一、概述
安全光栅（Safety Light Curtain）又称安全光幕、光电保护装置，是工业机械设备中最常用的安全防护装置之一，用于保护操作人员免受机器危险运动造成的伤害。在 CE 认证体系下，安全光栅属于第 3 类或第 4 类安全部件，须符合一系列欧洲标准要求。
本文以 CE 认证为主轴，系统地梳理安全光栅的选型要点和安全距离计算方法。
相关标准清单
| 标准编号 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| EN 61496-1 | 机械安全 — 电敏防护设备 第1部分：通用要求 | 安全光栅基本安全要求，定义 Type 2/Type 4 等级 |
| EN 61496-2 | 电敏防护设备 第2部分：AOPD 特殊要求 | 安全光栅的专用标准 |
| EN ISO 13849-1 | 机械安全 — 控制系统安全相关部件 | PL（性能等级）评定标准 |
| EN ISO 13855 | 机械安全 — 人体部位接近速度的防护定位 | 安全距离计算核心标准 |
| EN ISO 13857 | 防止上肢/下肢触及危险区的安全距离 | 固定防护装置的距离要求 |
| EN 60204-1 | 机械电气安全 | 设备电气安全通用要求 |
| EN ISO 12100 | 机械安全 — 设计通则 | 风险评估方法 |
| EN 62061 | 机械安全 — 电气/电子可编程控制系统的安全功能 | SIL 等级评定 |
二、安全光栅基本原理与分类
2.1 工作原理
安全光栅由发射器（Emitter）和接收器（Receiver）组成，两者之间形成红外光束阵列。当任何一束光被不透明物体遮挡时，接收器输出信号切换，控制系统触发安全停止。
┌──────────┐ 红外光束阵列 ┌──────────┐
│ 发射器 │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ 接收器 │
│ (Emitter) │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ (Receiver)│
│ │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ │ │
└──────────┘ └──────────┘
│ │
└──────────── 控制器 ────────────────┘
│
┌─────┴─────┐
│ 安全继电器 │ → 切断动力源
│ 或安全PLC │
└───────────┘2.2 安全等级分类（EN 61496-1）
| 类型 | 安全等级要求 | 典型应用 |
|---|---|---|
| Type 2 | 基本安全防护，具有周期性自检功能 | 低风险设备，非冲压类机械 |
| Type 4 | 最高安全等级，冗余设计、故障容错 | 冲压机、剪切机、机器人工作站 |
选型原则：CE 认证通常要求根据风险评估结果选择对应等级。对于高风险设备（如冲压机），必须选用 Type 4。
2.3 按性能等级分类（ISO 13849-1）
| PL 等级 | 对应类型 | 每小时危险失效概率 PFHd |
|---|---|---|
| PL c | Type 2 | ≥ 3×10⁻⁶ 且 < 10⁻⁵ |
| PL d | Type 4（最低要求） | ≥ 10⁻⁷ 且 < 3×10⁻⁶ |
| PL e | 高端 Type 4 | ≥ 10⁻⁸ 且 < 10⁻⁷ |
2.4 分辨率（Resolution）
分辨率指光栅能检测到的最小物体尺寸，是选型的关键参数之一。
| 分辨率 | 检测能力 | 典型应用 |
|---|---|---|
| 14 mm（手指保护） | 可检测手指侵入 | 冲压机、折弯机、注塑机 |
| 20–30 mm（手掌保护） | 可检测手掌侵入 | 剪切机、包装机 |
| 30–40 mm（手臂保护） | 可检测手臂侵入 | 装配线、传送带入口 |
| 50 mm 以上（身体保护） | 可检测身体侵入 | 机器人围栏大门、AGV 区域 |
选型原则：分辨率越高（数值越小），安全距离要求越小，但成本也越高。建议以实际危险部位为基准，选择能覆盖最小可能侵入部位的分辨率。
三、安全距离计算 — EN ISO 13855
3.1 通用公式
安全距离 S 的计算标准为 EN ISO 13855：机械安全 — 人体部位接近速度的防护定位。
S = K × T + C
| 参数 | 含义 | 单位 |
|---|---|---|
| S | 从危险区到检测面的最小安全距离 | mm |
| K | 人体或身体部位接近危险区的速度 | mm/s |
| T | 系统总停止时间 | s |
| C | 侵入距离（取决于光栅分辨率） | mm |
3.2 系统总停止时间 T 的组成
T = t₁ + t₂
- t₁：安全光栅的响应时间（从遮挡到输出信号切换），产品手册直接提供
- t₂：机器停止时间（从收到停止信号到危险运动完全停止），需实测或从机器手册获得
⚠️ 注意：t₂ 必须包含安全继电器/安全PLC的响应时间、接触器断开时间、制动器动作时间等所有延迟。
3.3 接近速度 K 的取值
根据 EN ISO 13855：
| 接近方向 | 身体部位 | K 值 |
