發布日期：2022-07-14 點擊率：73
【摘要】 EN954-1和EN ISO 13849-1都是歐盟制定的關于機械安全的指令標準，現在EN ISO 13849-1 已經取代了EN 954-1，本文介紹了這兩種標準的異同。
【關鍵詞】類別 性能等級 診斷覆蓋率 控制系統的相關安全部分
Abstract: Both EN 954-1 and EN ISO 13849-1 are European directive standards regarding machinery safety. Today, EN ISO 13849-1 replaces EN 954-1 as a new standard. This article wants to explain what is different between them.
Key word: Cat. PL DC SRC/CS
概述
這篇文章介紹了在機械安全領域，最近剛剛發生的一些變化和實施新標準的情況，聚焦于歐盟的要求，但由于對機械安全標準的全球化需求，所以在EN后面增加了ISO，也即國際標準，因此文中的很多內容是關于全世界的。
機械和過程的自動化正在快速地變化著，更加柔性，更加強勁。為了保證操作員和技術員的安全，利用自動化具有的先進功能，要對機械保護進行連續地測量。從歷史上來看，安全系統和自動化系統是完全分開的，操作也是獨立的，安全系統通常與自動化系統是并行的。但有一個重要的原則是：安全系統必須總是有效的。在“正常”情況下的機械操作，一個故障或者不期望發生的事件不能產生危險，或者破壞安全保護的測量。
現在，擺在我們面前的一個事實是：自動化系統越來越智能；所以，我們也希望安全系統也應這樣。需要增加什么樣的安全功能，取決于機械設備做什么工作，或者它在什么模式下工作。這意味著“安全”是，在某些情況下，能與“正常”的控制系統進行通信。也意味著，我們需要重新考慮：怎樣實現安全系統的獨立性和完整性。新一代安全系統的一個最顯著特征是：現在已經實施的新機械安全標準EN ISO 13849-1（原來的EN 954－1還會延期到2011年12月31日廢止），它必須遵從功能安全的新標準。在本文里，我們將討論其中最重要的部分：EN ISO 13849-1。除了這點，歐盟有一個新的機械安全指令，做為法律依據應對相關的機械工業環境。
任何提供機械或者使用這些機械的單位和個人，必須了解相關的標準和法規要求，這一點非常重要。本文試圖幫助那些使用控制系統完成這種任務的用戶，目的不是替代詳細研究標準和法規特定條款，而只是給出一個指南，希望用戶能夠清楚地了解到底需要什么。
從EN 954-1到EN ISO 13849-1的轉移
很多年來，對安全相關系統分類的最常用方法就是使用EN 954-1 [或者它的對應新標準 ISO 13849-1:1999]的類別（Cat）。這個標準即將作廢，因為它不遵從新的機械指令，這個標準將在2011年12月31日后不再使用。
替換EN 954-1的新標準已經分布，它就是EN ISO 13849-1:2008。“機械安全－控制系統的安全相關部分”。還有一個選擇的標準可以使用：EN/IEC 62061 “機械安全－電氣、電子和可編程電氣控制系統的功能安全”。使用這兩個標準都能夠遵從機械指令。本文將討論這兩個標準之間的相互關系。至于選擇哪一個標準來使用，這由用戶來決定，我們將著重于EN ISO 13849-1:2008。特別針對那些熟悉類別的設計者而言，標準給他們提供了一條轉移的路徑。因此，對于機械安全系統，它是最通常使用的標準。它既可以用于一個完整的系統，也可以用于一個子系統。
EN 954-1與EN ISO 13849-1基本的不同
