GB∕T 41118-2021 机械安全 安全控制系统设计指南.pdf

书 书 书犐 犆犛 犆犆犛犑 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准犌犅犜 机械安全安全控制系统设计指南犛 犪 犳 犲 狋 狔狅 犳犿犪 犮 犺 犻 狀 犲 狉 狔犌狌 犻 犱 犲 犾 犻 狀 犲犳 狅 狉狋 犺 犲犱 犲 狊 犻 犵 狀狅 犳狊 犪 犳 犲 狋 狔犮 狅 狀 狋 狉 狅 犾狊 狔 狊 狋 犲犿狊 发布 实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布www.biaozhun.org 标准网书 书 书目次前言引言范围规范性引用文件术语和定义缩略语迭代设计过程设计准备 风险评估 识别安全功能 规定安全功能的特征 确定所需性能等级 编制安全需求说明安全控制系统的设计 概述 编制安全设计说明 设计硬件系统 开发安全相关软件 验证安全功能的 形成设计文件 确认 确认原则 分析 测试 归档 附录（资料性）压力机安全控制系统设计及验证示例 附录（资料性）木工圆锯机安全控制系统设计及验证示例 附录（资料性）码垛机安全控制系统设计及验证示例 参考文献 犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网前言本文件按照 标准化工作导则第部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国机械安全标准化技术委员会（）提出并归口。本文件起草单位：皮尔磁电子（常州）有限公司、上海辰竹仪表有限公司、合肥磐石自动化科技有限公司、深圳国技仪器有限公司、十一维度（厦门）网络科技有限公司、漳州科晖专用汽车制造有限公司、焙之道食品（福建）有限公司、漳州佳龙科技股份有限公司、浙江武精机器制造有限公司、浙江佛尔泰智能设备有限公司、安士能电器（上海）有限公司、台州龙江化工机械科技有限公司、南京理工大学、中机生产力促进中心、四川蜀兴优创安全科技有限公司、泰瑞机器股份有限公司、奥煌检测技术服务（上海）有限公司、北京机械工业自动化研究所有限公司、广东康鑫新材料有限公司、南京林业大学、惠州学院、巨力自动化设备（浙江）有限公司、苏州安高智能安全科技有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院、佛山市南海旋旖机械设备有限公司、广东利英智能科技有限公司、江苏长虹智能装备股份有限公司、佛山市定中机械有限公司、西安凯益金电子科技有限公司、中汽认证中心有限公司、东莞市雄大机械有限公司、西安立贝安智能科技有限公司、江苏强凯检测有限公司、西安宁康特数据服务有限公司、广东全伟工业科技有限公司、上海彩琪信息科技服务中心、平湖李挺机械制造有限公司、山东佐耀智能装备股份有限公司、枣庄市慧天美亚保温节能建材有限公司、广东雪莹电器有限公司、义乌市粤鑫模具科技有限公司、黎明职业大学。本文件主要起草人：赵彬、项楠、熊从贵、舒玉恒、黄之炯、周婷、朱平、余海箭、吴建伟、薛从福、蔡松华、赵阳、徐志坚、黄剑锋、居里锴、刘治永、陆晓光、秦培均、黄飞、徐文超、魏建鸿、章日平、宋小宁、陈卓贤、庞艳、袁超群、仇云杰、李勤、钟耀华、向梅、吴向亮、程红兵、居荣华、倪燎勇、皮玉林、沈海波、王哲维、付卉青、赖秀珍、李挺、黄勇、沈德红、王洪伟、宋光升、陈小全、颜国霖、林通、王明华、李立言、李忠、钟云山、姜涛、张晓飞。犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网引言机械领域安全标准体系由以下几类标准构成：类标准（基础安全标准），给出适用于所有机械的基本概念、设计原则和一般特征；类标准（通用安全标准），涉及在机械的一种安全特征或使用范围较宽的一类安全装置：类，安全特征（如安全距离、表面温度、噪声）标准；类，安全装置（如双手操纵装置、联锁装置、压敏装置、防护装置）标准；类标准（机械产品安全标准），对一种特定的机器或一组机器规定出详细的安全要求的标准。根据 ，本文件属于类标准。本文件尤其与下列与机械安全有关的利益相关方有关：机器制造商；健康与安全机构。