安全plc

當(dāng)你構(gòu)建一個(gè)安全系統(tǒng)時(shí)，可以有很多方式來(lái)安排安全系統(tǒng)部件。 有些安排考慮的是對(duì)成功操作有效性的最大化。(可靠性或可用性)。有些安排考慮的是防止特殊失效的發(fā)生(失效安全，失效危險(xiǎn))。

控制系統(tǒng)部件的不同安排可以從它們的體系結(jié)構(gòu)中看出來(lái)。這節(jié)內(nèi)容將介紹市場(chǎng)上幾款常見的可編程電子系統(tǒng)(PES)的體系結(jié)構(gòu)，了解它們的安全特性，以及在安全和關(guān)鍵控制的應(yīng)用。它們是已經(jīng)在實(shí)踐中存在的多種結(jié)構(gòu)的代表， 真正現(xiàn)場(chǎng)使用的系統(tǒng)就是這些結(jié)構(gòu)的不同組合。

下面的內(nèi)容將用N選X (比如 2選 1) 的方式:XooN 來(lái)介紹系統(tǒng)。在每個(gè)類型中， X 代表需要執(zhí)行安全功能的通道數(shù)，而 N 代表整個(gè)可用的通道數(shù)。.

單控制器帶有單個(gè)邏輯解算器和單個(gè)I/O 代表了一個(gè)最小化的系統(tǒng)，見下圖 (圖1)。這個(gè)系統(tǒng)沒有提供冗余，也沒有失效模式保護(hù)。電子電路可以失效安全(輸出斷電，回路開路) 或者失效危險(xiǎn)(輸出粘連或給電，短路)。這種安排方式是典型的非安全-常規(guī)PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

安全PLC的輸入和常規(guī)PLC的輸入接法也有區(qū)別，常規(guī)PLC的輸入通常接傳感器的常開接點(diǎn)，而安全PLC的輸入通常接傳感器的常閉接點(diǎn)，用于提高輸入信號(hào)的快速性和可靠性。有些安全PLC輸入還具有"三態(tài)"功能，即"常開"、"常閉"和"斷線"三個(gè)狀態(tài)，而且通過"斷線"來(lái)診斷輸入傳感器的回路是否斷路，提高了輸入信號(hào)的可靠性。

另外，有些安全PLC的輸出和常規(guī)的PLC的輸出也有區(qū)別。常規(guī)PLC輸出信號(hào)之后，就和PLC本身失去了關(guān)聯(lián)，也就是說輸出后，比如說"接通"外部繼電器，繼電器本身最后到底通沒通，PLC并不知道，這是因?yàn)闆]有外部設(shè)備的反饋所致。安全PLC具有所謂"線路檢測(cè)"功能，即周期性的對(duì)輸出回路發(fā)送短脈沖信號(hào)(毫秒級(jí)，并不讓用電器導(dǎo)通)來(lái)檢測(cè)回路是否斷線，從而提高了輸出信號(hào)的可靠性。

兩個(gè)控制器并行處理和連線可以把單個(gè)PLC危險(xiǎn)失效的影響降到最低。

為了可靠斷開系統(tǒng)，兩個(gè)輸出電路采用串行連接，以防止任何一個(gè)控制器在危險(xiǎn)的方式下失效，造成系統(tǒng)失效危險(xiǎn)。

1oo2 結(jié)構(gòu)(圖2)常用于兩個(gè)獨(dú)立邏輯解算器、并各自帶有自己獨(dú)立 I/O的場(chǎng)合。系統(tǒng)提供了較低的失效可能性，但它增加了失效安全斷路的可能性。失效安全斷開率的增加，有助于提高流程系統(tǒng)的停車和機(jī)器系統(tǒng)的停機(jī)能力。

這種結(jié)構(gòu)的輸入方式有兩種:一種為一個(gè)傳感器接到兩個(gè)輸入點(diǎn)上(可以使用同一個(gè)模塊的兩個(gè)點(diǎn)，也可以使用兩個(gè)模塊的兩個(gè)點(diǎn)，廠商推薦用戶最好采用不同機(jī)架上的兩個(gè)不同模塊的兩個(gè)點(diǎn));一種為兩個(gè)傳感器或者一個(gè)傳感器的兩個(gè)接點(diǎn)接到兩個(gè)輸入點(diǎn)，這樣可以進(jìn)一步提高輸入信號(hào)的可靠性(傳感器冗余)。

