當標準解決方案失效時，哪種氣動安全系統設計可避免 98% 的嚴重傷害？

我所諮詢的每一位安全工程師都面臨著相同的挑戰：標準的氣動安全系統往往無法在高風險應用中提供足夠的保護。您可能曾經經歷過幾乎失誤的焦慮、因惱人跳脫而造成生產延誤的沮喪，或更糟的是，儘管有「合規」的系統，卻發生實際安全事故所造成的破壞。這些缺點讓工人容易受到傷害，也讓公司面臨重大責任。

最有效的氣動安全系統結合了快速反應的緊急 截止閥 (50ms 以下)、設計得宜 SIL 評級¹ 具有備援的安全電路，以及經過驗證的雙壓鎖定機制。與注重基本合規性的系統相比，這種全面的方法通常可將嚴重傷害風險降低 96-99%。

上個月，我與安大略省的一家製造廠合作，他們的標準氣動安全系統在維護期間未能防止意外的移動，導致嚴重受傷。在實施我們的全面安全方法之後，他們不僅消除了安全事故，而且由於減少了因擾人跳脫造成的停機時間，並改善了維護存取程序，實際上提高了 14% 的生產力。

目錄

• 緊急停止閥反應時間標準
• SIL 等級安全電路設計規格
• 雙壓鎖定機制驗證流程
• 總結
• 有關氣動安全系統的常見問題

為了防止傷害，緊急停止閥實際上需要多長的反應時間？

許多安全工程師在選擇緊急停止閥時，主要考量的是流量和成本，而忽略了反應時間這個關鍵因素。這種疏忽可能會造成災難性的後果，因為幾毫秒的差異可能會造成嚴重的傷害。

適用於氣動系統的有效緊急停止閥必須依據應用風險等級在 15 至 50 毫秒內達到完全關閉，在其使用壽命內維持一致的效能，並具備偵測退化的監控功能。最可靠的設計結合了具有動態監控閥芯位置和容錯控制架構的雙電磁閥。

緊急停止閥的全面反應時間標準

在分析了數百個氣動安全事故並進行了廣泛的測試後，我制定了這些針對特定應用的回應時間標準：

風險類別	所需的回應時間	閥門技術	監控要求	測試頻率	典型應用
極端風險	10-15ms	動態監控，雙電磁閥	連續週期監控、故障偵測	每月	高速沖床、機械人工作單元、自動切割
高風險	15-30ms	動態監控，雙電磁閥	位置回饋、故障偵測	季刊	材料處理設備、自動組裝、包裝機械
中等風險	30-50ms	靜態監控，雙電磁閥	位置回饋	每半年一次	輸送系統、簡單自動化、材料加工
低風險	50-100ms	帶彈簧回復的單電磁閥	基本位置回饋	每年	非危險性應用、簡單工具、輔助系統

回應時間測量與驗證方法

要正確驗證緊急停止閥的性能，請遵循此全面的測試協議：

第 1 階段：初步反應時間特性分析

透過嚴格的測試建立基準效能：

• 電子信號至初始運動
    測量從電氣斷電到第一次偵測到閥門移動之間的延遲時間：
    - 使用高速資料擷取 (最少 1kHz 取樣)
    - 在最低、額定和最高電源電壓下進行測試
    - 在最小、標稱和最大工作壓力下重複測量
    - 至少執行 10 個週期以建立統計有效性
    - 計算平均和最大回應時間

• 全行程時間測量
    確定閥門完全關閉所需的時間：
    - 使用流量感測器偵測完全停止的流量
    - 測量閥門下游的壓力衰減曲線
    - 根據流量減少計算有效關閉時間
    - 在各種流量條件下進行測試 (25%, 50%, 75%, 100% 的額定流量)
    - 記錄最糟的應變情況

• 系統回應驗證
    評估完整的安全功能效能：
    - 測量從觸發事件到危險動作停止的時間
    - 包括所有系統元件（感測器、控制器、閥門、執行器）
    - 在實際負載條件下進行測試
    - 記錄總安全功能回應時間
    - 與計算出的安全距離要求比較

