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。
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 ISO13849-1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
圖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。
1-模具區(qū)域;2-合模機(jī)構(gòu)區(qū)域;4-噴嘴區(qū)域;5-塑化區(qū)域及注射成型機(jī)構(gòu)區(qū)域;5.1-機(jī)筒加料區(qū)域;5.2-加熱圈區(qū)域;6-制品下落區(qū)域
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。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 ISO13849-1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)，可以用以下風(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?？梢詮囊褭z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。
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)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)。
圖7 非接觸式磁性安全開(kāi)關(guān)
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。
圖8 PNOZ multi 2可編程控制器
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)。
圖9 安全等級(jí)計(jì)算軟件
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。
（轉(zhuǎn)載）
