机器人安全防护怎么做？PILZ/SICK/西门子/汇川四品牌方案横向对比

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工业机器人在装配、焊接、冲压、码垛等场景中广泛部署，但人机共存的作业环境也带来了严峻的安全挑战。根据ISO 10218-2的要求，机器人系统集成商必须完成风险评估并采取适当的安全防护措施，确保操作人员与机器人之间的安全距离、进入防护和联锁功能满足相关标准。

本文聚焦工业机器人风险描述，梳理EN 60204-1、ISO 13857、ISO 10218-2、IEC 62061、ISO 13849-1等核心标准，并对比西门子、Pilz、SICK、汇川四家品牌的典型解决方案。

一、工业机器人的风险识别

根据ISO 12100的风险评估方法论，机器人工作站的主要风险包括：

机械危险：机器人运动部件的挤压、剪切、碰撞

电气危险：控制系统的失效、意外启动（参考EN 60204-1）

热/噪声危险：焊接、冲压工艺中的灼伤与听力损伤

安全距离不足：人员可触及危险区（参考ISO 13857）

ISO 10218-2明确规定：机器人系统集成商必须确保执行风险评估以确定有效的健康和安全要求，然后按照评估结果对系统进行设计和制造。风险评估包括：风险分析（确定机械限度→确认危险→风险预计）和风险评价。

二、核心标准体系

风险减少的三大方法按优先级排列：本质安全设计 → 安全防护 → 使用信息。在机器人场景中，安全防护是最核心的环节，包括固定/活动防护装置、安全光幕/光栅、激光扫描仪、安全门联锁等。

三、Pilz：一体化安全解决方案

Pilz的机器人安全方案遵循"风险评估→安全防护→安全控制"的完整链路，从传感器到控制器提供一体化产品。

3.1 安全防护设备

针对机器人工作站，Pilz提供多层防护方案：

● 安全围栏：围栏栅孔≤20mm，内部机械手操作空间距离≥120mm（依据ISO 13857）

● PSENopt安全光幕/光栅：配合传输带开口，增加抑制（屏蔽）功能，实现工件进出但人员无法通过

● 安全门联锁：PSENmech（机械式）、PSENmag（磁性）、PSENcode（RFID编码式），根据卫生要求和操作保护等级选型

● SafetyEYE视觉安全系统：基于摄像的三维安全防护，可定义灵活保护区，适合不规则工作区域

Pilz推荐组合方案：PSENmech（防意外开门）+ PSENcode（最高操作保护等级）= 双安全功能，同时满足安全门锁定和操作保护要求。

3.2 安全控制单元

Pilz提供从简单到复杂的安全控制方案：

● PNOZsigma安全继电器：紧凑型，适合单一安全功能（如急停、安全门）

● PNOZmulti可编程安全模块：支持8个I/O扩展，图形化配置，适合中等复杂度安全逻辑

● PSSuniversal分布式I/O：支持PROFINET + PROFIsafe，安全与标准统一网络，适合焊装车间等大规模产线

在焊装车间方案中，Pilz推荐安全与标准统一PROFINET网络的方案：安全与标准共用同一总线，无需额外的通讯编程和接口，降低备件种类和维护成本，故障诊断更直观。

四、SICK：电敏保护装置（ESPE）方案

SICK专注于电敏保护装置对危险区域的进入保护，产品覆盖从光幕到激光扫描仪再到雷达传感器的完整技术路线。

4.1 进入保护技术路线

4.2 完整解决方案架构

SICK提供传感器 + 控制器 + 指令装置的一站式方案：

● 安全控制器：Flexi Compact（模块化可配置）、ReLy（安全继电器）

● 急停/复位装置：ES11系列，集成急停与复位开关

● 后方进入防护：水平安装安全光幕或激光扫描仪，配合安全雷达实现重启联锁

● 安全服务：从风险评估到验证的一站式服务

针对机器人码垛工作站、折弯机、冲压线等典型应用，SICK的方案特点是通过镜柱组合实现多侧入口的紧凑型防护，简化对准和调试过程。

五、西门子：安全激光扫描仪 + F-CPU监控场景切换

西门子的机器人安全方案以SIMATIC Safety Integrated为核心，典型应用为装配单元中激光扫描仪与S7-1500 F-CPU的配合，实现监控场景切换（Monitoring Case Switching）。