其他受到机械安全水平影响的利益相关方有：机器使用人员；机器所有者；服务提供人员；消费者（针对预定由消费者使用的机械）。上述利益相关方均有可能参与本文件的起草。此外，本文件预定用于起草类标准的标准化机构。本文件规定的要求可由类标准补充或修改。对于在类标准的范围内，且已按照类标准设计和制造的机器，优先采用类标准中的要求。急停装置、联锁装置、双手操纵装置等安全防护装置安全功能的实现依赖于安全控制系统。给出了安全控制系统的设计原则，本文件的目的是指导设计人员如何根据 设计安全控制系统。本文件的附录、附录和附录分别给出了压力机、木工圆锯机及码垛机安全控制系统的设计及验证示例。犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网机械安全安全控制系统设计指南范围本文件给出了安全控制系统的设计迭代过程、设计准备、设计实施以及确认的指南。本文件适用于 界定的机械的安全控制系统的设计及升级。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。机械安全设计通则风险评估与风险减小 机械安全控制系统安全相关部件第部分：设计通则术语和定义 和 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。安全控制系统狊 犪 犳 犲 狋 狔犮 狅 狀 狋 狉 狅 犾狊 狔 狊 狋 犲犿执行规定的安全功能，以控制或维持某一受控设备的安全状态，并通过其自身或其他控制系统，以及外部风险减小措施而实现所需性能等级（）的特定控制系统。平均危险失效周期数犿犲 犪 狀犮 狔 犮 犾 犲 狊狋 狅犱 犪 狀 犵 犲 狉 狅 狌 狊犳 犪 犻 犾 狌 狉 犲犅 直到 的元件发生危险失效时的平均循环次数。注：元件通常指机械元件、机电元件、气动元件或液压元件。缩略语下列缩略语适用于本文件。：有源光电保护装置（）：共因失效（）：诊断覆盖率（）：失效模式及影响分析（）：平均危险失效间隔时间（）：每小时平均危险失效概率（）：性能等级（）：射频识别（）：安全功能（）犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网：安全相关应用软件（）：安全相关嵌入式软件（）：控制系统安全相关部件（）迭代设计过程安全控制系统的设计和确认宜充分考虑 中图的风险评估方法和 中图给出的风险评估风险减小概况，并按本文件的图所示流程实现其预定安全功能。图安全控制系统的迭代设计过程犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网设计准备 风险评估在设计安全控制系统之前，宜对机械进行风险评估。如果风险评估结果发现存在不可接受的风险，宜通过 中图给出的风险减小过程迭代三步法消除危险或者尽可能减小风险。通常，只有在通过安全防护措施无法经济合理地减小风险的情况下，才可以通过使用信息（包括组织措施）减小风险。因此，在大多数情况下宜采用安全防护措施减小风险，而安全控制系统是实现风险减小的重要措施之一。注：风险评估和风险减小的策略见 。识别安全功能通过安全控制系统进行风险减小的起点是识别安全功能，即定义由安全控制系统执行的一个或多个安全功能（），以实现风险减小。识别安全功能的主要目的就是确定通过控制系统实现的保护措施。通过控制系统实现的保护措施，即为进行风险减小的安全功能。例如，联锁装置可实现安全联锁这一个安全功能，但不带联锁装置的活动式防护装置无法实现这一安全功能。规定安全功能的特征宜根据应用场合和具体危险规定安全功能需具备的特征。例如，如果存在抛射物，采用光幕就不合适，可以采用活动式防护装置。如果类标准没有相关规定，安全功能可由机器设计者定义，如：）运动的受控停止以及在静止位置宜使用固定抱闸；）防止轴气缸在设定模式下掉落；）人员进入机械臂危险区之前机械臂能主动降速；）防止人员被困；）人员操作压力机时，如有其他人员在危险区内，通过光幕检测来阻止压力机危险运动的触发。表根据 的表对主要安全功能进行了总结，并增加了各种可能应用的示例。