2. 安全传感技术基础
在机器安全控制系统中，传感器是风险识别的“第一道眼睛”。普通传感器只负责把物理量转换为电信号，而安全传感器还必须保证：当危险状态出现时，它能够可靠地进入安全状态，并且这种可靠性可以被量化、被验证。理解安全传感器的分类、安全信号的定义、OSSD 输出以及 SIL/PL 等级，是后续选型、接线和验证的基础。
一、安全传感器分类：按检测对象与安全功能划分
安全传感器并不是一个单一品类，而是围绕“检测什么、保护谁、触发什么安全功能”形成的一组器件。工程上常按检测对象和安全功能分为以下几类：
- 安全光幕/光栅：用于检测人员进入危险区域，如冲压机、机器人工作站入口。典型安全功能是“遮挡即停止”。
- 安全激光扫描仪：在二维平面内扫描，可设置警告区和保护区，常用于 AGV、移动机器人或地面危险区域监控。
- 安全门开关/安全门锁：检测防护门是否关闭并锁定，防止人员在设备运行时进入。
- 安全地毯/安全触边：通过压力或接触触发，用于检测人员站立或碰撞。
- 安全雷达/安全超声波：用于非接触式区域监控，适合粉尘、光照变化等复杂环境。
- 安全编码器/安全速度传感器：检测转速、角度、位置，用于超速、低速、静止监控。
- 安全逻辑器件：如安全继电器、安全 PLC，虽不直接感知物理量，但承担安全信号的处理与输出。
分类的核心不是“用了什么原理”，而是“它承担了哪一项安全功能”。同一物理原理的传感器，如果未按安全标准设计和认证，就不能作为安全传感器使用。
二、安全信号定义：从“普通信号”到“安全信号”
普通信号只要求“有信号”或“无信号”，而安全信号必须满足两个额外条件：故障时导向安全状态，以及信号状态可诊断。安全信号通常采用“常闭”或“动态脉冲”等设计，使得断线、短路、器件失效等故障不会被误判为“安全”。
例如，安全门开关常采用双通道触点：当门关闭时，两个通道分别输出不同电平或脉冲；当门打开或任一通道故障时，安全控制器能识别出不一致，从而触发停机。安全信号的定义可以概括为：
- 逻辑定义：明确“0”和“1”分别代表安全状态还是危险状态，通常“0”代表安全状态（去能量）。
- 时间定义：信号必须在规定响应时间内完成状态切换，如光幕响应时间 ≤ 20 ms。
- 故障定义：断线、短路、交叉连接、器件失效时，信号必须进入安全状态或产生诊断报警。
三、安全输出类型：OSSD 及其工作方式
OSSD（Output Signal Switching Device，输出信号切换装置）是安全传感器最常见的输出形式。它通常由两个独立的电子开关组成，分别输出 OSSD1 和 OSSD2。当传感器处于安全状态（如光幕未被遮挡）时，两路输出均为高电平；当检测到危险（如光幕被遮挡）时，两路输出同时切换为低电平，安全控制器据此触发停机。
OSSD 的关键特性包括：
- 双通道输出：两路信号必须同时切换，控制器检测两者一致性，防止单路故障导致误动作。
- 自诊断：OSSD 内部会周期性测试开关管，检测短路、断路、交叉连接等故障。
- 响应时间：从检测到危险到输出切换的时间，直接影响安全距离计算。
- 负载能力：OSSD 通常只能驱动安全继电器或安全 PLC 的输入，不能直接驱动大功率负载。
除 OSSD 外，安全输出还包括安全继电器触点、安全 PLC 的半导体输出、以及安全总线上的安全报文。不同输出类型在接线、诊断和响应时间上差异明显，需与安全控制器匹配。
四、安全完整性等级：SIL 与 PL 的概念与对应关系
安全完整性等级用于量化安全功能在单位时间内失效的概率。IEC 61508 定义了 SIL（Safety Integrity Level）1～4，ISO 13849 定义了 PL（Performance Level）a～e。两者目标一致，但计算方法和适用领域略有不同。
SIL 等级与每小时危险失效概率（PFH）的对应关系如下：
| SIL 等级 | PFH（每小时危险失效概率） | 典型应用 |
|---|---|---|
| SIL 1 | ≥10⁻⁶ 且 <10⁻⁵ | 一般机械防护 |
| SIL 2 | ≥10⁻⁷ 且 <10⁻⁶ | 常见工业安全回路 |
| SIL 3 | ≥10⁻⁸ 且 <10⁻⁷ | 高风险冲压、机器人 |
PL 等级则通过类别（Category）、MTTFd（平均危险失效前时间）、DC（诊断覆盖率）和 CCF（共因失效）综合评估。PL d 通常对应 SIL 2，PL e 对应 SIL 3。选型时，安全传感器、安全控制器和安全执行器必须共同满足目标等级，不能只看单个器件。
五、实际选型与验证要点
在实际工程中，可按以下思路完成安全传感器选型与验证：
- 确定安全功能与目标等级：例如“人员进入危险区时，机器在 200 ms 内停止”，目标 PL d。
- 选择传感器类型：根据检测对象选择光幕、激光扫描仪或门锁，并确认其安全等级不低于目标等级。
- 确认输出类型：优先选择 OSSD 输出，便于与安全控制器双通道对接；若使用安全总线，需确认报文安全等级。
- 计算响应时间与安全距离：安全距离 = 人体接近速度 × （传感器响应时间 + 控制器响应时间 + 机器停止时间）+ 附加距离。
- 验证诊断覆盖率：检查传感器是否具备短路、断路、交叉连接诊断，以及诊断覆盖率是否满足 PL d 要求。
- 记录与验证：将选型参数、响应时间、安全距离和验证结果形成文档，作为安全功能验收依据。
例如，某冲压机安全光幕响应时间为 15 ms，安全控制器响应时间为 20 ms，机器停止时间为 180 ms，人体接近速度取 1.6 m/s，则安全距离约为 1.6 × (0.015 + 0.020 + 0.180) = 0.344 m，再叠加附加距离后确定安装位置。该示例中的参数为教学假设值，实际工程需以器件手册和现场测量为准。