第 2 階段：環境與狀態測試

驗證整個操作範圍內的性能：

• 溫度效應分析
    測試整個溫度範圍內的反應時間：
    - 冷啟動性能（最低額定溫度）
    - 高溫操作（最高額定溫度）
    - 動態溫度變化情境
    - 熱循環對反應一致性的影響

• 供應變異測試
    評估非理想供應條件下的效能：
    - 降低供氣壓力 (最低規格 -10%)
    - 供氣壓力升高 (最大指定 +10%)
    - 操作期間的壓力波動
    - 受污染的供氣（引入受控制的污染）
    - 電壓波動（額定值的 ±10%）

• 耐力表現評估
    驗證長期回應的一致性：
    - 初始回應時間測量
    - 加速壽命循環（最少 100,000 次循環）
    - 週期性響應時間測量
    - 最終回應時間驗證
    - 回應時間偏移的統計分析

第 3 階段：故障模式測試

評估可預見故障條件下的性能：

• 部分故障情境測試
    評估元件降解時的反應：
    - 模擬螺線管退化（功率降低）
    - 部分機械阻塞
    - 透過控制污染來增加摩擦力
    - 減少彈力（如適用）
    - 感測器故障模擬

• 常見故障原因分析
    測試對系統故障的應變能力：
    - 電源干擾
    - 壓力供應中斷
    - 極端環境條件
    - EMC/EMI 干擾測試
    - 振動和衝擊測試

個案研究：金屬沖壓作業安全升級

賓夕法尼亞州的一家金屬沖壓廠在一次緊急停機事件中，因氣壓機安全系統未能快速回應，導致幾乎發生事故。他們現有閥門的測量回應時間為 85 毫秒，這使得壓力機在光幕被觸發後仍能繼續移動 38 公釐。

我們進行了全面的安全評估：

初始系統分析

• 壓合速度：450mm/秒
• 現有閥門回應時間： 85ms
• 總系統回應時間：115 毫秒
• 偵測後的移動51.75 公釐
• 所需的安全停車性能：<10mm 移動

解決方案實施

我們建議並實施了這些改善措施：

組件	原始規格	升級規格	績效改善
緊急停止閥	單個電磁閥，85ms 回應	雙監控電磁閥，12 毫秒反應	85.9% 反應更快
控制架構	基本繼電器邏輯	具有診斷功能的安全 PLC	強化監控與備援
安裝位置	遠離致動器	直接安裝於汽缸上	減少氣動傳輸延遲
排氣量	標準消音器	高流量快速排氣	3.2 倍的壓力釋放速度
監控系統	無	動態閥位監控	即時故障偵測

驗證結果

實施後，系統實現了：

• 閥反應時間：12ms (85.9% 改善)
• 總系統回應時間：28 毫秒 (75.7% 改善)
• 偵測後的移動：12.6 公釐 (75.7% 改善)
• 系統現在符合 ISO 13855² 安全距離要求
• 額外優點：由於診斷功能的改進，22% 減少了滋擾性跳閘

實施最佳實務

以獲得最佳的緊急停止閥性能：

閥門選擇標準

專注於這些關鍵規格：

• 經核實的回應時間文件（不僅僅是目錄聲稱）
• B10d 值³ 或適合所需性能等級的 MTTFd 評級
• 閥位動態監控功能
• 適合風險等級的容錯能力
• 具有足夠安全餘量的流量容量 (最低 20%)

安裝指引

最佳化安裝，以獲得最快的回應：

• 閥門位置盡可能靠近驅動器
• 最小壓降的供給管路尺寸
• 以最小的限制達到最大的排氣量
• 針對大型汽缸實施快速排氣閥
• 確保電氣連接符合所需的反應時間

維護與測試規範

建立嚴格的持續驗證：

• 記錄調試時的基準回應時間
• 以風險適當的間隔定期執行回應時間測試
• 建立可接受的最大回應時間劣化 (通常為 20%)
• 建立明確的閥門更換或修復標準
• 維護符合性文件的測試記錄

