安全光幕究竟是什麽？

世界各地都用到安全光幕來保護工廠工作人員。 儘管此項技術已面世近70年，但是許多應用仍未充分利用安全光幕的可能性。本文中，筆者將重新評估光幕對於您的機器安全、生產控制及生產效率所具有的效用，並在其中結合了目前可用的功能與特色。現在，光幕已經無處不在，以至於我們特別容易將其當成簡單的裝置：不易失靈、安裝方便，還可以取代防護欄，使之不再成為必需。然而隨著時間的發展，人們開發出的光幕產品種類越來越多。現在，它可以完成多項功能，並為企業的生產能力做出了積極貢獻。它可以整合至本地工廠網路，從而改進工廠的自動化。

光幕的歷史

1951年，Erwin Sick在慕尼黑舉辦的「德國發明家與新產品展覽會」上推出了他發明的光幕的第一個木製模型。同年他為採用自動校準原理的光幕申請了專利，這被認為是一項技術突破，這項我們如今已十分熟悉的技術就此開始發展——這項技術曾為無數人避免因機器帶來的危險而受傷或死亡。當今時代，軟體和硬體的發展從根本上改變了安全光幕的多樣性及用途。儘管光幕的最重要特性仍與以前一樣，但是其蘊含的潛力可能仍然並未得到充分發掘。

光幕的規範

目前並沒有單純的安全光幕標準型產品，因為所有製造商各自的產品系列都有不同的尺寸、形狀、解析度等。但是每種安全應用的出發點都是為了防止危險，保護自身，以及防護此危險存在的空間。在此基礎上，人們對光幕的物理特性提出了諸多要求。目前，EN ISO 13855標準是安全光電感測器定位的協調標準文件，可幫助使用者確定物理特性。本節筆者將介紹需要遵守的最重要規範。還有一些其他的特性，如IP等級、耗電量、顯示器等，在此不予贅述。

掃描範圍

掃描範圍是指投光器與受光器之間的最大距離。對於主動／被動元件，主動與被動系統件之間的距離亦被稱為掃描範圍。產品或具有固定掃描範圍、可選掃描範圍（如小／大），或具有可自動化調整的掃描範圍（啟動時基於投光器與受光器之間的距離調整靈敏度）。 選擇合適的掃描範圍，可確保安全光電感測器最適合相關應用，例如在較短距離上使用一台性能高、掃描範圍大的裝置時，附近表面的反射可能會使裝置變得不可靠。另一方面，防護較大範圍時，可能需要掃描範圍大的裝置。

防護區域高度

必須根據通往危險點的通道選擇安全光幕的高度。例如，如果要用光幕對危險點進行逐點防護，則光幕必須覆蓋整個開口。但如果將安全產品用作通道防護，則視所需光束的數量及離地高度（包括可能的超高部分）而定，可使用不同的高度。

解析度

此外，光幕的解析度會影響相對於危險源的安裝位置。經常用到「手指檢測」和「手部檢測」的説法，指的是14或30 mm的解析度值。但是光幕與多光軸系統還可以有不同的解析度或光軸分離（如20 mm、40 mm、200 mm等）。解析度越高，安全光幕的檢測能力就越強。因此裝置可以安裝在更靠近危險源的地方（即：14 mm光幕可以比30 mm光幕安裝在更近處）。EN ISO 13855標準包含安裝距離的許多不同的計算方法。其中，解析度具有重要意義。基本公式如插圖2所示：

標準中還包括其他內容，如接近的方向、可能的超大等。對於較大距離及通道防護，通常有400 mm光軸分離已足夠。但是，當有人站在光幕或多光軸安全設備後方時，如果要將機器復歸，可能需要用到附加的人員存在辨識設備。為了顧及上述事項，應按照EN ISO 12100協調標準進行徹底的風險評估。解析度較高的光幕通常要比解析度低的貴，但是如果換成較低解析度，意味著必須擴大安全光幕與危險之間的距離，這在工廠車間內往往不管用甚至無法實現。

產品型號

針對應用範圍選擇安全設備時，可使用EN ISO 13849協調標準或IEC 62061標準，來設計安全相關的控制系統部件（SRP/CS）。根據安全功能（例如透過安全光幕觸發停止）的定義，必須確定當存在風險時相關SRP/CS應達到的效能等級（PL）或安全完整性級別（SIL）。筆者在此不詳細討論功能安全，但是對於安全光電防護設備（ESPE），根據IEC 61496標準，安全產品與安全功能可達到的PL/SIL值直接相關。下方插圖3就顯示了這種關聯。

如果要求PLe/SIL3，例如用於防護動力沖床，則需要用到4類裝置。

主動／被動系統

為了減少通道防護所需的佈缐操作、降低成本，可使用主動／被動系統。主動／被動系統由兩部分組成。一個部分包括投光器與受光器元件，另一個部分則包括用於將光束引導回受光器的反射鏡等，見插圖4。 由於反射鏡會使光束强度減弱，因此主動／被動系統設計的距離通常要比投光器／受光器系統短得多。

