安全光柵的等級之謎：全面解讀EN ISO 13849類別與PL，IEC SIL等級及Type 2/Type 4
1. EN ISO 13849：控制系統(tǒng)類別（Category）詳解
EN ISO 13849-1 是機(jī)械安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心標(biāo)準(zhǔn)，定義了安全相關(guān)控制系統(tǒng)的類別（Category），用以描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、故障診斷能力和冗余水平。類別越高，系統(tǒng)安全性能越強(qiáng)，適合更高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境。
| 類別 | 設(shè)計(jì)特點(diǎn) | 故障診斷能力 | 冗余設(shè)計(jì) | 適用PL等級 |
|---|---|---|---|---|
| B | 簡單單通道設(shè)計(jì)，無冗余 | 無 | 無 | PL a 或更低 |
| 1 | 單通道設(shè)計(jì)，采用高可靠部件 | 依賴人工周期檢測 | 無 | PL b |
| 2 | 單通道設(shè)計(jì)，部分自動(dòng)診斷 | 部分自動(dòng)診斷 + 周期測試 | 無 | PL c |
| 3 | 雙通道冗余設(shè)計(jì)，自動(dòng)檢測單點(diǎn)故障 | 自動(dòng)故障檢測 | 有 | PL d |
| 4 | 雙通道冗余，高度自動(dòng)診斷，防止多重故障 | 高度自動(dòng)診斷，防止故障累積 | 有 | PL e |
說明：
- 類別B適合風(fēng)險(xiǎn)較低場合，安全依賴元件自身可靠性，無自動(dòng)故障檢測。
- 類別1在B基礎(chǔ)上采用高可靠元件，但故障發(fā)現(xiàn)依賴周期性人工檢測。
- 類別2增加部分自動(dòng)診斷，降低檢測延遲，提高安全性能。
- 類別3通過冗余和自動(dòng)診斷，防止單點(diǎn)故障導(dǎo)致安全功能失效。
- 類別4設(shè)計(jì)最嚴(yán)格，確保多重故障也不會(huì)危及安全，適合最高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境。
類別是決定安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和安全性能的基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)PL等級至關(guān)重要。
2. 性能等級PL（Performance Level）詳解
PL等級是EN ISO 13849-1用來量化安全控制系統(tǒng)性能可靠性的指標(biāo)，結(jié)合失效率、診斷覆蓋率和元件可靠性劃分等級，分為PL a到PL e。
| PL等級 | 危險(xiǎn)故障失效率PFHd (/小時(shí)) | 診斷覆蓋率DC (%) | MTTFd（平均無危險(xiǎn)失效時(shí)間） | 最低類別要求 |
|---|---|---|---|---|
| a | ≥10^-5 to <10^-4 | 0 | 3k – 10k 年 | B |
| b | ≥3×10^-6 to <10^-5 | 0 | 3k – 10k 年 | 1 |
| c | ≥1×10^-6 to <3×10^-6 | 30% – 60% | 10k – 30k 年 | 2 |
| d | ≥1×10^-7 to <10^-6 | 60% – 90% | 30k – 100k 年 | 3 |
| e | <10^-7 | >90% | >100k 年 | 4 |
解釋：
- PFHd：系統(tǒng)每小時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)故障的概率，數(shù)值越小安全性越高。
- 診斷覆蓋率：自動(dòng)檢測并隔離故障的能力，提升系統(tǒng)安全性。
- MTTFd：組件可靠性指標(biāo)，代表平均無危險(xiǎn)失效時(shí)間。
- 類別：PL等級實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)保障基礎(chǔ)。
PL等級為機(jī)械安全設(shè)計(jì)提供明確的性能指標(biāo)，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。
3. IEC 61508 / IEC 62061：安全完整性等級（SIL）詳解
IEC 61508是功能安全領(lǐng)域的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，IEC 62061針對機(jī)械安全應(yīng)用。它們定義了安全完整性等級（SIL），等級1至4，數(shù)字越大安全要求越高。
| SIL等級 | 危險(xiǎn)故障失效率PFHd (/小時(shí)) | 設(shè)計(jì)復(fù)雜度與安全要求 |
|---|---|---|
| 1 | ≥10^-6 to <10^-5 | 低安全需求，設(shè)計(jì)較簡單 |
| 2 | ≥10^-7 to <10^-6 | 中等安全需求，具備冗余及故障診斷 |
| 3 | ≥10^-8 to <10^-7 | 高安全需求，設(shè)計(jì)復(fù)雜，冗余和診斷完善 |
| 4 | ≥10^-9 to <10^-8 | 極高安全需求，常用于核電、航天等極端場合 |
特點(diǎn)：
- SIL強(qiáng)調(diào)整體系統(tǒng)功能安全的完整性和可靠性。
- 涉及硬件、軟件及管理過程設(shè)計(jì)。
- IEC 62061作為機(jī)械行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，繼承IEC 61508原則。