表典型安全功能及应用示例安全功能应用示例由安全防护装置触发的安全相关停止功能由安全转矩关断（）、安全停止（）或安全停止（）响应防护装置的触发手动复位功能确认已离开防护装置保护区域启动重启功能带启动功能的联锁防护装置允许重启本地控制功能从危险区内的某个位置控制机器运动抑制功能保护装置临时性暂停，如材料输送过程中保持运行功能从危险区内的某个位置控制机器运动，如设定过程中防止意外启动操作者在危险区进行人为干预犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网表典型安全功能及应用示例（续）安全功能应用示例受困人员的撤离和营救在危险区触发联锁装置的紧急逃生装置能源隔离和耗散功能打开液压阀门释放压力控制模式和模式选择通过操作模式选择开关激活安全功能急停功能由安全转矩关断（）或安全停止（）响应急停装置的致动 确定所需性能等级各安全功能要求的风险减小程度会有差别。在 中，风险减小的程度由性能等级（）确定。安全控制系统实现的安全功能的安全性能评估通过个性能等级（）表示，每一级性能等级对应一个每小时危险失效概率（）范围，与的对应关系见表。表犘犔与犘犉犎犇的对应关系性能等级（）平均每小时危险失效概率（）宜给每一个预定安全功能规定所需性能等级（），即技术目标值。宜优先按照类标准确定安全功能的，如注塑设备的类标准中规定合模区操作侧的安全联锁功能的需要达到，即。如果没有合适的类标准，可根据图直接得出。注：具体参数的选择见 的附录。每个安全功能都宜根据图确定。犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网标引序号说明：估计安全功能对风险减小的作用的起始点；对风险减小的作用小；对风险减小的作用大；所需性能等级风险参数；轻微（通常是可恢复的伤害）；严重（通常是不可恢复的伤害或死亡）；很少不常和或暴露时间短（通常是累计的暴露时间不超过总运行时间的 且频率不超过每 次）；频繁连续和或暴露时间长（不符合 的情况）；在特定条件下可能（见 的 ）；几乎不可能（见 的 ）。图用于确定安全功能犘犔狉的风险图 编制安全需求说明编制安全需求说明是安全控制系统设计的必要步骤。安全需求说明宜通过文档的方式，识别出实现安全功能的各个安全控制子系统，并对相应的安全功能加以阐述。安全需求说明宜详细说明机器安全控制系统中包含的各个安全功能，包括每个安全功能需要达到的、实现每个安全功能所需的安全控制子系统（包括相关的输入、逻辑和输出）以及各安全控制子系统之间的逻辑关系。安全需求说明宜包含以下内容：）文档状态：）文档编号；）模板版本管理；）项目版本管理；）术语；）安全控制系统设计责任约定；）系统概览：）安全功能定义；）功能名称；）功能描述；犌犅犜 www.biaozhun.org 标准网）涉及的安全控制子系统；）所需性能等级；）信号处理（如果存在）。在编制安全需求说明时，即使用于实现安全功能的安全控制子系统都相同，这些安全功能也宜分开定义。因为，其中的逻辑处理可能不同，例如一个安全功能需要断电延时切断执行机构，而另一个则需要瞬时切断执行机构。与之相类似，如果使用相同的逻辑实现不同的安全功能，也宜将安全功能分开描述。因为用于实现安全功能的安全控制子系统可能不同，从而导致安全功能可靠性存在差异。安全控制系统软件、硬件设计以及安全功能验证等后续步骤均需根据安全需求说明的内容实施。安全控制系统的设计 概述一旦定义了确切的安全功能、所要求的风险减小以及，宜确定执行安全功能的安全相关部件，如选择安全光幕作为输入子系统、安全可编程控制器作为逻辑处理子系统、接触器作为输出动力子系统以及相互连接方式。典型安全控制系统如图所示。标引序号说明：、安全控制子系统；输入（例如：限位开关、传感器、）；逻辑（例如：安全继电器、安全可编程控制器）；输出（例如：阀、接触器）；触发事件（例如：手动致动按钮、打开防护装置、中断光束）；机器执行器（例如：电动机、气缸）；犻、犻 相互连接方式（例如：电气连接）。图实现安全功能的典型安全控制系统示意图进一步的安全控制系统设计包括定性设计和定量设计两方面。在定性设计阶段，主要考虑安全控制系统的架构类别。系统架构类别共有种（由低到高分为、和），架构的类别越高，则安全控