MTTFd 与安全光栅可靠性评估：专业技术指南
安全光栅（Safety Light Curtain）是工业自动化中保障操作人员安全的重要防护设备，广泛应用于冲压机、折弯机、自动包装线和机器人工作站。本文详细解析 MTTFd（Mean Time To Dangerous Failure，危险失效平均时间）在安全光栅可靠性评估中的应用，包括计算方法、关键指标、设计实践和应用案例。
一、MTTFd 定义及重要性
MTTFd 是 ISO 13849-1 标准提出的概念，用于评估安全相关元件在发生危险性故障前的平均运行时间。
- 单位：小时（h）
- 特性：只统计可能造成人员伤害或危险事故的故障
- 与 MTBF 区别：MTBF 统计所有故障，MTTFd 聚焦危险失效
示例：光栅显示屏异常，但防护功能正常 → 不计入 MTTFd。
意义：MTTFd 越高，设备在危险状态下的可靠性越强，是安全光栅设计和选型的重要依据。
二、安全光栅可靠性关键指标
| 指标 | 含义 | 对可靠性影响 |
|---|---|---|
| MTTFd | 危险失效平均时间 | 越高表示危险故障间隔时间越长 |
| DC | Diagnostic Coverage，诊断覆盖率 | 设备内部自检发现危险故障能力，越高越安全 |
| CCF | Common Cause Failure，公共原因失效 | 多通道同时失效风险，越低越安全 |
| PL | Performance Level，性能等级 | 综合 MTTFd、DC、CCF 确定安全等级，PL a ~ PL e，PL e 最高 |
MTTFd 分类（ISO 13849-1）
| MTTFd 值 | 分类 |
|---|---|
| 3–10 年 | 低 |
| 10–30 年 | 中 |
| 30–100 年 | 高 |
三、安全光栅 MTTFd 计算方法
1. 单元元件危险失效率
关键元件：光电传感器、控制单元、继电器等。
危险失效率 λd（每小时危险失效概率）可从制造商手册或可靠性数据库获取。
2. 单元 MTTFd 计算公式
MTTFd=1λd\text{MTTFd} = \frac{1}{\lambda_d}MTTFd=λd1
示例：
- λd = 1×10^-7 /h → MTTFd ≈ 10^7 h ≈ 1140 年（理论值）
3. 多元件系统 MTTFd
串联系统
λdsys=λd1+λd2+⋯+λdn\lambda_{d_{sys}} = \lambda_{d1} + \lambda_{d2} + \dots + \lambda_{dn}λdsys=λd1+λd2+⋯+λdn MTTFdsys=1λdsys\text{MTTFd}_{sys} = \frac{1}{\lambda_{d_{sys}}}MTTFdsys=λdsys1
示例：λd1 = 1×10^-7, λd2 = 2×10^-7 → λd_sys = 3×10^-7 → MTTFd_sys ≈ 3.33×10^6 h
并联系统（冗余）
λdsys=λd1⋅λd2(冗余降低危险失效率)\lambda_{d_{sys}} = \lambda_{d1} \cdot \lambda_{d2} \quad (\text{冗余降低危险失效率})λdsys=λd1⋅λd2(冗余降低危险失效率)
四、诊断覆盖率 DC 与公共原因失效 CCF
1. 诊断覆盖率 DC
DC=被检测的危险失效率总危险失效率×100%\text{DC} = \frac{\text{被检测的危险失效率}}{\text{总危险失效率}} \times 100\%DC=总危险失效率被检测的危险失效率×100%
- DC 高（>90%）可显著降低危险失效率
- 通过双通道光栅、软件监控和硬件冗余实现
2. 公共原因失效 CCF
- 考虑同时影响多个通道的故障
- 常用降低措施：物理隔离、冗余设计、屏蔽
- ISO 13849-1 引入 β 系数计算 CCF 对整体危险失效率的影响
五、性能等级 PL 计算
PL 综合 MTTFd、DC 和 CCF，可通过 ISO 13849-1 表格计算：
| MTTFd | DC | CCF | PL |
|---|---|---|---|
| 高 | 高 | 低 | e |
| 高 | 中 | 低 | d |
| 中 | 中 | 中 | c |
| 低 | 低 | 高 | b |
六、安全光栅设计流程示意（文字版）
- 风险评估 → 识别危险区域和操作风险
- 确定 PL 等级 → 根据 ISO 13849-1 选定 PL d 或 PL e
- 选择光栅型号 → 考虑 MTTFd、DC、通道数、环境适应性
- 计算系统 MTTFd → 单元计算 + 多元件串联/冗余
- 评估 DC 与 CCF → 调整冗余和自检设计
- 实施安装与调试 → 验证防护功能和性能等级
- 定期测试与维护 → ISO 13849-2 建议的周期
七、典型应用案例
| 应用场景 | 光栅类型 | MTTFd | DC | CCF | PL |
|---|---|---|---|---|---|
| 高速冲压机 | 双光束冗余 | >100 年 | 高 | 低 | e |
| 中速包装线 | 单光束 | 30–50 年 | 中 | 中 | d |
| 协作机器人工作站 | 多光束 + 冗余 | 50–80 年 | 高 | 低 | e |
八、总结
MTTFd 是评估安全光栅可靠性的核心指标。结合 DC 和 CCF，可确定设备性能等级（PL）。通过合理的冗余设计、环境适应性分析、定期测试与维护，以及 PL 等级匹配应用，可以保证安全光栅在危险环境下可靠运行，有效降低人员伤害风险。
