安全カテゴリ｜機械安全リスク等級体系

2025.10.04

安全カテゴリ

安全カテゴリは、機械の安全関連制御系の構造的要求を段階化した概念であり、EN ISO 13849-1（旧EN 954-1）においてB・1・2・3・4の5段階で定義される。目的は単一故障や共通原因故障に対する耐性を設計段階で担保し、要求されるパフォーマンスレベル（PL）を達成することである。カテゴリは構造要件を示し、MTTFd・DCavg・CCFと組み合わせてPL（a〜e）を決める。IEC 62061ではSILによる確率論評価を用いるが、現場ではスイッチ、リレー、コンタクタ、安全PLC、セーフティリレー、非常停止、ライトカーテンなどの構成で安全カテゴリを満たす設計が行われる。[/toc]

規格の位置づけ

EN ISO 13849-1は、機械の安全関連部（SRP/CS）の設計・評価法を示し、安全カテゴリ（B/1/2/3/4）と信頼性指標（MTTFd、DCavg、CCF）からPLを導出する枠組みを与える。ISO 12100でリスク評価を行い、目標PLrを決め、構造（カテゴリ）と部品信頼性を合わせて妥当性確認する。IEC 62061はSILに基づきPFHdで評価するが、対象や手法の相違はあれど、最終的な安全達成の考え方は整合的である。

設計要素と評価指標

  • MTTFd：検出可能な故障までの平均時間。高・中・低の3段階で扱い、PLに影響する。
  • DCavg：診断カバレッジ。自己診断・相互監視・テストパルス等で高める。
  • CCF：共通原因故障対策。配線分離、冗長系の多様化、環境制御で点数化。
  • PFHd：時間当たり危険故障率。IEC 62061で主に用いる確率指標。
  • PL：a〜eの5段階。PLr（要求PL）と一致させる設計が必要。

カテゴリの基本構造と故障対応

カテゴリB

基本安全原則を満たす最小構成。単一チャネルで、単一故障が危険側へ直結しうる。高リスク用途には適さない。

カテゴリ1

カテゴリBに高信頼部品（高MTTFd）を適用。構造は単純だが、故障検出はほぼ持たないため、予防的保全が前提となる。

カテゴリ2

単一チャネルに周期的テスト（自己診断）を追加。故障を発見できるが、テスト間の隙間リスクに注意。入力機器のテストパルスが典型。

カテゴリ3

二重チャネル＋相互監視により単一故障で安全機能は維持される。DCavgを中〜高にし、コンタクタのフィードバック監視などで診断性を確保する。

カテゴリ4

二重チャネルの完全冗長に高診断（高DCavg）を組み合わせ、累積故障にも耐える最高水準。高PL（d〜e）達成に用いられる。

典型アーキテクチャ例

  • 非常停止：二列押しボタン→セーフティリレー→二重コンタクタ（フィードバック監視）でカテゴリ3/4を実現。
  • ガードドア：ロック付き安全スイッチを二重化し、クロスモニタで短絡検出。
  • ライトカーテン：OSSD二重出力を安全入力モジュールまたは安全PLCに接続し、自己診断と停止カテゴリに応じた遮断を行う。

選定手順（実務フロー）

  1. ISO 12100でハザード同定とリスク見積りを実施し、PLrを決定。
  2. 要求PLrに対応する安全カテゴリ候補（B〜4）とアーキテクチャを選択。
  3. 部品のMTTFd・DCavg・CCF対策を見積り、PL計算ツールまたは表で検証。
  4. システム応答時間、停止カテゴリ、要求回数を確認し、余裕度を確保。
  5. 妥当性確認（テスト、回路レビュー、配線・EMC・環境条件の確認）を実施。

検証・妥当性確認の要点

故障モードの洗い出し（FMEDA相当）、診断試験の実装、コンタクタ溶着・溶断検出、電源断時のフェイルセーフ、配線断線・短絡の検知が要点である。安全出力のアークリスクや残留電圧、停止時間（機械的惰性を含む）の計測も併せて行う。

よくある不適合と対策

  • シリーズ接続の乱用でDCavgが低下：センサを分割し、各支線の監視を導入。
  • コンタクタのフィードバック未監視：ミラー接点の監視を追加。
  • 一般PLCで安全機能を代替：安全PLCやセーフティリレーに置換。
  • 共通原因故障：配線ルート分離、電源二重化、部品多様化で低減。
  • 要求停止カテゴリ不一致：機械側のブレーキや遮断器と協調設計。

PLとSILの関係理解

PLとSILは評価軸が異なるが、危険故障確率を低減するという目的は同じである。既存設備の改修では、安全カテゴリによる構造確保を足場に、PFHdやPLの整合を確認し、規格間整合（EN ISO 13849-1とIEC 62061の相互参照）で妥当性を説明するのが実務的である。

部品選定の観点

安全認証部品のデータ（MTTFd、B10d、PFHd）を用い、動作サイクル、要求率、環境（温度、振動、汚染度）、EMC、配線方法を総合評価する。二重化では同一ロットや同系統依存を避け、多様化（リレー＋半導体、磁気＋機械）を取り入れるとCCF低減に有効である。

ドキュメンテーション

リスク評価記録、PL計算根拠、配線図、I/O割付、試験成績、変更履歴を残す。保全時にはテスト手順と許容基準（応答時間、停止距離、毎始業点検）を明記し、変更管理で安全カテゴリの前提を崩さない。

コメント（β版）