圖中的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)彼此獨(dú)立的系統(tǒng)，在輸出之前并沒有對(duì)輸入信號(hào)和運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行表決，而有些系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)和邏輯結(jié)果要進(jìn)行表決，然后輸出。1oo2系統(tǒng)的表決機(jī)制也非常特別。當(dāng)兩個(gè)輸入都為"0"或"1"信號(hào)時(shí)，自然沒有問題。但如果出現(xiàn)一個(gè)為"0"、而一個(gè)為"1"，系統(tǒng)如何表決呢?答案是:取安全的值做為表決的結(jié)果!那么何謂安全值?答案是:要根據(jù)具體的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置。如果"0"為安全值，那么出現(xiàn)一個(gè)"0"和一個(gè)"1"時(shí)，就選擇"0"，相當(dāng)進(jìn)行了一次3選2的表決。

下面再談?wù)勢(shì)敵龅慕泳€方式問題。一般來(lái)說也有兩種接法，被稱為:安全接法和冗余接法。所謂安全接法指得是:輸出的兩個(gè)通道進(jìn)行串聯(lián)后再接執(zhí)行器，邏輯關(guān)系為"與"，也就是說:一個(gè)通道為"0"，負(fù)載就不得電，這樣可以確保系統(tǒng)的安全性。所謂冗余接法指得是:輸出的兩個(gè)通道進(jìn)行并聯(lián)后再接執(zhí)行器，邏輯關(guān)系為"或"，也就是說:一個(gè)通道為"1"，負(fù)載就可以獲電，這樣可以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。至于采用哪種接線要根據(jù)應(yīng)用的要求來(lái)決定。如果是安全性系統(tǒng)，建議采用安全接法。如果是高可用性系統(tǒng)，建議采用冗余接法。

這種結(jié)構(gòu)使用一個(gè)帶有診斷能力的單一控制器通道，和第二個(gè)診斷通道利用串行連接構(gòu)成輸出回路。典型的 1oo1D 結(jié)構(gòu)見圖3。1oo1D的"D"意思是診斷的含義，所以被稱為一選一診斷系統(tǒng)，功能相當(dāng)于一種二選一系統(tǒng)。因?yàn)檫@種系統(tǒng)的造價(jià)相對(duì)低廉，所以這種系統(tǒng)在安全應(yīng)用中扮演了重要的角色。這種 1oo1D 結(jié)構(gòu)由一個(gè)單一邏輯解算器和一個(gè)外部的監(jiān)視時(shí)鐘而構(gòu)成，定時(shí)器的輸出與邏輯解算器的輸出進(jìn)行串聯(lián)接線。

在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，內(nèi)置診斷控制一個(gè)獨(dú)立串聯(lián)輸出，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出失效時(shí)，它會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)處于斷開狀態(tài)。診斷功能把檢測(cè)到的一個(gè)危險(xiǎn)失效轉(zhuǎn)變成一個(gè)安全失效。

1oo2D 結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)獨(dú)立的電路通道。輸出電路可以使用不同類型的雙重開關(guān)。比如固態(tài)開關(guān)提供了常規(guī)的控制器輸出，而另一個(gè)繼電器由內(nèi)部診斷控制，提供了第二個(gè)常開接點(diǎn)開關(guān)。如果在輸出通道檢測(cè)到一個(gè)潛在的危險(xiǎn)失效，繼電器觸點(diǎn)就會(huì)斷開，使輸出回路斷電，確保執(zhí)行器處于安全狀態(tài)。

雙重電路通道可以使用不同類型的觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)1oo1D 結(jié)構(gòu)，比如兩個(gè)常開點(diǎn)，或者一個(gè)常開點(diǎn)加一個(gè)常閉點(diǎn)等。后綴"D"反映了系統(tǒng)在每個(gè)通道中，具有更廣泛和更細(xì)致的自診斷能力。第二個(gè)停機(jī)路徑，就是由這個(gè)自診斷系統(tǒng)，運(yùn)用高級(jí)的"依據(jù)參考"的方法進(jìn)行系統(tǒng)診斷。

安全總線指的是通訊協(xié)議中采用安全措施的現(xiàn)場(chǎng)總線。相比于普通總線來(lái)說，安全總線可以達(dá)到EN ISO 13849-1 以及 IEC 61508 等控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件標(biāo)準(zhǔn)的要求，主要用于如急停按鈕，安全門，安全光幕，安全地毯等安全相關(guān)功能的分布式控制要求。

安全總線中采用的安全措施主要包括:CRC冗余校驗(yàn)，Echo模式，連接測(cè)試，地址檢測(cè)，時(shí)間檢測(cè)等。相比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線可靠性更高。

安全總線可擁有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如線型、樹型等。

常見的安全總線有皮爾磁(Pilz)的SafetyBUS p。其基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)而研發(fā)，帶有事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，具有較快的信號(hào)響應(yīng)時(shí)間。