如何設計能達到 SIL 等級的氣動安全電路？

許多氣動安全迴路的 SIL 等級都是紙上談兵，但由於設計疏失、元件選擇不當或驗證不足，在實際環境中卻無法達到 SIL 等級的效能。

有效的 SIL 等級氣動安全迴路需要根據可靠度資料、與所需 SIL 等級相符的架構、全面的失效模式分析，以及經驗證的驗證測試程序，進行系統化的元件選擇。最可靠的設計結合了多樣化的備援、自動診斷，以及根據計算結果定義的驗證測試間隔。 PFDavg⁴ 價值。

氣動安全電路的全面 SIL 設計架構

在實施了數百個 SIL 評級的氣動安全系統後，我開發了這種結構化的設計方法：

SIL 等級	所需的 PFDavg	典型架構	診斷範圍	驗證測試間隔	元件需求
SIL 1	10-¹ 至 10-²	1oo1 具備診斷功能	>60%	1-3 年	基本可靠度資料，中等 MTTF
SIL 2	10-² 至 10-³	1oo2 或 2oo3	>90%	6 個月 - 1 年	經過認證的元件、高 MTTF、故障資料
SIL 3	10-³ 至 10-⁴	2oo3 或更佳	>99%	1-6 個月	SIL 3 認證、全面的故障資料、多樣化的技術
SIL 4	10-⁴ 至 10-⁵	多種不同的備援	>99.9%	<1個月	經過類似應用驗證的專用元件

氣動系統的結構化 SIL 設計方法

若要正確設計 SIL 評級的氣動安全迴路，請遵循此全面的方法：

第 1 階段：安全功能定義

從精確定義安全需求開始：

• 功能需求規格
    記錄安全功能必須達成的確切目標：
    - 減輕的特定危害
    - 所需的回應時間
    - 安全狀態定義
    - 涵蓋的操作模式
    - 手動重設要求
    - 與其他安全功能整合

• SIL 目標確定
    建立所需的安全完整性等級：
    - 根據 IEC 61508/62061 或 ISO 13849 進行風險評估
    - 確定所需的風險降低
    - 計算目標故障概率
    - 指定適當的 SIL 目標
    - 記錄選擇 SIL 的理由

• 性能標準定義
    建立可衡量的績效要求：
    - 最大允許危險故障概率
    - 所需的診斷範圍
    - 最低硬體容錯
    - 系統能力需求
    - 環境條件
    - 任務時間與校驗測試間隔

第二階段：架構設計

開發可達到所需 SIL 的系統架構：

• 子系統分解
    將安全功能分解為可管理的元素：
    - 輸入裝置（例如緊急停止裝置、壓力開關）
    - 邏輯解算器（安全繼電器、安全 PLC）
    - 最終元件（閥門、鎖定裝置）
    - 子系統之間的介面
    - 監控和診斷要素

• 冗餘策略開發
    根據 SIL 要求設計適當的備援：
    - 元件備援（並聯或串聯安排）
    - 防止常見故障的多樣化技術
    - 投票安排 (1oo1, 1oo2, 2oo2, 2oo3, 等等)
    - 冗餘通道之間的獨立性
    - 常見故障原因緩解

• 診斷系統設計
    開發適合 SIL 的全面診斷方法：
    - 自動診斷測試及頻率
    - 故障偵測能力
    - 診斷範圍計算
    - 偵測到故障時的回應
    - 診斷指示器和介面

第 3 階段：元件選擇

選擇支援所需 SIL 的元件：

• 可靠性資料收集
    收集全面的可靠性資訊：
    - 故障率資料（已偵測到危險、未偵測到危險）
    - 氣動元件的 B10d 值
    - SFF (安全故障率) 值
    - 先前的操作經驗
    - 製造商可靠性資料
    - 元件 SIL 認證等級

• 元件評估與選擇
    根據 SIL 要求評估元件：
    - 驗證 SIL 能力認證
    - 評估系統能力
    - 檢查環境適用性
    - 確認診斷能力
    - 驗證與架構的相容性
    - 評估常見故障原因的易感性

• 失效模式分析
    進行詳細的故障模式評估：
    - FMEDA (失效模式、影響與診斷分析)
    - 識別所有相關的故障模式
    - 故障分類（安全、危險、已偵測、未偵測）
    - 常見故障原因分析
    - 磨損機制與任務壽命