5.1 应用场景

装配单元中，机器人在两个工位之间交替作业：

场景1：机器人在工位1作业 → 操作员可在工位2装卸工件

场景2：机器人在工位2作业 → 操作员可在工位1装卸工件

危险区域随机器人位置变化而切换，需要激光扫描仪动态调整保护区域。

5.2 系统架构

● SICK S3000安全激光扫描仪：通过PROFINET/PROFIsafe与F-CPU通信

● SIMATIC S7-1500 F-CPU：运行安全程序，根据位置开关信号切换监控场景

● SIRIUS位置开关：检测机器人位置，触发场景切换

● TIA Portal Safety Advanced：配置F-DI、F-DQ及PROFIsafe地址

5.3 监控场景切换机制

S3000支持最多4个监控场景，每个场景有独立的保护区和警告区。F-CPU通过4个控制位向激光扫描仪发送当前场景编号：

● 场景切换的最大允许切换时间由F-CPU监控

● 控制信号无效组合时，激光扫描仪安全关闭OSSD输出

● 故障消除后，激光扫描仪自动重新初始化和重新集成

● 安全功能的评估依据IEC 62061（SIL）和ISO 13849-1（PL）双重标准

该方案的精髓在于：安全逻辑完全在F-CPU的安全程序中实现，激光扫描仪只负责检测和执行，场景切换的时序监控和信号校验由安全PLC保证，实现了安全控制与标准控制的统一网络架构。

六、汇川：机器人本体安全 + PLC安全集成

汇川技术的机器人安全方案以"防-控-诊"三位一体为核心理念，已在压机冲压等高危场景中落地应用。

6.1 功能安全认证

汇川工业机器人已通过SGS-TÜV Saar的严苛评估，获得：

● EN ISO 13849-1 PLd功能安全认证

● EN ISO 13849-2验证认证

PLd级要求每小时危险失效概率低于百万分之一，这意味着从设计到运行全流程符合国际安全规范。

6.2 安全技术架构

汇川的机器人安全体系覆盖三个维度：

● 防——碰撞检测：基于自动学习功能的在线监测 + 基于动力学模型的非重复轨迹预估，故障/撞击时自动限制力矩和速度

● 控——安全区域：三级安全区域（急停区、报警区、减速区），支持3D视觉识别干涉区域，STO安全扭矩关断（SIL 3 / EN 61800-5-2）

● 诊——灵活安全接口：光栅信号、安全门信号、三位使能开关、双位复位等防呆接口，双通道冗余设计确保单一故障零失效

6.3 机器人场景安全PLC

EVO1000+机器人

七、四大品牌方案对比

八、选型建议

● 已有西门子TIA Portal生态的项目，优先选择西门子Safety Integrated方案，统一网络减少集成成本

● 需要传感器+控制器一站式采购的项目，Pilz的一体化方案可降低选型复杂度

● 重点是进入防护（光幕/光栅/扫描仪）的场景，SICK的产品线最丰富

● 国产替代+机器人本体安全需求，汇川的PLd认证+性价比方案适合成本敏感项目

● 多品牌混合场景，可组合使用：如SICK激光扫描仪+西门子F-CPU（西门子官方示例），或Pilz安全继电器+汇川机器人

无论选择哪个品牌，核心原则不变：先按ISO 12100完成风险评估，再根据风险等级选择满足IEC 62061（SIL）或ISO 13849-1（PL）要求的安全功能，终了通过验证确认安全回路的可靠性。安全不是"加了光幕就行"，而是一个系统性的工程。

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