时，往往需要多个安全型行程开关检测钢丝绳状态，在安全回路中则表现为多安全元器件输出的形态，如图2所示。

综上，对于一个复杂的系统，往往存在安全保护的多种形式。安全回路控制架构往往比较形态复杂，为方便工程技术人员对安全回路所达到的PL进行评估，需要遵循ISO 13849原则计算出安全回路的PFHD（平均每小时危险失效概率）从而确定安全回路PL。在ISO 13849中，将安全等级都被划分为五个等级，其中PL=e为最高，PL=a为最低，如表1所述。因此对每项安全功能进行评估是设计过程中重要的工作。