首先，讓我們看看老EN 954-1和新EN ISO 13849-1有什么不同的地方。老標準的輸出是類別Cat [B,1, 2, 3 或 4]。新標準的輸出是性能等級PL [a, b, c, d 或 e]。類別概念仍然保留，在系統提出PL之前，還有其他的需求要滿足。
把要求列為下面的內容：
? 系統的體系結構。這基本抓住了我們有什么，使用什么樣的類別。
? 系統組成部分需要的可靠性數據。
? 需要系統的診斷覆蓋率[DC]。它有效地代表了對系統內部故障監視的能力。
? 公因失效的防護。
? 系統故障的防護。
? 軟件相關的特定要求。
[DividePage:NextPage]
然后，我們將近距離查看這些因素，但之前我們要考慮整個標準的基本目的和原理。非常清楚的一點是：有很多新內容需要學習，因為了解細節會使我們對安全概念更有心得，那時我們就會理解標準要達到什么目的，為什么要這么做。
首先，我們為什么需要一個新標準？顯而易見的是：用于機械安全系統的技術，在過去的十年里，已經有了很大進步，發生了很大變化。稍遠的最近，安全系統采用了具有可預測和可預見失效模式的“簡單”設備；稍近的最近，我們已經看到在安全系統中，更多地使用比較復雜的電子和可編程設備。這表明在成本、靈活性和兼容性上，我們有更多的技術可供選擇，同時也意味著：原來的標準有點過時，不再適用了。要判斷一個安全系統是否滿足要求，我們必須知道得更多。這就是為什么新標準需要更多的信息。以前的安全系統多采用“黑盒子”的方法，而現在更多地依靠符合標準。因此，實施標準需要具有運用技術的能力。為了達到這個目的，標準必須提出基本的可靠性、故障檢測、體系結構和系統集成等要素。這就是提出EN ISO 13849-1的目的。
為了通過這個標準完成一個機械安全項目，非常重要的是要明白：有兩類根本不同的用戶類型：安全相關子系統的設計者和安全相關系統的設計者。通常來說，子系統的設計者（典型的是安全組件制造商）被認為是復雜的更高一級。他們需要提供相關數據，使系統設計者能夠確保系統具有足夠的完整性。這要進行很多測試、分析和計算。結果要用標準所規定的數據格式表示。
系統設計者（典型的是機械設計者和集成商）將使用這些數據去完成一些相關的計算，決定系統的整體性能等級（PL）。
為了決定需要什么樣的PL（PLr：所需的性能等級），標準提供了風險圖，通過此圖，要輸入應用中傷害嚴重度、發生的頻率和防止的可能性等參數。
輸出的是PLr值。老EN 954-1的用戶會比較熟悉這種方法，但要注意：S1線現在分為兩部分，而老風險圖則沒有。還要注意：這意味著在低風險級需要安全測量的完整性，有重新考慮的可能性。
所以現在我們能夠看到系統的PLr（通過風險圖）和系統達到的PL（通過計算）之間的關系。
我們知道，從標準中，我們可以計算系統需要多好的安全和怎樣決定能夠使它多好，但我們不知道它需要做什么。我們需要決定安全功能是什么。很清楚，安全功能必須適合于任務，那么我們怎樣提供這些？標準怎樣來幫助我們？
必須明白，需要的功能可以僅由實際應用的主要特性來決定。這可以看作安全概念的設計階段。它不能被標準全部覆蓋，因為標準不知道具體應用的所有特性。標準常常應用于機械制造商，他們生產機械，但不必知道機械使用的確切條件。
這個標準列出很多通用的安全功能和一些常用的相關要求，希望對用戶能夠提供一些幫助。其他標準，像EN ISO 12100：基本設計原理和EN ISO 14121：風險評估，在這個階段，極力推薦給用戶使用。還有，大量的機械特殊標準提供了特殊機械的解決方案。在歐盟的EN標準中，這一類稱之為C類的標準，大多數等同于ISO標準。