4. 安全光柵IEC 61496系列標(biāo)準(zhǔn)中的Type 2與Type 4
安全光柵的設(shè)計(jì)與分類依據(jù)IEC 61496系列標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：
- IEC 61496-1：通用要求
- IEC 61496-2：針對光幕類型的特定要求
安全光柵根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為不同類型，主要是：
| 類型 | 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) | 設(shè)計(jì)特點(diǎn) | 診斷能力 | 典型安全等級 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|---|
| Type 2 | IEC 61496-1 | 單通道，結(jié)構(gòu)簡單，無冗余 | 診斷能力有限 | 通常對應(yīng)PL b-c，SIL 1 | 低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，非關(guān)鍵安全保護(hù) |
| Type 4 | IEC 61496-1 | 冗余雙通道設(shè)計(jì)，高度自動(dòng)故障診斷 | 診斷覆蓋率高 | 通常對應(yīng)PL d-e，SIL 2-3 | 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，關(guān)鍵人員保護(hù) |
補(bǔ)充說明：
- Type 2安全光柵適用于對安全性能要求較低的場景，成本較低，適合非關(guān)鍵防護(hù)。
- Type 4安全光柵設(shè)計(jì)冗余，支持自動(dòng)故障診斷，適合高安全等級場景，常用于人員保護(hù)。
該分類為光柵硬件安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同于系統(tǒng)整體安全等級，但Type 4是實(shí)現(xiàn)高PL系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。
5. PL與SIL對應(yīng)關(guān)系
雖然兩者標(biāo)準(zhǔn)不同，PL與SIL在安全等級上有一定對應(yīng)性：
| PL等級 | 對應(yīng)SIL等級 | 備注 |
|---|---|---|
| a | — | 低安全要求 |
| b | SIL 1 | 基礎(chǔ)安全要求 |
| c | SIL 1-2 | 中等級安全要求 |
| d | SIL 2-3 | 較高級安全要求 |
| e | SIL 3 | 最高安全要求 |
6. 常見誤用與誤解
- 誤以為光柵自身就有PL等級
光柵標(biāo)稱Type等級是硬件設(shè)計(jì)類別，不是系統(tǒng)的PL等級。PL等級是整套安全系統(tǒng)綜合評估的結(jié)果。 - 誤將EN ISO 13849的類別（B、1-4）當(dāng)作“安全等級”
類別描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和診斷能力，是實(shí)現(xiàn)PL等級的基礎(chǔ)條件，不是安全等級本身。 - 混淆Type 2/4與PL等級
Type屬于IEC 61496硬件分類，不能直接等同PL，但Type 4光柵是實(shí)現(xiàn)高PL系統(tǒng)的前提。 - 把SIL與PL看成完全一樣的標(biāo)準(zhǔn)
兩者評估體系、應(yīng)用領(lǐng)域和要求不同，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目選用。 - 忽視類別對PL的重要性
設(shè)計(jì)類別決定冗余和診斷水平，直接影響PL的實(shí)現(xiàn)。 - 低估系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的重要性
光柵只是安全系統(tǒng)一部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷會(huì)降低整體安全等級。
7. 實(shí)際應(yīng)用建議
- 對于高安全要求，優(yōu)先選擇Type 4光柵，設(shè)計(jì)Category 3或4系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PL d及以上。
- 明確類別與PL等級的關(guān)系，避免混淆設(shè)計(jì)類別和安全性能等級。
- 綜合考慮PL與SIL標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)用環(huán)境合理選型。
- 不要孤立看光柵等級，確保整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足安全要求。
8. 總結(jié)
| 標(biāo)準(zhǔn)體系 | 關(guān)注點(diǎn) | 分級方式 | 關(guān)聯(lián)與作用 |
|---|---|---|---|
| EN ISO 13849 | 控制系統(tǒng)類別和性能等級 | 類別B-4，PL a-e | 類別決定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，PL衡量安全性能 |
| IEC 61508/62061 | 功能安全完整性等級 | SIL 1-4 | 衡量整體系統(tǒng)功能安全完整性 |
| IEC 61496 | 安全光柵硬件設(shè)計(jì)類別 | Type 2 / Type 4 | 硬件安全設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，影響光柵性能 |
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