4. 安全功能与安全回路基础

机器安全工程的核心，是把“人可能受到伤害的路径”用技术手段切断或限制。安全功能就是这种切断或限制的具体实现：当危险状态出现时，机器必须进入安全状态。安全PLC并不直接“感知”危险，它通过安全输入回路采集急停按钮、安全门开关、光幕、安全地毯、双手控制按钮等信号，经安全逻辑运算后驱动安全输出，最终作用于接触器、变频器STO、安全阀等执行机构。理解这一链路，是后续编程与接线的基础。

安全回路的基本结构

一个完整的安全回路通常包含四个环节：检测（安全输入元件）、处理（安全PLC或安全继电器）、执行（安全输出与执行机构）、监控（反馈与诊断）。安全输入元件多为双通道结构，例如急停按钮带两副常闭触点，安全门开关带两个独立触点或采用编码磁开关。双通道的意义在于：单点故障不会导致安全功能丧失，且通道间的不一致可被诊断出来。

安全PLC对输入的处理不是简单的“通/断”，而是持续进行一致性检查、交叉短路检测和时序监控。以双通道急停为例，两个通道必须在设定的不一致时间（Discrepancy Time，常见设定为100～500 ms）内达到相同状态，否则PLC报错并进入安全状态。这个参数是实际调试中最常调整的项之一。

急停功能

急停是最典型的安全功能，其目标是“随时可手动触发，触发后机器立即停止并保持停止”。急停按钮必须采用机械自锁结构，按下后保持锁定，必须手动旋转或拔出才能复位。触点配置通常为两常闭（2NC），分别接入安全PLC的两个独立输入通道。

在安全PLC中，急停逻辑通常包含：双通道输入均正常时输出使能；任一通道断开则立即切断安全输出；复位时必须先确认按钮已释放，再通过单独的复位按钮触发上升沿，且此时执行机构反馈必须已回到安全位置。若反馈未到位，复位被拒绝。这一“复位条件”是防止误复位的关键。

安全门监控

安全门用于隔离危险区域，门打开时机器必须停止。常见实现有两种：机电式安全门开关和编码磁开关。机电式开关带强制断开触点，可靠性高但无防篡改能力；编码磁开关采用脉冲编码，可识别门是否被旁路或使用备用磁铁欺骗。

安全PLC对安全门的处理与急停类似，但通常增加门锁控制：当机器未完全停止时，门锁保持锁定，防止人员进入。门锁的解锁条件通常是“安全输出已切断 + 停止时间已到 + 速度已降至安全阈值以下”。对于有惯性负载的设备，停止时间需要实测确定，不能凭经验估计。

安全光幕

安全光幕由发射器和接收器组成，形成红外光幕。当光束被遮挡时，OSSD（Output Signal Switching Device）输出从高电平切换到低电平。安全PLC接收OSSD信号，经双通道处理后切断安全输出。

光幕的关键参数包括分辨率（如14 mm、30 mm）、保护高度和响应时间。分辨率决定能检测到的最小物体，手指保护通常选14 mm，手掌保护选30 mm。安全距离必须根据光幕响应时间、PLC扫描时间、执行机构停止时间计算，确保人体在到达危险点之前机器已停止。

安全地毯

安全地毯是一种压敏式安全输入，通常采用四线制：两根为检测线，两根为触发线。当有人踩踏时，内部触点闭合，信号送入安全PLC。安全地毯适用于无法安装光幕的大面积区域，但需注意其响应时间较长，且不能区分“人”和“重物”。

在安全PLC中，安全地毯通常与光幕或安全门组成“区域互锁”：进入区域即触发停止，离开后需手动复位。地毯的边角区域灵敏度较低，安装时需确保有效踩踏面积覆盖整个危险区域入口。

双手控制

双手控制用于冲压、剪切等需要操作者双手同时离开危险区域的设备。两个按钮必须在同步时间窗（通常为0.5 s）内同时按下，且必须同时释放。若任一按钮提前释放或超时，安全输出立即切断。

安全PLC对双手控制的处理包括：两个输入通道的同步性检查、按钮释放后的复位禁止、以及防止一个按钮被卡住或旁路的逻辑。双手控制不能替代光幕或安全门，它只保护操作者本人，不保护旁观者。

安全PLC的对应处理要点

不同安全功能在PLC中的处理逻辑有共性也有差异。共性在于：双通道输入、一致性检查、复位条件、反馈监控。差异在于：急停要求最高优先级和最短响应；安全门需要门锁时序；光幕需要消隐（Muting）或屏蔽（Blanking）功能；安全地毯需要区域逻辑；双手控制需要同步时间窗。

实际编程时，建议为每个安全功能建立独立的功能块，输入输出接口标准化，便于复用和验证。例如急停功能块输入为：通道1、通道2、复位按钮、反馈触点；输出为：安全使能、故障代码。这样在后续章节的编程实操中，可以直接调用和组合。