光幕的規格及採購

光幕是一種隔開危險機械軸的安全裝置，以免操作員及其他廠區人員在機器附近作業或使用機器時受傷。光幕使用棒狀的發射器產生光電光束，再由接收器偵測光束 (圖 1)。當任何光束中斷時，會向機器控制器發出訊號，指出工作區域內出現動作，因此應停止或放慢速度，以免對操作人員造成危害。安全光幕的採用日益增加，因為比起圍欄式邊界，比較不會阻礙視線且更容易配置。

圖 1：現今的光幕為機器帶來前所未有的安全性。許多光幕的設計，是為了在更換以區域感測器為基礎的安全系統時，讓流程簡化。(圖片來源：Design World)

本文概述選定與安裝光幕時的考量事項。由於此作業攸關安全性，因此在嘗試進行安裝前，必須參照所有相關的國內與國際標準。更理想的是採用專業安裝人員的服務，因為他們已習慣根據這些標準進行作業。本文應視為某些相關標準的介紹及指引，其中的背景知識有助於與專業的安全系統安裝人員討論設計要求。

識別危害與風險

在選定任何安全系統前，應對要防範的危險機器進行完整的風險評估。這可確定機器的危險區域範圍及可能的進入點。危險源的風險等級在制訂適當防範措施的規格時是相當重要的一環。

感測器的最小偵測能力

感測器的最小偵測能力是指觸發光幕的最小物體尺寸。不同的光幕採用的光束間距也不相同。如果光束之間的距離為直徑 5 mm，無論將手指穿過光幕何處，都會發出停止命令。但是，如果感測器的最小偵測能力為 150 mm，廠區人員可能整隻手臂都伸到光幕區域內部，也不會觸發機器停止。光幕可偵測的物體尺寸，將決定光幕需距離機器危險部分的距離。

最小距離

光幕與護罩不同，不會實際阻止人員進入危險區域，而是會發出命令，讓危險作業停止或減慢至安全速度。這表示光幕必須放在離危險源夠遠的位置，才能在人員接觸到機器之前，有時間讓機器停下來 (圖 2)。這個距離由三個參數決定，即整體系統停止效能、入侵距離及接近速度。

圖 2：要制訂適當的光幕規格，需要準確計算光幕感測區域和機器危險區域之間的安全距離，並持續維持此距離或更長的距離。目前有許多標準可協助指定此距離，而且事實上，EN ISO 13855 安全距離標準已被縮短，可利用能力越來越高的光幕，以支援更加緊湊的生產機器。(圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales)

整體系統停止效能係指人員通過光幕和機器實際停止之間的總歷時。此時間包含電氣控制系統的延遲以及慣性效應，後者決定運作中的機器多快能停止。整體系統停止效能由變數 T 來表示。

入侵距離係指手指或手部等較小的身體部位，通過光幕後朝危險區域趨近，卻又不會觸發停止命令的最遠距離。當感測器的最小偵測能力較大時 (可能是指人員的身體才會觸發停止命令)，此入侵距離就相當重要。在這種情況下，即使人員的手臂穿越光幕，機器也不會停止運作。

根據 EN ISO 13855 安全距離標準 (由國際標準化組織制訂並在全球使用)，離危險區域的最小距離 S 需使用以下方程式計算 (單位為 mm)：

其中，K 為人體 (手臂或身體) 的最大接近速度 (單位為 mm/s)；T 為整體停止效能 (單位為秒)；C 為入侵距離 (單位為 mm)。EN ISO 13855 針對 K 值的規定是，人類手臂的最快移動速度為 2,000 mm/s，而人體的最快移動速度為 1,600 mm/s。

例如，假設某工作單元的光幕能偵測直徑小至 40 mm 的物體。應先使用 K = 2,000 mm/s 來計算最小距離。如果得出的距離，小於 EN ISO 13855 定義的 100 mm，應忽略這個較低的值，而使用 100 mm。如果得出的值超過 EN ISO 13855 規定的 500 mm，則應使用 K = 1,600 mm/s 再次計算距離 (以免人員走入危險區域而受傷)，若求得的新距離值較小且大於 500 mm，就可使用此新值。ISO 13855 亦針對其他感測器偵測能力值有所規定。

在計算離機器人的最小距離時，必須考量機器人的最大操作範圍。考量時，不應仰賴機器人的程式，將機器人侷限在其完整工作範圍的某一區。但可在機器人的操作軸上使用極限開關，作為聯鎖系統的一部分，安全地限制機器人的操作範圍。

