在現代自動化生產環境中，機械設備的高速運轉極大地提高了生產效率，但也同時帶來了潛在的工安風險。為了在效率與安全之間取得平衡，安全光柵（Safety Light Curtains）已成為工業安全防護領域不可或缺的關鍵技術。它是一種先進的光電安全裝置，能夠在不影響操作人員工作流程的前提下，為危險機械區域提供可靠的進入保護。
本文將深入探討安全光柵的工作原理、核心技術規範，並提供一套實用的選型指南，以協助企業為其自動化設備選擇最合適的防護解決方案。

一、 安全光柵的工作原理與核心技術

安全光柵是一種基於光電原理的主動式安全裝置，主要由一對或多對發射器（Emitter）和接收器（Receiver）組成 。

1. 光電原理的應用

•發射器： 包含多個同步發射的紅外線LED，這些LED會發射出一系列平行的、不可見的紅外光束，形成一道連續的「光牆」或「光幕」。
•接收器： 包含對應數量的光電感測器，用於接收來自發射器的紅外光束。
在正常工作狀態下，所有光束都能順利從發射器傳輸到接收器。一旦有物體（如操作人員的手臂或身體）穿過光幕，阻斷了至少一條光束，接收器便會立即偵測到訊號中斷。

2. 訊號中斷與安全輸出

當光束被阻斷時，安全光柵的內部安全電路會立即啟動，並在極短的反應時間（Response Time）內，將其安全輸出訊號（OSSD, Output Signal Switching Device）從「ON」切換至「OFF」狀態。這個「OFF」訊號會被傳送至設備的安全控制器或安全繼電器，進而觸發機械設備的緊急停止機制，確保危險動作在人員接觸到危害區域之前停止。
這種非接觸式的防護方式，相較於傳統的機械式護欄或安全門，提供了更高的操作便利性和更快的反應速度，是實現人機協作安全的重要基礎。

二、 關鍵技術規範與安全等級

選擇安全光柵時，必須理解其核心技術規範，尤其是與國際安全標準相關的等級劃分。

1. 安全等級（Type）與功能安全（PL/SIL）

根據國際電工委員會（IEC）標準 IEC 61496-1，安全光柵按其功能安全性分為不同等級 [12]：

安全等級 (Type)	國際標準	適用風險等級 (ISO 13849/IEC 62061)	關鍵特性	應用場景
Type 2	IEC 61496-2	PL c / SIL 1	具有單通道檢測，需定期測試，適用於低風險場景。	較舊或低速的設備。
Type 4	IEC 61496-1	PL e / SIL 3	雙通道冗餘設計，具備自我診斷功能，適用於高風險場景。	高速沖壓機、機器人工作站、自動化生產線。

Type 4 安全光柵因其高可靠性和冗餘設計，成為絕大多數工業應用，特別是涉及嚴重傷害風險的機械設備的首選 。它能夠滿足最高的功能安全等級（Performance Level e, PL e 或 Safety Integrity Level 3, SIL 3）要求 。

2. 解析度（Resolution）

解析度是指安全光柵能夠偵測到的最小物體直徑，它決定了光束之間的間距。解析度的選擇直接關係到防護對象：
•手指保護（約 14 mm）： 適用於防止手指伸入危險區域。
•手掌保護（約 20 mm）： 適用於防止手掌或手臂伸入危險區域。
•身體保護（約 30 mm 或 40 mm 以上）： 適用於防止整個身體進入危險區域，通常用於周邊防護或出入口。

三、 安全光柵的選型指南

正確的選型是確保設備安全和符合法規的基礎。以下是選擇安全光柵的關鍵步驟：

步驟一：危害評估與安全等級確定

首先，必須對機械設備進行危害評估（Risk Assessment），確定潛在的傷害嚴重程度、暴露頻率和避免危害的可能性。
•確定所需的功能安全等級（PL或SIL）： 根據評估結果，確定設備必須達到的安全等級（例如，高風險設備通常要求達到 PL e / SIL 3）。這將直接決定您必須選擇 Type 4 的安全光柵。

步驟二：確定解析度與防護高度

1.確定解析度： 根據操作人員可能伸入危險區域的身體部位，選擇對應的解析度。例如，若危險點在手可觸及範圍內，應選擇 14 mm 或 20 mm 的解析度。
2.確定防護高度（Protected Height）： 根據危險區域的範圍，選擇光柵的防護高度。例如，若用於周邊防護，高度可能需要達到 1.4 米以上，以防止人員跨越。

步驟三：計算安全距離（Safety Distance）

這是選型中最關鍵的一步。安全光柵不能直接安裝在危險點上，必須與危險點保持足夠的安全距離（Safety Distance, S），以確保在光柵被阻斷後，機械設備能在人員接觸到危險點之前完全停止。
安全距離的計算必須遵循國際標準 ISO 13855，基本公式為 [13]：
S = (K \times T) + C
其中：
•$S$： 最小安全距離（mm）。
•$K$： 人體接近速度（mm/ms）。標準通常採用 1600 mm/s (1.6 m/s) 作為手或手臂的接近速度。
•$T$： 系統總停止時間（ms）。包括光柵的反應時間 ($T_{LC}$) 和機械設備的停止時間 ($T_{R}$)。$T = T_{LC} + T_{R}$。
•$C$： 額外距離（mm）。與光柵的解析度（d）相關，用於考慮光束間隙可能導致的穿透距離。
系統總停止時間 ($T$) 的準確測量至關重要。 任何延遲都會導致安全距離增加。因此，選擇反應時間極短（例如 Type 4 光柵通常小於 13 ms [14]）的光柵，有助於縮短安全距離，從而優化設備佈局。

結論

安全光柵是現代工業安全體系中的核心組件。正確理解其光電原理、嚴格遵守 Type 4 等級和 PL e 的規範要求，並精確計算安全距離，是確保操作人員人身安全的基石。透過審慎的危害評估和精確的選型，企業可以有效地將自動化設備的潛在風險降至最低，實現高效、安全且符合法規的智慧工廠環境。
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