黎宜財(cái)

摘 要：目前，在機(jī)械制造系統(tǒng)中，安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺(tái)機(jī)械是否符合安全要求的重要依據(jù)。本文在分析安全控制系統(tǒng)基本概念基礎(chǔ)上，對(duì)于安全邏輯控制設(shè)備組成及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)于保證機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全問(wèn)題具有一定作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；安全控制系統(tǒng)；設(shè)備特點(diǎn)；安全繼電器；PLC；安全總線

引言

機(jī)械的安全性就是機(jī)械安全使用說(shuō)明書規(guī)定的預(yù)定使用條件下執(zhí)行其功能和在運(yùn)輸、安裝、調(diào)整、拆卸和處理時(shí)不產(chǎn)生傷害或危害健康的能力。任何一臺(tái)機(jī)械都有風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)都會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生、對(duì)人員造成傷害。當(dāng)我們能夠關(guān)注機(jī)械本身的安全性能的時(shí)候，其安全功能應(yīng)該由安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。安全控制系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)會(huì)影響到機(jī)械的安全性能。安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺(tái)機(jī)械是否符合安全要求的重要依據(jù)[1]，本文對(duì)于機(jī)械制造中的安全控制系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.安全控制系統(tǒng)

所謂的安全（控制）系統(tǒng)，是在開(kāi)車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)、操作期間對(duì)生產(chǎn)裝置提供安全保護(hù)。一旦當(dāng)工廠裝置本身出現(xiàn)危險(xiǎn)，或由于人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使裝置安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。它包括了現(xiàn)場(chǎng)的安全信號(hào)，如緊急停止信號(hào)、安全進(jìn)入信號(hào)、閥反饋信號(hào)、液位信號(hào)等，邏輯控制單元和輸出控制單元[2]。無(wú)論在機(jī)械制造領(lǐng)域還是在流程化工領(lǐng)域，安全控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中不可或缺的一部分。

從安全控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖我們可以看出，安全控制鏈由輸入（如傳感器）、邏輯（如控制器）、輸出（如觸發(fā)裝置）構(gòu)成。從邏輯上來(lái)說(shuō)，對(duì)于安全信號(hào)的控制功能可以采用普通繼電器、普通PLC、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線或DCS等邏輯控制元器件，從表面上達(dá)到我們所需要的邏輯輸出。但是，我們可以注意到，普通繼電器、普通PLC、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線或DCS不屬于安全相關(guān)元器件或系統(tǒng)。它們?cè)谶M(jìn)行安全相關(guān)控制的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)以下安全隱患：處理器不規(guī)則、輸入/輸出卡件硬件故障、輸入回路故障（比如短路、觸點(diǎn)融焊）、輸出元器件故障（如觸點(diǎn)融焊）、輸出回路故障（如短路、斷路）、通訊錯(cuò)誤等。這些安全隱患，都會(huì)導(dǎo)致安全功能失效，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。所以，安全控制系統(tǒng)就是要求能夠可靠的控制安全輸入信號(hào)，一旦當(dāng)安全輸入信號(hào)變化或安全控制系統(tǒng)中出現(xiàn)任何故障，立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使機(jī)器安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。

安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來(lái)達(dá)到安全要求：1）采用冗余性控制；2）采用多樣性控制；3）頻繁、可靠的檢測(cè)（對(duì)硬件、軟件、通訊）；4）程序CRC校驗(yàn)；5）安全認(rèn)證功能塊。

常見(jiàn)的安全輸入設(shè)備包括由緊急停止設(shè)備、安全進(jìn)入裝置（安全門開(kāi)關(guān)或聯(lián)鎖裝置）、安全光電設(shè)備（安全光幕、安全光柵、安全掃描儀）。安全邏輯部分常采用安全繼電器、安全PLC和安全總線系統(tǒng)。

2.安全邏輯控制設(shè)備

邏輯控制設(shè)備是整個(gè)安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析，可靠的進(jìn)行安全輸出控制。現(xiàn)代自動(dòng)化安全控制領(lǐng)域中，安全系統(tǒng)的控制元器件有安全繼電器、安全PLC和安全總線控制系統(tǒng)。

2.1安全繼電器

安全繼電器，或者稱為安全繼電器模塊，是最簡(jiǎn)單的安全邏輯控制元器件。其特點(diǎn)是采用了冗余的輸出控制和自我檢測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出負(fù)載的可靠控制。

該模塊的存在2個(gè)安全輸出觸點(diǎn)，這兩個(gè)安全輸出觸點(diǎn)在內(nèi)部是由來(lái)自2個(gè)不同的特殊繼電器K1和K2的常開(kāi)觸點(diǎn)串連而組成。當(dāng)K1出現(xiàn)故障的時(shí)候，K2依然可以實(shí)現(xiàn)安全觸點(diǎn)斷開(kāi)的功能。同時(shí)，安全繼電器模塊可以通過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行自檢，檢測(cè)出外部接線故障和內(nèi)部元器件的故障。

