機(jī)械制造中的安全控制系統(tǒng)

黎宜財

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，對于安全邏輯控制設(shè)備組成及特點進(jìn)行詳細(xì)分析，對于保證機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全問題具有一定作用。

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

引言

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

1.安全控制系統(tǒng)

所謂的安全（控制）系統(tǒng)，是在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護(hù)、操作期間對生產(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，或由于人為原因而導(dǎo)致危險時，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，使裝置安全停車，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。它包括了現(xiàn)場的安全信號，如緊急停止信號、安全進(jìn)入信號、閥反饋信號、液位信號等，邏輯控制單元和輸出控制單元[2]。無論在機(jī)械制造領(lǐng)域還是在流程化工領(lǐng)域，安全控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)運轉(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。從邏輯上來說，對于安全信號的控制功能可以采用普通繼電器、普通PLC、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線或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)場總線或DCS不屬于安全相關(guān)元器件或系統(tǒng)。它們在進(jìn)行安全相關(guān)控制的時候可能會出現(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、觸點融焊）、輸出元器件故障（如觸點融焊）、輸出回路故障（如短路、斷路）、通訊錯誤等。這些安全隱患，都會導(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，一旦當(dāng)安全輸入信號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，使機(jī)器安全停車，以阻止危險的發(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（對硬件、軟件、通訊）；4）程序CRC校驗；5）安全認(rèn)證功能塊。

常見的安全輸入設(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)備是整個安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號，進(jìn)行邏輯分析，可靠的進(jìn)行安全輸出控制?，F(xiàn)代自動化安全控制領(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，是最簡單的安全邏輯控制元器件。其特點是采用了冗余的輸出控制和自我檢測的功能，實現(xiàn)了對輸出負(fù)載的可靠控制。

該模塊的存在2個安全輸出觸點，這兩個安全輸出觸點在內(nèi)部是由來自2個不同的特殊繼電器K1和K2的常開觸點串連而組成。當(dāng)K1出現(xiàn)故障的時候，K2依然可以實現(xiàn)安全觸點斷開的功能。同時，安全繼電器模塊可以通過內(nèi)部電路進(jìn)行自檢，檢測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)一個處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)并不會停機(jī)。系統(tǒng)只有在2個處理器同時出現(xiàn)故障的情況下才會導(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。

對于信號的采集、處理和輸出的過程，安全PLC都采用了冗余控制的方式。當(dāng)信號進(jìn)入PLC后，分別進(jìn)入多個輸入寄存器，再通過對應(yīng)的多個中央處理器的處理，最后進(jìn)入多個輸出寄存器。這樣，安全PLC就構(gòu)成了多個冗余的通道。整個過程之中，信號狀態(tài)、處理結(jié)果等可以通過安全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測出來。

輸入回路可以采用雙通道的方式，通過2條物理接線進(jìn)入安全PLC。安全PLC也可以提供安全測試脈沖，用以檢測輸入通道中的故障。安全PLC的輸出內(nèi)部電路也采用了冗余、多樣性的方式，對一個輸出節(jié)點進(jìn)行安全可靠控制。安全PLC可以通過2種不同的手段，即切斷基極信號和切斷集電極電源兩種不同的方式，將輸出信號由1轉(zhuǎn)變?yōu)?。無論那種方式出現(xiàn)故障，另外一種方式依然完好的執(zhí)行安全功能。同時，安全PLC提供了內(nèi)部檢測脈沖，以檢測內(nèi)部故障。

安全PLC的掃描時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，同時能夠以較短的時間完成整套系統(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、校驗手段，以保證安全。這主要可以通過規(guī)范安全功能編程來實現(xiàn)。如Pilz的安全PLC，提供了通過認(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，對輸出設(shè)備進(jìn)行安全控制，從而保證了整個系統(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安全控制系統(tǒng)安全等級、設(shè)計成本、運行質(zhì)量的重要因素之一。在安全自動化領(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)。針對不同的應(yīng)用場合，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，康健.冷軋機(jī)自動化安全控制系統(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].自動化儀表，2007，28（1）.