|---|---|---|
| 垂直方向（正常站立接近） | 身体 | 1600 mm/s（标准值） |
| 垂直方向（T ≥ 500 ms 时可选） | 身体 | 2000 mm/s（保守值） |
| 平行方向（沿光栅面移动） | 身体 | 1600 mm/s |
| 手臂 / 手部接近 | — | 2000 mm/s |
3.4 侵入距离 C 的计算
（1）分辨率 d ≤ 40 mm（手指/手掌保护）
C = 8 × (d − 14)
其中 d 为光栅分辨率（mm），且 C ≥ 0。
（2）分辨率 d > 40 mm（手臂/身体保护）
C = 850 mm
此时光栅安装高度也有额外要求（详见 3.6 节）。
3.5 综合计算公式与示例
手指/手掌保护（d ≤ 40 mm）：
S = K × (t₁ + t₂) + 8 × (d − 14)
示例 1：冲压机装 14 mm 分辨率安全光栅
| 参数 | 取值 |
|---|---|
| 光栅响应时间 t₁ | 10 ms = 0.01 s |
| 机器停止时间 t₂ | 200 ms = 0.20 s |
| K（保守取法） | 2000 mm/s |
| 分辨率 d | 14 mm |
S = 2000 × (0.01 + 0.20) + 8 × (14 − 14)
= 2000 × 0.21 + 0
= 420 mm
✅ 此例中最小安全距离为 420 mm，即光栅安装位置距危险区不得小于 420 mm。
示例 2：30 mm 分辨率，手掌保护
| 参数 | 取值 |
|---|---|
| 光栅响应时间 t₁ | 12 ms = 0.012 s |
| 机器停止时间 t₂ | 150 ms = 0.150 s |
| K | 2000 mm/s |
| 分辨率 d | 30 mm |
S = 2000 × (0.012 + 0.150) + 8 × (30 − 14)
= 2000 × 0.162 + 8 × 16
= 324 + 128
= 452 mm3.6 手臂/身体保护（d > 40 mm）
S = 1600 × (t₁ + t₂) + 850
⚠️ 重要：当使用分辨率 > 40 mm 的光栅时：
① 防护区域底部距地面 ≤ 300 mm
② 防护区域顶部距地面 ≥ 900 mm
③ 或遵循 EN ISO 13857 对固定防护装置的对应高度要求
① 防护区域底部距地面 ≤ 300 mm
② 防护区域顶部距地面 ≥ 900 mm
③ 或遵循 EN ISO 13857 对固定防护装置的对应高度要求
四、补充公式与特殊场景
4.1 平行安装（沿光栅面水平方向接近）
S = 1600 × T + (1200 − 0.4 × H)
- H：光栅最底部光束距地面的高度（mm）
- H 取值范围：300 mm ≤ H ≤ 1000 mm
- 若 H > 300 mm，则底部可能产生"爬越"风险，需加装辅助防护
4.2 多光束安全光栅（大门入口防护）
S = 1600 × T + 850
光束间距和数量限制：
| 光束数量 | 光束间距要求 | 底部距地高度 |
|---|---|---|
| 2 光束 | ≤ 500 mm | ≤ 300 mm |
| 3 光束 | ≤ 400 mm | ≤ 300 mm |
| 4 光束 | ≤ 300 mm | ≤ 300 mm |
4.3 最小安全距离下限
无论计算值如何，S 不应低于 100 mm（标准推荐的最低值）。
五、选型流程
5.1 标准选型步骤
① 风险评估 (EN ISO 12100)
├── 识别危险源与危险运动
├── 评估风险等级
└── 确定所需 PL/SIL 等级
② 确定防护类型
├── 手指保护 → 14 mm 分辨率
├── 手掌保护 → 20–30 mm 分辨率
├── 手臂保护 → 30–40 mm 分辨率
└── 身体检测 → 多光束 / >40 mm 分辨率
③ 确定安全等级
├── 高风险（冲压/剪切/机器人） → Type 4 / PL d–e
└── 低风险（包装/输送） → Type 2 / PL c
④ 计算安全距离 S (EN ISO 13855)
├── 获取光栅响应时间 t₁（产品手册）
├── 获取机器停止时间 t₂（实测或手册）
├── 选择 K 值
├── 计算侵入距离 C
└── 代入公式得出 S
⑤ 安装方式确认
├── 垂直安装（最常用）
├── 水平安装
└── 多光束大门式安装
⑥ 电气连接与系统匹配
├── 连接至安全继电器或安全 PLC
├── 输出类型确认（OSSD 配对输出）
└── 接线符合 EN 60204-1
⑦ 验证与文档 (CE 认证必要条件)
├── 安全距离验证计算书
├── 风险评估报告
├── 设备铭牌与 CE 标志
└── 技术文件归档5.2 选型检查清单
| 检查项 | 要求 |
|---|---|
| ☐ 安全等级 | Type 2 还是 Type 4？是否符合风险评估结论？ |
| ☐ 分辨率 | 是否足以检测最小侵入部位？ |
| ☐ 保护高度 | 保护区域是否覆盖所有可能侵入的路径？ |
| ☐ 安全距离 | 安装位置是否满足 S ≥ K×T + C？ |
| ☐ 响应时间 | 光栅 t₁ + 机器 t₂ 是否在可接受范围内？ |
| ☐ 输出类型 | OSSD 输出是否与安全控制器兼容？ |