因此，我們現在看到安全概念設計階段是依賴于機械的類型，還依賴于應用的特性和使用的環境。機械制造商要預見這些因素，使之在設計中使用安全概念。使用的預期（比如預計）條件應該在用戶手冊中給出。機械的用戶需要檢查他們是否滿足實際的使用條件。
我們現在有了安全功能的描述。從標準的附錄A中，我們也有了需要的性能等級（PLr），用于控制系統的安全相關部分（SRC/CS），它用于執行這個功能。我們現在需要設計這個系統，并且確保它滿足PLr值。
在決定使用（EN ISO 13849-1或者EN/IEC 62061）一個最重要的因素是安全功能的復雜性。大多數情況，對于機械設備，安全功能相對簡單，使用EN ISO 13849-1 更適合。為了評估PL值，使用已經提到的因素：可靠性數據、診斷覆蓋率（DC）、系統結構（類別）和相應的軟件要求。
這只是一個簡單的描述，僅意味著給了你一個概念。重要的是理解：標準的內容給出了所有必須執行的規定。無論如何，幫助就在手邊。現在有一種很棒的軟件工具，可以幫助我們解決計算問題。它的名字叫SISTEMA。它是由德國的BGIA（德國社會事故保險職業安全和健康研究所）開發的。這個軟件可以免費下載供用戶使用，詳情請登錄：
現在這個軟件版本只支持德語和英語，其他語言版本會在不遠的將來發布。這個工具不是一個商業化產品，BGIA, SISTEMA的開發商, 是一個基于德國政府的著名研究和測試機構。它特別參與了德國意外保險和預防法令中相關安全科學和技術問題的解決。它已經與二十多個國家的職業健康和安全部門合作工作。來自BGIA的專家, 與他們的BG同事一起，積極參與了EN ISO13849-1和IEC/EN 62061草案的制定。
[DividePage:NextPage]
羅克韋爾自動化產品的數據可以使用SISTEMA
羅克韋爾自動化安全產品的“數據庫”現在可以使用SISTEMA軟件，計算性能等級（PL）。請登錄下面網站，獲得這個數據庫：
無論什么方法，PL的計算是非常重要的，是一個正確的開始。我們需要按標準以同樣的方式來觀察我們的系統，下面就從這里開始。
系統結構
任何系統能夠拆分成基本系統組件或者“子系統”。每個子系統都有自己離散功能。多數系統能夠拆分成三個基本功能；輸入、邏輯解算和輸出（一些簡單系統可以沒有邏輯解算）。組件組執行這些子系統的功能。
一個簡單通道電氣系統例子見上圖。它僅由輸入和輸出子系統組成。
本系統稍微復雜一點，因為還需要一些邏輯。安全控制器本身具有內部故障冗余功能（比如：雙通道），但整個系統仍然受限于單通道，因為限位開關和接觸器都是單通道的。
使用前一幅圖的基本結構，還要考慮其他一些問題。首先，這個系統具有多少個“通道”？ 一個單通道系統，一旦它的子系統失效，它就會失效。一個雙通道（也稱為冗余）系統，一個通道失效，它還能工作，只有兩個通道都失效時，它才失效。因為它有兩個通道，可以容忍一個通道的故障。上圖顯示了一個雙通道系統。
非常清楚，雙通道系統比起單通道系統來說，更不容易走向危險的條件。如果我們包含對故障檢測的診斷測量，我們還能夠使它更加可靠（根據它的安全功能）。當然，有了故障檢測，我們還需要做出反應，把系統切到安全狀態。下面的圖表示了具有監視技術進行的診斷測量。
通常（但不總是）的情形是：系統由兩個通道，全部由子系統構成。因此，我們能夠看到：這種情況下，每個子系統有兩個“子通道”。標準描述這些為“模塊”。一個兩通道子系統至少有兩個模塊，一個單通道子系統至少有一個模塊。有些系統是由雙通道和單通道模塊組合而成的。
如果我們想深入研究這個系統，我們需要考慮模塊的組件部分。SISTEMA 工具使用了術語“元件”（elements）表示這些組件部分。