安全光幕的功能

光幕最簡單的功能是截斷光束，以關斷輸出功能，從而停止與之相連的危險運動。若未發生異常，且檢測範圍安全，則可進行復歸。這種類型的安全停止／啟動程序會干擾生產流程，妨礙生產效率。因此，在過去半個世紀中，人們對光幕進行了改進，新增了各項功能，如內部重啟鎖定、外部設備監控（EDM）、光束編碼、靜默、屏蔽、圖案辨識等。

重啟鎖定

兩種最重要的可調鎖定模式是：自動化——光束不被截斷時，輸出信號切換裝置（Output signal switching device，安全關閉元件）處於開啟狀態；手動——光束不被截斷、然後按下復歸按鈕時，輸出信號切換裝置處於開啟狀態。注意，只在特殊情況下才能使用自動化重新啟動，即：無法檢測到人員站在光幕後方（例如對於僅容手臂通過的小型沖床），見插圖5。必要時還有其他要求。

當安全光電感測器具有相應能力時，可透過外部安全繼電器、安全可編程邏輯控制器或在內部進行手動復歸。

外部設備監控（EDM）

實施故障檢測可提高安全功能的水平。計算SRP/CS的性能等級所用的EN ISO 13849協調標準中用到了診斷覆蓋（DC）一詞，就是用來衡量這種能力。診斷覆蓋用來表示辨識到了多少次危險的停機。 上述標準中列出了一種行業廣汎應用的方法，其診斷覆蓋達到99%（即能夠檢測99%的危險停機），被稱為外部設備監控（EDM, External Device Monitoring）。此項監控功能是安全設備主動監控其控制的外部裝置狀態的一種手段，例如初級機器控制元件（觸動器或繼電器）。由於外部裝置通常不具備自帶的診斷功能，因此有必要這樣做。當辨識到外部裝置處於不安全的狀態時，安全設備可以觸發鎖定。這是透過監控在內部有物理連缐的外部裝置附加通道進行的。安全設備的輸出切換至HIGH時，如果系統處於安全狀態，則從終端開關放大器返回的外部設備監控信號必須切換至LOW。否則存在故障。插圖6所示為在安全繼電器內以及直接在安全光幕內實施的範例。

屏蔽

在部分應用中，有必要使特定物體伸入防護區域內，同時不會透過信號提示禁用檢測範圍。例如當使用工作台或機架，以便為機器裝載沉重的工件時，可使用屏蔽功能，它將改變光幕的檢測能力，但同時不會中斷工作流程。這種屏蔽可以是固定的，也可以是移動的，以使物體的位置可變。見插圖7。

靜默

在許多安全光電感測器應用中，安全設備必須能夠既讓物體通過，又能對存在人員作出反應。對於將產品從一個生產區域輸送至另一個生產區域的輸送帶，或者在應使工作人員遠離開展自動化堆垛與貨架作業區域的自動化倉儲企業，這一點尤為重要。

可以使用感測器來識別物體（例如卡車車身），或者在持續檢測是否存在人員的同時，根據形狀與尺寸使物體能夠通過危險區。這是自動化進行的，被稱為靜默。兩種最常用的靜默方法分別是交叉式靜默和四感測器靜默，如插圖8所示。

還有其他許多靜默的方法，包括使用直接反射式光電感測器、地面感應條、使用安全區域雷射掃描器、部分靜默（或部分屏蔽）等。使用安全設備檢測人員時，可以參考IEC/TS 62046技術規範。此處需指出靜默與繞行靜默之間的區別：靜默是自動化的；而繞行則是由操作人員選擇的模式，此時將採取其他防護措施（如放行設備），即手動法。

與靜默相關的另一個術語是「超控」，即在靜默條件下發生故障後觸發靜默的一種手動觸發器。這樣可以讓系統明白，例如有一塊拖板卡在安全光幕內，輸送機已暫停，但是輸送機需要臨時通電才能取走拖板。

圖案辨識

還有一些安全光幕能夠對單個光束運行複雜的演算法。它不僅能辨識光束是否被阻斷，還能辨識哪些光束被阻斷，以及其排列的順序。

光幕能可靠辨識圖案、物體與方向，並確保安全，同時已知的圖案還能繼續進出光幕的檢測範圍。此外，不需要附加的感測器或控制器。這種强大的功能可大幅提高可用性及安全性，同時允許物料通過。C4000 Fusion就是此類裝置的範例。見插圖9。

光束編碼

由於紅外光譜內的光學頻率相似，在近處使用多個安全光幕時系統之間會出現干涉。這會引發危險情況。未避免這一問題，某些安全光幕有一個光束編碼，使受光器能夠區分特定投光器的光束，不受附近另一台裝置的影響。但此光束編碼被啟動時，又會影響安全光幕的反應時間與掃描範圍。在確定安裝距離時應顧及這一點。

總結：安全光幕與多光軸安全設備是什麽？

當代安全設備更加貼合工業界的需求，可執行大量手動及自動化程序，確保其有助於提高安全與生產能力，而不會影響其效率。但是有必要知道安全光幕具有哪些特色與功能，這些在應用中是否需要用到。

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