第 4 階段：驗證與驗證

確認設計符合 SIL 要求：

• 定量分析
    計算安全績效指標：
    - PFDavg（平均需求故障概率）
    - HFT (硬體容錯)
    - SFF (安全故障率)
    - 診斷覆蓋百分比
    - 常見故障原因
    - 整體 SIL 成就驗證

• 驗證測試程序開發
    建立全面的測試協議：
    - 每個元件的詳細測試步驟
    - 所需的測試設備和設定
    - 及格/不及格標準
    - 測試頻率確定
    - 文件要求
    - 部分行程測試（如適用

• 文件包建立
    編寫完整的安全文件：
    - 安全要求規格
    - 設計計算與分析
    - 元件資料表與證書
    - 驗證測試程序
    - 維護要求
    - 修改控制程序

個案研究：化學加工安全系統

德州的一家化學加工廠需要為反應器緊急關閉功能實施 SIL 2 級氣動安全系統。該安全功能需要確保控制關鍵製程閥門的氣動執行器在緊急狀態下的 2 秒內可靠減壓。

我們設計了全面的 SIL 2 氣動安全迴路：

安全功能定義

• 功能：對氣動閥門執行器進行緊急減壓
• 安全狀態：所有製程閥均處於故障安全位置
• 反應時間：<2 秒完成減壓
• SIL 目標：SIL 2（PFDavg 介於 10-² 與 10-³ 之間）
• 任務時間：15 年，定期驗證測試

架構設計與元件選擇

子系統	建築	精選元件	可靠性資料	診斷範圍
輸入裝置	1oo2	具有比較功能的雙壓力變送器	λDU = 2.3×10-⁷/hour each	92%
邏輯求解器	1oo2D	帶有氣動輸出模組的安全 PLC	λDU = 5.1×10-⁸/hour	99%
最終要素	1oo2	雙監控安全排氣閥	B10d = 2.5×10⁶週期	95%
氣壓供應	系列備援	具備監控功能的雙重壓力調節器	λDU = 3.4×10-⁷/hour each	85%

驗證結果

• 計算出的 PFDavg：8.7×10-³（在 SIL 2 範圍內）
• 硬體容錯：HFT = 1（符合 SIL 2 要求）
• 安全故障率：SFF = 94%（超過 SIL 2 最低值）
• 共因因子：β = 2%（選擇多樣化的元件）
• 驗證測試週期：6 個月（根據 PFDavg 計算）
• 系統能力：SC 2（SC 2 或更高的所有元件）

實施成果

實施和驗證之後：

• 系統成功通過第三方 SIL 驗證
• 驗證測試證實計算性能
• 針對每月驗證實施部分行程測試
• 完整的驗證測試程序已被記錄與驗證
• 維護人員接受過系統操作和測試的全面訓練
• 系統在 3 年內成功執行了 12 次緊急停機

實施最佳實務

為了成功實現 SIL 評級的氣動安全電路：

設計文件要求

保持全面的設計記錄：

• 具有明確 SIL 目標的安全需求規格
• 可靠性方塊圖與架構細節
• 元件選擇理由和資料表
• 故障率計算與假設
• 常見故障原因分析
• 最終 SIL 驗證計算

應避免的常見陷阱

請注意這些常見的設計錯誤：

• 硬體容錯能力不足，無法達到 SIL 等級
• 架構的診斷範圍不足
• 忽略常見的故障原因
• 不適當的驗證測試時間間隔
• 缺乏有系統的能力評估
• 環境條件考量不足
• SIL 驗證文件不足

維護與變更管理

建立嚴格的持續流程：

• 具備明確合格/不合格標準的文件化驗證測試程序
• 嚴格的組件替換政策（同類組件替換）
• 任何修改的變更管理流程
• 故障追蹤與分析系統
• 定期重新驗證 SIL 計算結果
• 維修人員的訓練計畫

如何驗證雙壓鎖定機制以確保其實際運作？

雙壓鎖定裝置是防止氣動系統意外移動的關鍵安全裝置，但許多裝置在執行時卻沒有經過適當的驗證，造成了錯誤的安全感。

要有效驗證雙壓鎖定裝置，必須在所有可預見的操作條件下進行全面測試、失效模式分析，以及定期進行效能驗證。最可靠的驗證程序結合了靜態壓力保持測試、動態負荷測試和加速生命週期評估，以確保裝置在整個使用壽命中性能一致。

