如何确定机器性能等级（PL）——ISO 13849-1四步法：从PLr风险图到MTTFd/DCavg/CCF参数计算与PLe验证
在完成ISO 12100风险评估后，机器安全设计的下一步是确定控制系统安全相关部件所需的性能等级（Performance Level, PL）。ISO 13849-1定义了从PLa到PLe五个离散等级（PLe为最高），核心原则是：安全电路实际达到的PL必须大于或等于风险评定的需求PLr（PL ≥ PLr）。本文将系统梳理PL确定的完整流程。
第一步：确定需求性能等级（PLr）
PLr由风险评价的三个参数组合确定：
| 参数 | 选项 | 含义 |
|---|---|---|
| S（伤害严重度） | S1：轻微（可逆伤害） | 擦伤、刺伤 |
| S2：严重（不可逆或致命） | 骨折、截肢、死亡 | |
| F（暴露频率） | F1：偶尔/短时 | 少于每两周一次 |
| F2：频繁/长时间 | 多于每两周一次 | |
| P（避免可能性） | P1：特定条件下可能 | 低速运动、空间充足、低功率 |
| P2：几乎不可能 | 高速运动、空间狭窄、大功率 |
将S/F/P组合代入ISO 13849-1附录A的风险图，即可得出PLr（a-e）。例如S2+F2+P2（严重伤害+频繁暴露+难以避免）对应最高需求等级PLe。
第二步：确定四个关键参数
1. 类别（Category）——电路架构
类别定义了安全电路对故障的抵抗能力和故障发生后的行为：
- Cat. B——单通道，单一故障即可导致安全功能丧失。主要由元件选型质量保证。
- Cat. 1——单通道+经验证元件，故障概率低于Cat. B。要求MTTFd=High且有经验证的安全原理。
- Cat. 2——单通道+周期性检测，故障可在两次检测之间导致安全功能丧失，但能被检测发现。DC=Low至Medium。
- Cat. 3——双通道冗余，单一故障不导致安全功能丧失。部分故障可检测，但未检测故障的累积可能导致失效。
- Cat. 4——双通道+高诊断覆盖率，单一故障被及时检测并处理，未检测故障累积不会导致安全功能丧失。DC=High。
2. MTTFd（平均危险失效时间）
MTTFd衡量元件的可靠性——从投入使用到发生危险失效的平均时间：
- Low：3年 ≤ MTTFd < 10年
- Medium：10年 ≤ MTTFd < 30年
- High：30年 ≤ MTTFd ≤ 100年（Cat.4可扩展至2500年）
对于未提供MTTFd数据的元件，可使用公式 MTTFd = B10d / (0.1 × nop) 计算，其中nop为年均操作次数。气动元件（阀、气缸）的B10d值通常可从制造商获取——例如FESTO安全阀的B10d通常达到数千万次循环级别。
3. DCavg（平均诊断覆盖率）
DC衡量诊断措施的有效性——可识别危险失效的比例：
- None：DC < 60%
- Low：60% ≤ DC < 90%
- Medium：90% ≤ DC < 99%
- High：99% ≤ DC
诊断措施示例：输入信号交叉监控（90-99%）、机电元件直接监控（99%）、NO/NC触点一致性检查（99%）、动态测试（90%）。
4. CCF（共因失效）
CCF评估单一事件导致冗余通道同时失效的风险。使用ISO 13849-1附录F的打分表进行评估，关键措施包括：信号路径间物理隔离（15分）、多样性设计（不同技术/制造商，20分）、过压/过流保护（15分）、经验证元件（5分）。总分≥65分方可通过。
第三步：从参数组合确定PL
| 类别 | DCavg | MTTFd=Low | MTTFd=Medium | MTTFd=High |
|---|---|---|---|---|
| B | None | a | b | — |
| 1 | None | — | — | c |
| 2 | Low | a | b | c |
| 2 | Medium | b | c | d |
| 3 | Low | b | c | d |
| 3 | Medium | c | d | d |
| 4 | High | — | — | e |
要达成PLe，安全功能通常需要：Cat.4 + DCavg High (≥99%) + MTTFd High，同时CCF≥65。
第四步：整条安全链的验证
安全功能由输入（传感器）→ 逻辑（安全继电器/PLC）→ 输出（切断阀/驱动器）三个子系统串联构成。整体PL受限于三个子系统中最低的PL。同时，总PFHd（每小时危险失效概率）= PFHd_Input + PFHd_Logic + PFHd_Output。最终确认 PL ≥ PLr 后，还需按ISO 13849-2完成系统级验证测试。
PL与SIL对应关系
| PL (ISO 13849) | SIL (IEC 61508) |
|---|---|
| a | 无对应 |
| b | 1 |
| c | 1 |
| d | 2 |
| e | 3 |
FESTO安全工程指南提供了从风险评估到PL验证的完整工具链，包括气动安全阀的B10d数据、冗余切断回路的Cat.4架构参考设计，以及符合VDMA 24584标准的标准化安全子功能模块（STO/SS1/SOS），帮助机器制造商高效通过CE认证和ISO 13849合规审查。