光幕是否合適？

在制訂安全系統規格的初始階段中，確定光幕是否合適至關重要。此時，國際電工委員會 (IEC) 及 ISO 標準的分類是不可或缺的參考資訊。這些分類將安全標準分為基本 A 類安全標準、一般功能 B 類安全標準，以及機器特有 C 類安全標準。

首先要考量的是，該機器的操作是否已有 C 類標準，以及該標準針對特定應用所要求的確切防護措施為何。事實上，C 類標準通常針對現有的機器類型及行業進行規範，且可由 NFPA、BN、ANSI、RIA 或其他監管機構制訂，這些機構多年來一直以 A-B-C 制度為準，採用 EN ISO 的標準分類系統。如果 C 類標準適用於該機器操作，則必須遵守該標準的準則，包含光幕的相關準則。這是因為 C 類標準針對現有的機器功能，明確量化所有的危害和所需的風險減緩措施，並取代所有不太具體的標準。如果現有的機器功能並無適用的 C 類標準，而且光幕似乎是不錯的選擇，則應計算最小距離。如果此最小距離可行，設計工程師即可繼續設計光幕的規格。但是，如果空間有限或機器需要很長時間才能停止，則應考慮採用另一種形式的防護措施，如實體護罩。

光幕的類型

國際上採用的 IEC 61496 標準將光幕歸類為 2 類或 4 類。2 類光幕的成本較低，且電子元件速度較慢、較不可靠。如果 2 類光幕的安全電路發生故障，可能需要一段時間才會發現故障，在此期間內都不會提供防護。而 4 類光幕採用連續自動化交叉檢查來偵測故障與錯誤。如果發生錯誤，會立即發出停止訊號，因此可持續提供安全防護。

操作點控制 (POC) 光幕可以安裝在靠近操作員與機器頻繁互動的危險處，因此可用來偵測手指、手及手臂。通常會在機器側面使用實體護罩，並在正面安裝 POC 光幕。

邊界進出控制 (PAC) 光幕會在無需操作員靠近的機器周圍產生安全邊界。此邊界通常僅提供全身偵測。

另外，也可使用區域進出控制 (AAC) 來執行此功能。PAC 通常使用鏡子來減少產生完整邊界所需的光幕硬體。

與光幕安裝相關的國際標準

目前有不少與正確安裝光幕相關的標準。如果工廠要針對某個安全關鍵型應用安裝光幕，必須直接參考這些標準。ISO 13857 規範是為了確定安全距離，以免人員的四肢伸進危險區域。安全距離視風險評估結果而定。例如，當向上伸時，人員應無法進入危險源 700 mm 以內，如果傷害風險較低，則應無法進入 500 mm 以內。ISO 12100 規範是為了確定傷害的嚴重性及機率。低度傷害是指瘀青或指甲破損等可逆性損傷，或是未達到燙傷臨界值的溫度與碰觸時間長度。ISO 13732 有指定燙傷臨界值，ISO 14121 則提供風險評估的更多細節。

如上所述，ISO 13855 考量到人體不同部位的接近速度，再依此規定防護措施的位置。對於光幕來說，關聯性比 ISO 13857 更高，因為光幕無法預防人員進入危險區域，而是會停止危險作業。因此，更重要的考量是，人員在光幕送出停止訊號到機器實際停止這段時間內，可能行進的距離有多遠。整體系統停止效能和人員的最大可能接近速度會共同決定光幕和危險作業之間的最小安全距離。

ISO 14119 針對實體護罩相關的聯鎖裝置，有規定其規格與設計。雖然該標準並未明確提及光幕，但許多原則都有相關，例如採用能將故障可能性降至最低的設計。

ISO 14120 有規定實體護罩本身的規格與設計，因此與光幕安裝的關聯性較小。但是，光幕經常與實體護罩搭配使用。例如，可使用實體護罩避免人員從側邊進入危險區域，並在區域前方使用光幕加以防範。因此，可能也需要參考 ISO 14120 標準。

結論

光幕可大幅改善機器操作的便利性。光幕可讓操作員清楚查看機器的工作空間，並可接觸內部以拆除零件及安裝工具，不用忍受打開護罩的不便。

但是，光幕並非總是能提供相同程度的防護，特別是機械操作會彈出物體的情況。

另外，還必須謹記，為了發揮整體停止效能，光幕安裝位置離危險區域的距離，通常比護罩更遠。在選擇適當的防護措施時，這些都是重要的考量事項。