4. 安全功能与安全性能等级
在机器安全系统规划中，安全功能（Safety Function）是贯穿风险评价、系统设计与最终验证的核心概念。它描述的是“当危险事件发生时，机器应如何响应才能把风险降到可接受水平”。安全性能等级（Performance Level, PL）与安全完整性等级（Safety Integrity Level, SIL）则是对这一响应能力可靠程度的量化表达。理解三者的定义、换算关系与确定方法，是正确选型SICK安全产品的前提。
一、安全功能的定义与描述规范
安全功能不是单个元件，而是一条完整的“检测—处理—执行”链路。例如“当安全门被打开时，危险运动应在300 ms内停止”，这条功能包含：安全门开关检测门位置、安全继电器或安全控制器处理信号、驱动装置切断电机动力。三者缺一不可，任何一环失效都可能导致功能失效。
描述安全功能时，应明确五个要素：触发条件（如安全门开启）、响应动作（如切断动力）、响应时间（如≤300 ms）、安全状态（如停止）、以及所需性能等级（如PL d）。缺少任一要素，后续的PL确定与验证都无从谈起。
安全功能描述示例：当安全光幕检测到人员进入危险区（触发条件），安全控制器应在20 ms内输出停止信号（响应），使冲压机在200 ms内达到安全停止状态（动作与时间），该功能需满足PL d（性能要求）。
二、PL与SIL的等级划分及对应关系
ISO 13849-1定义了五个性能等级：PL a、b、c、d、e，可靠性依次递增。PL由三个参数决定：结构类别（Category，B、1、2、3、4）、平均危险失效时间（MTTFd）、诊断覆盖率（DC）。IEC 62061则定义了SIL 1、SIL 2、SIL 3三个等级，由安全失效分数（SFF）和硬件故障裕度（HFT）决定。
两者并非一一对应，但存在常用换算关系：PL d大致对应SIL 2，PL e大致对应SIL 3，PL c大致对应SIL 1。实际工程中，若客户要求SIL 2，通常可选用满足PL d的架构与元件。需要注意的是，PL与SIL的评估方法不同，不能简单互换，换算仅用于初步选型参考。
| 性能等级 | 每小时危险失效概率PFHd（1/h） | 近似SIL | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| PL a | ≥10⁻⁵ 至 <10⁻⁴ | — | 低风险辅助设备 |
| PL b | ≥3×10⁻⁶ 至 <10⁻⁵ | — | 简单防护 |
| PL c | ≥10⁻⁶ 至 <3×10⁻⁶ | SIL 1 | 一般机械防护 |
| PL d | ≥10⁻⁷ 至 <10⁻⁶ | SIL 2 | 冲压、剪切、机器人 |
| PL e | ≥10⁻⁸ 至 <10⁻⁷ | SIL 3 | 高风险危险源 |
三、性能等级确定方法
PL的确定遵循“风险评估→所需PL（PLr）→系统实现PL→验证”的路径。首先通过ISO 12100风险评价确定风险等级，再依据ISO 13849-1附录A的风险图确定PLr。风险图考虑三个参数：伤害严重度（S1轻微、S2严重）、暴露频率（F1少、F2频繁）、规避可能性（P1可能、P2几乎不可能）。
例如：S2、F2、P2的组合对应PLr = PL d。确定PLr后，设计者需选择满足该等级的结构类别、元件MTTFd和DC，计算系统实际PL。若实际PL低于PLr，必须改进架构或更换更高可靠性元件。
四、SICK产品选型逻辑
SICK的安全产品线覆盖从PL c到PL e的完整需求。选型时，先根据PLr确定所需等级，再匹配对应产品类别。对于PL c应用，如一般机械防护门监控，可选用UE10系列安全继电器，结构简单、成本低。对于PL d应用，如冲压机安全光幕控制，推荐Flexi Soft安全控制器，支持模块化扩展和诊断功能。对于PL e应用，如机器人围栏与安全门联锁，需选用Flexi Soft XT或安全PLC，具备更高诊断覆盖率和冗余架构。
选型时还需注意：安全光幕本身通常只提供检测功能，其PL等级需与控制器、执行器组合计算。例如SICK microScan3安全激光扫描仪可达PL d，但若控制器仅PL c，系统整体仍为PL c。因此，必须按整条链路计算，不能只看单个元件。
选型口诀：先定PLr，再选架构；检测、处理、执行三段都要达标；单件高PL不等于系统高PL，链路短板决定整体等级。
五、验证要点
完成设计后，需通过计算和测试验证实际PL。计算时，依据ISO 13849-1附录K获取元件MTTFd，结合DC和Category计算PFHd。测试时，应模拟触发条件，测量响应时间是否满足安全功能描述中的要求。例如，用秒表或示波器测量从光幕遮挡到电机断电的时间，若超过300 ms，则需调整控制器参数或更换更快执行元件。
验证通过后，应记录安全功能描述、PLr、实际PL、计算依据和测试结果，形成安全功能验证报告。这份报告是后续维护和改造的重要依据，也是合规审查的关键文件。