| ☐ 环境适应性 | 是否考虑灰尘、振动、环境光干扰？ |
| ☐ 盲区/死区 | 安装位置是否有结构遮挡形成盲区？ |
| ☐ CE 标志 | 光栅本身是否通过 CE 认证？ |
| ☐ 技术文档 | 是否具备安全距离计算书、风险评估报告？ |
六、常见误区与注意事项
误区 1：只算光栅响应时间，忽略机器停止时间
❌ 错误：只取 t₁ = 10 ms 计算安全距离。
✅ 正确：T = t₁ + t₂，且 t₂ 必须包含控制系统全部延迟。
✅ 正确：T = t₁ + t₂，且 t₂ 必须包含控制系统全部延迟。
误区 2：忽略分辨率对安全距离的影响
用 30 mm 光栅套用 14 mm 的公式，结果安装距离不足。分辨率越大，侵入距离 C 越大。
误区 3：安装位置不当造成盲区
光栅末端和机器之间如果存在立柱、结构件遮挡，会形成检测盲区。需要在盲区侧加装辅助光栅或机械防护。
误区 4：角度安装未考虑偏差
光栅安装若未垂直于接近方向，实际覆盖区域可能小于标称值。EN 61496-2 要求制造商标明最大允许安装角度偏差（一般 ≤ ±5°）。
误区 5：将安全光栅当唯一防护手段
三级防护原则：
工程控制 > 安全防护装置 > 管理措施
安全光栅属于第 2 层（安全防护装置），在某些场景下仍需配合机械防护（固定防护罩、联锁门等）。
工程控制 > 安全防护装置 > 管理措施
安全光栅属于第 2 层（安全防护装置），在某些场景下仍需配合机械防护（固定防护罩、联锁门等）。
七、CE 认证文档要求
使用安全光栅作为防护措施的设备进行 CE 认证时，技术文件中应包含：
| 文件 | 内容 |
|---|---|
| 风险评估报告 | 按 EN ISO 12100 方法评估，说明风险降低措施 |
| 安全距离计算书 | 按 EN ISO 13855 逐项计算，附参数来源 |
| 安全光栅产品认证 | 光栅本身应附带 CE 证书、EC 型式检验证书 |
| 安全回路设计图 | 包括 OSSD 接线、安全继电器/PLC 配置 |
| 验证测试记录 | 功能测试、响应时间测试、停止时间测试 |
| 使用说明书 | 含安全维护说明、责任声明 |
八、常用参数速查表
以下按常见配置给出参考值，实际应以精确计算为准（假设 K = 2000 mm/s）：
| 分辨率 | t₁+t₂ = 100 ms | t₁+t₂ = 200 ms | t₁+t₂ = 300 ms | t₁+t₂ = 500 ms |
|---|---|---|---|---|
| 14 mm | 200 mm | 420 mm | 640 mm | 1080 mm |
| 20 mm | 248 mm | 468 mm | 688 mm | 1128 mm |
| 30 mm | 328 mm | 548 mm | 768 mm | 1208 mm |
| 40 mm | 408 mm | 628 mm | 848 mm | 1288 mm |
| > 40 mm | 1010 mm | 1170 mm | 1330 mm | 1650 mm |
注：>40 mm 使用公式 S = 1600×T + 850
九、结语
安全光栅的选型和安全距离计算是机械设备 CE 认证中的关键环节。正确执行 EN ISO 13855 的计算方法，合理选择 Type 2/Type 4 等级和分辨率，不仅能通过认证审核，更重要的是真正保障操作人员的人身安全。
在实际项目中，建议：
- 实测机器停止时间 t₂（而非仅依赖标称值）
- 保留安全余量，计算结果向上取整至 5 mm 或 10 mm 整数倍
- 选择有正规 CE 认证和第三方检测报告的安全光栅产品
- 联合安全继电器/安全PLC进行整体回路验证
参考标准：
EN 61496-1:2020 — Safety of machinery — Electro-sensitive protective equipment
EN ISO 13855:2010 — Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body
EN ISO 13849-1:2015 — Safety of machinery — Safety-related parts of control systems
EN ISO 12100:2010 — Safety of machinery — General principles for design — Risk assessment and risk reduction
EN 61496-1:2020 — Safety of machinery — Electro-sensitive protective equipment
EN ISO 13855:2010 — Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body
EN ISO 13849-1:2015 — Safety of machinery — Safety-related parts of control systems
EN ISO 12100:2010 — Safety of machinery — General principles for design — Risk assessment and risk reduction