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• 關(guān)鍵詞： 注塑機(jī)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、性能等級(jí)、安全相關(guān)功能
• 摘要：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)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）。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(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)門和急停按鈕。而頂蓋防護(hù)門、安全邊沿開關(guān)、安全地毯和模式開關(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(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，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的類別基礎(chǔ)上做了更的描述，一共分為五類：B、1、2、3、4。

    類別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(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類可實(shí)現(xiàn)PL=c的性能等級(jí)。

    類別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類實(shí)現(xiàn)PL=d的性能等級(jí)。

    類別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類實(shí)現(xiàn)PL=e的性能等級(jí)。

    類別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關(guān)次數(shù)，因?yàn)殚_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。可以從已檢出的危險(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，人體將可以進(jìn)入開模時(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（取決于開門的頻繁程度）。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（前門和后門）進(jìn)行監(jiān)控。

圖7 非接觸式磁性安全開關(guān)

   

    對(duì)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)，該開關(guān)為雙通道結(jié)構(gòu)，2N/C, 1N/O觸點(diǎn)類型，感應(yīng)距離10mm，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。該安全門可以達(dá)到Cat 3或Cat 4結(jié)構(gòu)。

    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(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。