2.2安全可編程控制器

安全可編程控制器采用了多套中央處理器進(jìn)行控制，并且這些處理器來(lái)自不同的生產(chǎn)商。這樣的控制方式符合了冗余、多樣性控制的要求。這是安全PLC與普通PLC最根本的區(qū)別。當(dāng)一定數(shù)量的處理器出現(xiàn)故障后，完好的處理器依然執(zhí)行安全功能，切斷所有安全輸出使系統(tǒng)停機(jī)。導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的處理器的故障數(shù)量取決于不同的系統(tǒng)。如，1oo2系統(tǒng)（2取1的系統(tǒng)），一旦一個(gè)處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)立刻進(jìn)入故障安全狀態(tài)；又如，2003系統(tǒng)（3取2的系統(tǒng)），當(dāng)一個(gè)處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)并不會(huì)停機(jī)。系統(tǒng)只有在2個(gè)處理器同時(shí)出現(xiàn)故障的情況下才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。前者我們通常成為2重冗余系統(tǒng)，安全可靠性較高、可用性較低；后者我們通常成為3重冗余系統(tǒng)，其安全可靠性和可用性較高，但相比前者成本高。

對(duì)于信號(hào)的采集、處理和輸出的過(guò)程，安全PLC都采用了冗余控制的方式。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入PLC后，分別進(jìn)入多個(gè)輸入寄存器，再通過(guò)對(duì)應(yīng)的多個(gè)中央處理器的處理，最后進(jìn)入多個(gè)輸出寄存器。這樣，安全PLC就構(gòu)成了多個(gè)冗余的通道。整個(gè)過(guò)程之中，信號(hào)狀態(tài)、處理結(jié)果等可以通過(guò)安全PLC內(nèi)部的暫存裝置進(jìn)行相互比較，如果出現(xiàn)不一致，則可以根據(jù)不同的系統(tǒng)特性，進(jìn)入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測(cè)出來(lái)。

輸入回路可以采用雙通道的方式，通過(guò)2條物理接線進(jìn)入安全PLC。安全PLC也可以提供安全測(cè)試脈沖，用以檢測(cè)輸入通道中的故障。安全PLC的輸出內(nèi)部電路也采用了冗余、多樣性的方式，對(duì)一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全可靠控制。安全PLC可以通過(guò)2種不同的手段，即切斷基極信號(hào)和切斷集電極電源兩種不同的方式，將輸出信號(hào)由1轉(zhuǎn)變?yōu)?。無(wú)論那種方式出現(xiàn)故障，另外一種方式依然完好的執(zhí)行安全功能。同時(shí)，安全PLC提供了內(nèi)部檢測(cè)脈沖，以檢測(cè)內(nèi)部故障。

安全PLC的掃描時(shí)間要求為每千條指令1ms以下。快速的中央處理功能不僅可以達(dá)到緊急停車的要求，同時(shí)能夠以較短的時(shí)間完成整套系統(tǒng)的安全功能自檢。

在軟件方面，安全PLC必須有可靠的編程環(huán)境、校驗(yàn)手段，以保證安全。這主要可以通過(guò)規(guī)范安全功能編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。如Pilz的安全PLC，提供了通過(guò)認(rèn)證的MBS安全標(biāo)準(zhǔn)功能塊，以幫助編程人員進(jìn)行合理的、安全的編程。這些安全功能塊經(jīng)過(guò)加密，不能夠修改。我們只需要在功能塊的輸入和輸出部分填入相應(yīng)的地址、參數(shù)和中間變量，即可以完成對(duì)安全功能的編程。這些MBS功能塊涵蓋了機(jī)械制造領(lǐng)域及流程化工領(lǐng)域的安全功能控制。

2.3安全總線控制系統(tǒng)

安全現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是以安全PLC、安全輸入輸出模塊、安全總線構(gòu)成一套離散式控制系統(tǒng)。硬件和通訊的安全可靠是安全總線控制系統(tǒng)的可靠性判斷依據(jù)。在硬件上，安全總線系統(tǒng)的模塊都采用了冗余、高速的可靠元器件。

3.結(jié)論

安全控制系統(tǒng)是一個(gè)靜態(tài)的系統(tǒng)，其監(jiān)控系統(tǒng)中的安全相關(guān)的參數(shù)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，安全控制系統(tǒng)不作出任何響應(yīng)。但是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常、或安全相關(guān)信號(hào)被觸發(fā)，安全控制系統(tǒng)立刻奪去系統(tǒng)的控制權(quán)，根據(jù)其內(nèi)部邏輯，對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行安全控制，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全。安全控制系統(tǒng)中的邏輯控制元器件是決定整個(gè)安全控制系統(tǒng)安全等級(jí)、設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行質(zhì)量的重要因素之一。在安全自動(dòng)化領(lǐng)域，常用的安全邏輯控制元器件包括有安全繼電器模塊、安全可編程控制系統(tǒng)和安全總線系統(tǒng)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，這些安全邏輯元器件可以配置成合適的安全解決方案。（作者單位：南京新智勞務(wù)有限公司）

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫清泉，徐衛(wèi)國(guó)，康健.冷軋機(jī)自動(dòng)化安全控制系統(tǒng)[J].設(shè)備管理與維修，2008，1.

[2] 陸武.淺談故障安全控制系統(tǒng)的通信[J].自動(dòng)化儀表，2007，28（1）.