見上圖，限位開關子系統被分解到了元件級。輸出接觸器子系統分解到模塊級，邏輯子系統沒有再分。對限位開關和接觸器的監視功能由邏輯控制器執行。因此，方塊表示的限位開關和接觸器子系統與邏輯子系統有小小的重疊。
這個系統細分的原則，在EN ISO 13849-1中的方法論中給予了認可，也是SISTEMA工具中基本系統結構的原則。然而要注意的是：這里有些微小的差異。標準在它的方法論中沒有強制，但為了簡化評估PL的方法，通常第一步是把系統結構拆分成通道，再把每個通道拆分成模塊。使用SISTEMA，系統通常第一步分成子系統。標準沒有明確描述一個子系統概念，但在SISTEMA中使用，提供了更易理解和更直觀的方法。當然，這對最后的計算沒有任何影響。SISTEMA和標準兩者使用相同的原理和公式。非常有趣的是：子系統的方法也用在EN/IEC 62061中。
我們做為例子使用的系統正好是標準指定的五種基本系統結構類型中的一種。熟悉系統類別的讀者能夠辨認出：我們的例子是典型的類別3或者類別4。
[DividePage:NextPage]
新標準使用原EN 954-1的類別，做為它指定系統結構的五種基本類型。把它們稱之為指定結構類別。對類別的要求幾乎（但不完全）與EN 954-1中給出的相同。指定結構類別由下面的各圖表示。要注意的是：它們既可以應用于整個系統，也可以應用于子系統。圖中表示的不是純粹的物理結構，它們只是概念要求的圖形表示。
指定結構類別B必須使用基本安全原則（請參看EN ISO 13849-2附錄）。這種系統或者子系統會在單一故障事件中失效。見EN ISO 13849-1的全部要求。
指定結構類別1具有和類別B相同的結構，在單一故障事件中，仍然會失效。但因為它也使用良好驗證的安全原則（見EN ISO 13849-2附錄），故失效概率比類別B低。見EN ISO 13849-1 的全部要求。
指定結構類別2必須使用基本安全的原則（見EN ISO 13849-2的附錄）。也必須有通過系統或者子系統功能測試的診斷監視。這個測試必須在啟動、然后在每個安全功能要求中至少進行一百次測試的頻率周期出現。如果故障在功能測試時發生，這個系統或者子系統仍然會失效，但通常失效概率比類別1小。見EN ISO13849-1的全部要求。
指定結構類別3必須使用基本安全原則（見EN ISO 13849-2的附件）。還有一個在單一故障發生時，系統/子系統必須不能失效的要求。這意味著：系統需要具有單一故障容錯的安全功能。實現這一要求的通常做法是采用上圖所示的雙通道結構。另外，還要求對單通道的故障能夠進行檢測。這個要求同原來的EN 954-1中的類別3的要求是相同的。它意味著類別3的系統，冗余涵蓋了所有部分，冗余系統的所有單一故障都能檢測，但沒有整體的故障檢測（常常被描述為“愚蠢的冗余”）。為了解決這個問題，在EN ISO 13849-1的要求中提出，由診斷覆蓋率（DC）的品質來評估。我們可以看出，系統的可靠性（MTTFd：平均危險失效時間）越高，需要的診斷覆蓋率（DC）越低。無論如何，已經清楚地表明，在類別3的結構中，DC至少達到60%。
指定結構類別4必須使用安全基本原則（見EN ISO 13849-2的附錄）。它與類別3的要求很相似，但需要更多的監視，比如更高的診斷覆蓋率。這里用虛線表示了這種監視功能。類別3和類別4基本的不同點是：類別3能夠檢測大多數的故障，而類別4能檢測所有的單一故障。 DC值至少達到99%。甚至在故障的組合的情況下，也不能引起危險失效。
（羅克韋爾自動化（中國）有限公司 全球標準及貿易部中國地區經理 華镕）
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 羅克韋爾自動化安全解