全面的雙壓鎖定機制驗證架構

在實施並驗證了數百個雙壓鎖系統之後，我開發了這個結構化的驗證方法：

驗證階段	測試方法	驗收標準	文件要求	驗證頻率
設計驗證	有限元分析5、原型測試、故障模式分析	在 150% 額定負載下零移動，故障安全行為	設計計算、測試報告、FMEA 文件	設計階段一次
生產驗證	負載測試、週期測試、回應時間測量	100% 鎖接合，性能穩定	測試證書、性能資料、可追溯性記錄	每個生產批次
安裝驗證	現場負載測試、時序驗證、整合測試	實際應用中的適當功能	安裝清單、測試結果、試車報告	每個安裝
定期驗證	目視檢查、功能測試、部分負載測試	性能維持在原來規格的 10% 以內	檢驗記錄、測試結果、趨勢分析	根據風險評估（通常為 3-12 個月）

結構化雙壓鎖定機制驗證流程

若要正確驗證雙重壓力鎖定裝置，請遵循此綜合程序：

階段 1：設計驗證

驗證基本設計概念：

• 機械設計分析
    評估基本機械原理：
    - 所有條件下的力平衡計算
    - 關鍵元件的應力分析
    - 公差堆疊分析
    - 材料選擇驗證
    - 耐腐蝕性與耐環境性

  
  
• 
  

  失效模式與影響分析
    進行全面的 FMEA：
    - 識別所有潛在故障模式
    - 評估故障影響和關鍵性
    - 確定偵測方法
    - 計算風險優先順序數 (RPN)
    - 針對高風險故障制定緩解策略

• 原型性能測試
    透過測試驗證設計效能：
    - 靜態保持能力驗證
    - 動態接觸測試
    - 回應時間測量
    - 環境條件測試
    - 加速生命週期測試

第二階段：生產驗證

確保一致的製造品質：

• 元件檢驗規範
    驗證關鍵元件規格：
    - 鎖定元件的尺寸驗證
    - 材料認證確認
    - 表面光潔度檢查
    - 適用的熱處理驗證
    - 關鍵元件的非破壞性測試

• 組裝驗證測試
    確認正確的組裝和調整：
    - 鎖定元件的正確對齊
    - 彈簧和機械元件的正確預壓
    - 緊固件的適當扭力
    - 正確密封氣動迴路
    - 正確調整任何可變元件

• 功能性能測試
    安裝前請先驗證操作：
    - 鎖定嚙合驗證
    - 保持力測量
    - 參與/脫離時間
    - 氣動迴路的洩漏測試
    - 循環測試（最少 1,000 次循環測試）

第 3 階段：安裝驗證

在實際應用中驗證效能：

• 安裝驗證核對表
    確認適當的安裝條件：
    - 安裝校準與穩定性
    - 氣動供氣品質與壓力
    - 控制訊號完整性
    - 環境保護
    - 檢查和維護的可及性

• 整合系統測試
    驗證完整系統內的效能：
    - 與控制系統互動
    - 回應緊急停止訊號
    - 實際負載條件下的性能
    - 與作業週期相容
    - 與監控系統整合

• 應用程式特定負載測試
    在實際條件下驗證效能：
    - 最大應用負載下的靜態負載保持測試
    - 正常操作時的動態負載測試
    - 操作條件下的抗震性
    - 溫度循環（如適用
    - 相關的污染物接觸測試

第 4 階段：定期驗證

確保持續的效能完整性：

• 目視檢查規範
    開發全面的視覺檢查：
    - 外部損壞或腐蝕
    - 液體洩漏或污染
    - 緊固件或連接鬆脫
    - 校準和安裝完整性
    - 磨損指示器（如適用

• 功能測試程序
    建立非侵入性的效能驗證：
    - 鎖定嚙合驗證
    - 在測試負荷減少的情況下保持
    - 定時測量
    - 洩漏測試
    - 控制信號回應

• 全面定期再認證
    建立主要驗證間隔：
    - 完全拆卸和檢查
    - 根據狀況更換元件
    - 重新組裝後進行全負載測試
    - 文件更新和重新認證
    - 使用壽命評估與延長