安全以太網(wǎng)是適用于工業(yè)應(yīng)用的基于以太網(wǎng)的多主站總線系統(tǒng)，用于分布式系統(tǒng)控制要求。安全以太網(wǎng)的協(xié)議中包含一條安全數(shù)據(jù)通道，該通道中的數(shù)據(jù)傳輸符合IEC 61508 SIL 3的要求。通過同一根電纜或者光纖，可同時(shí)傳輸安全相關(guān)數(shù)據(jù)以及非安全相關(guān)數(shù)據(jù)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，安全以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)類似，支持如星型，樹型，線型，環(huán)型等不同的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。安全以太網(wǎng)擁有較高的網(wǎng)絡(luò)靈活性，較強(qiáng)的可用性，較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等特點(diǎn)。

常見的安全總線有皮爾磁(Pilz)的SafetyNET p。其結(jié)合皮爾磁(Pilz)的PSS 4000系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍的應(yīng)用覆蓋。

ProfiNET

ProfiNET由PROFIBUS國(guó)際組織(PROFIBUS International，PI)推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。其功能包括8個(gè)主要的模塊，依次為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動(dòng)化。

ProfiNET I/O站點(diǎn)是支持ProfiNET總線通訊的輸入輸出站點(diǎn)。

常見的ProfiNET I/O站點(diǎn)有皮爾磁(Pilz)的PSSuniversal系列分布式I/O系統(tǒng)等。皮爾磁(Pilz)的PSSuniversal系列分布式I/O系統(tǒng)可以支持電纜式ProfiNET網(wǎng)絡(luò)以及光纖式ProfiNET

網(wǎng)絡(luò)。而且PSSuniversal系列分布式I/O系統(tǒng)還可兼容ProfiSAFE協(xié)議，實(shí)現(xiàn)安全相關(guān)應(yīng)用。

61131-3

IEC 61131是國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 制定的可編程邏輯控制器標(biāo)準(zhǔn)。其中IEC 61131-3為第三部分:編程語(yǔ)言。規(guī)定可編程控制器編程語(yǔ)言的語(yǔ)法和語(yǔ)義，規(guī)定編程語(yǔ)言有文本語(yǔ)言和圖形語(yǔ)言，并描述了可編程控制器與第一部分規(guī)定的程序登錄、測(cè)試、監(jiān)視和操作系統(tǒng)的功能。

IEC 61131-3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)為工業(yè)控制系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)所闡述的軟件設(shè)計(jì)概念、模型等，適應(yīng)當(dāng)今世界軟件、工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展方向，是一種非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。它極大地推動(dòng)了工業(yè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了很大的影響。符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)完美、可重復(fù)使用、易于維護(hù)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件，它不僅能應(yīng)用于可編程控制器，而且能應(yīng)用于過程控制和制造過程軟件中，因此它是新型的，先進(jìn)的工業(yè)控制編程系統(tǒng)。

符合IEC 61131-3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具有皮爾磁(Pilz)的PAS4000，西門子(Siemens)的Simatic等。

安全PLC(安全可編程系統(tǒng))指的是在自身或外圍元器件或執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，依然能正確響應(yīng)并及時(shí)切斷輸出的可編程系統(tǒng)。與普通PLC不同，安全PLC不僅可提供普通PLC的功能，更可實(shí)現(xiàn)安全控制功能，符合EN ISO 13849-1以及IEC 61508等控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件標(biāo)準(zhǔn)的要求。市場(chǎng)主流的安全PLC有皮爾磁(pilz)的PSS 3000，PSS 4000等，其中PSS 4000除了可以處理安全程序外還可以處理標(biāo)準(zhǔn)控制程序。安全PLC中所有元器件采用的是冗余多樣性結(jié)構(gòu)，兩個(gè)處理器處理時(shí)進(jìn)行交叉檢測(cè)，每個(gè)處理器的處理結(jié)果儲(chǔ)存在各自內(nèi)存中，只有處理結(jié)果完全一致時(shí)才會(huì)進(jìn)行輸出，如果處理期間出現(xiàn)任何不一致，系統(tǒng)立即停機(jī)，

此外，在軟件方面，安全PLC提供的相關(guān)安全功能塊，如急停、安全門、安全光柵等均經(jīng)過認(rèn)證并加密，用戶僅需調(diào)用功能塊進(jìn)行相關(guān)功能配置即可，保證了用戶在設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)因?yàn)榘踩δ苌系某绦蚵┒炊鴮?dǎo)致安全功能丟失。

PLC內(nèi)部工作方式一般是采用循環(huán)掃描工作方式，在一些大、中型的PLC中增加了中斷工作方式。當(dāng)用戶將用戶程序調(diào)試完成后，通過編程器將其程序?qū)懭隤LC存儲(chǔ)器中，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)和被控制的執(zhí)行元件相應(yīng)的連接在輸入模塊的輸入端和輸出模塊的輸出端，接著將PLC工作方式選擇為運(yùn)行工作方式，后面的工作就由PLC根據(jù)用戶程序去完成，右圖是PLC執(zhí)行過程框圖。PLC在工作過程中，主要完成六個(gè)模塊的處理。