個案研究：自動化材料處理系統

伊利諾州的一家配送中心發生了一起嚴重的安全事故，高架物料搬運系統的雙壓鎖定裝置失靈，導致負載意外下降。調查發現，鎖定裝置在安裝後從未進行適當的驗證，而且出現了未被發現的內部磨損。

我們制定了全面的驗證計劃：

初步評估結果

• 鎖定設計：雙壓力對置活塞設計
• 工作壓力：額定 6.5 巴
• 負載能力：額定負載 1,500 公斤，操作負載 1,200 公斤
• 故障模式：內部密封退化導致壓力衰減
• 驗證狀態：僅初始出廠測試，無定期驗證

驗證計劃的實施

我們實施了這種多階段驗證方法：

驗證元件	測試方法	結果	糾正行動
設計審查	工程分析、FEA 建模	設計邊界足夠，但監控不足	增加壓力監控，修改密封設計
失效模式分析	全面的 FMEA	發現 3 種未偵測到的關鍵故障模式	針對每個關鍵故障模式實施監控
靜態負載測試	增量負載應用於額定容量的 150%	設計修改後所有機組均通過	設定為年度測試要求
動態性能	負載循環測試	2 個裝置顯示接合速度比指定的慢	使用增強元件的重建裝置
監控系統	帶警報的持續壓力監測	成功偵測模擬洩漏	與設施安全系統整合
定期驗證	制定三層檢驗計畫	建立基準績效資料	建立文件和訓練計畫

驗證計劃結果

實施全面驗證計劃後：

• 100% 的鎖定裝置現已符合或超越規格
• 自動化監控提供持續驗證
• 每月檢查計劃可及早發現問題
• 年度負載測試證實持續效能
• 自實施以來的 30 個月內零安全事故
• 額外效益：緊急維修減少 35%

實施最佳實務

用於有效的雙壓鎖定機制驗證：

文件要求

保持全面的驗證記錄：

• 設計驗證報告和計算
• 生產測試證書
• 安裝驗證檢查清單
• 定期檢查記錄
• 故障調查和糾正行動
• 修改歷史和重新驗證結果

測試設備與校正

確保量度的完整性：

• 具有有效校準的負載測試設備
• 具備適當精確度的壓力測量裝置
• 回應驗證的定時測量系統
• 必要時提供環境模擬能力
• 自動化資料擷取，確保一致性

驗證計畫管理

建立健全的管理流程：

• 驗證活動的明確責任分配
• 驗證人員的能力要求
• 管理層審核驗證結果
• 驗證失敗的修正行動程序
• 持續改善驗證方法
• 驗證程式更新的變更管理

總結

要實施真正有效的氣動安全系統，除了基本的合規性之外，還需要全面的方法。透過專注於所討論的三個關鍵要素 - 快速反應的緊急停止閥、設計得宜的 SIL 評級安全迴路，以及經過驗證的雙壓力鎖定機制 - 機構可以大幅降低嚴重傷害的風險，同時經常改善作業效率。

最成功的安全實作是將驗證視為一個持續的過程，而非一次性的活動。透過建立健全的測試規範、維護完整的文件，以及持續監控效能，您可以確保氣動安全系統在其使用壽命內提供可靠的保護。

有關氣動安全系統的常見問題

1. 詳細解釋安全完整性等級 (SIL)，這是根據 IEC 61508 等標準所定義的按需故障概率 (PFD) 來衡量安全系統效能的一種方法。 ↩

2. 提供有關 ISO 13855 國際標準的資訊，該標準根據人體部位的速度和安全功能的整體停止時間，規定了定位保障的參數。 ↩

3. 解釋 B10d 的概念，此可靠度指標代表機械或氣動元件樣本的 10% 預計發生危險故障的循環次數，用於安全計算。 ↩

4. 說明需求故障概率 (PFDavg)，即發生需求時，安全系統無法執行其設計功能的平均概率，這是決定系統 SIL 的關鍵指標。 ↩

5. 概述有限元素分析 (FEA)，這是一種電腦化的方法，透過將產品分解為有限數量的小元素，預測產品對於真實力、振動、熱力和其他物理效果的反應。 ↩