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機械的安全性就是機械安全使用說明書規定的預定使用條件下執行其功能和在運輸、安裝、調整、拆卸和處理時不產生傷害或危害健康的能力。任何一臺機械都有風險,會導致危險。這些風險和危險都會導致事故的發生、對人員造成傷害。

當我們能夠關注機械本身的安全性能的時候,其安全功能應該由安全自動化控制系統來實現。安全控制系統的正確設計會影響到機械的安全性能。安全控制系統的可靠性是衡量該臺機械是否符合安全要求的重要依據，本文對于機械制造中的安全控制系統相關問題進行分析。

1安全控制系統

所謂的安全(控制)系統,是在開車、停車、出現工藝擾動以及正常維護、操作期間對生產裝置提供安全保護。一旦當工廠裝置本身出現危險,或由于人為原因而導致危險時,系統立即做出反應并輸出正確信號,使裝置安全停車,以阻止危險的發生或事故的擴散。它包括了現場的安全信號,如緊急停止信號、安全進入信號、閥反饋信號、液位信號等,邏輯控制單元和輸出控制單元。無論在機械制造領域還是在流程化工領域,安全控制系統是整個系統運轉中不可或缺的一部分。

從安全控制系統的結構圖我們可以看出,安全控制鏈由輸入(如傳感器)、邏輯(如控制器)、輸出(如觸發裝置)構成。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、標準現場總線或DCS等邏輯控制元器件,從表面上達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、標準現場總線或DCS不屬于安全相關元器件或系統。它們在進行安全相關控制的時候可能會出現以下安全隱患:處理器不規則、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,都會導致安全功能失效,從而導致事故的發生。所以,安全控制系統就是要求能夠可靠的控制安全輸入信號,一旦當安全輸入信號變化或安全控制系統中出現任何故障,立即做出反應并輸出正確信號,使機器安全停車,以阻止危險的發生或事故的擴散。

安全控制系統的硬件主要采取了以下措施來達到安全要求: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)安全認證功能塊。

常見的安全輸入設備包括由緊急停止設備、安全進入裝置(安全門開關或聯鎖裝置)、安全光電設備(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。

2安全邏輯控制設備

邏輯控制設備是整個安全控制系統中最重要的一部分。它需要接收安全信號,進行邏輯分析,可靠的進行安全輸出控制。現代自動化安全控制領域中,安全系統的控制元器件有安全繼電器、安全PLC和安全總線控制系統。

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,實現了對輸出負載的可靠控制。

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K1出現故障的時候,K2依然可以實現安全觸點斷開的功能。同時,安全繼電器模塊可以通過內部電路進行自檢,檢測出外部接線故障和內部元器件的故障。

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行控制,并且這些處理器來自不同的生產商。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最根本的區別。當一定數量的處理器出現故障后,完好的處理器依然執行安全功能,切斷所有安全輸出使系統停機。導致系統停機的處理器的故障數量取決于不同的系統。如,1oo2系統(2取1的系統),一旦一個處理器出現故障,系統立刻進入故障安全狀態;又如,2oo3系統(3取2的系統),當一個處理器出現故障,系統并不會停機。系統只有在2個處理器同時出現故障的情況下才會導致系統停機。前者我們通常成為2重冗余系統,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,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。當信號進入PLC后,分別進入多個輸入寄存器,再通過對應的多個中央處理器的處理,最后進入多個輸出寄存器。這樣,安全PLC就構成了多個冗余的通道。整個過程之中,信號狀態、處理結果等可以通過安全PLC內部的暫存裝置進行相互比較,如果出現不一致,則可以根據不同的系統特性,進入故障安全狀態或將故障檢測出來。

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的輸出內部電路也采用了冗余、多樣性的方式,對一個輸出節點進行安全可靠控制。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轉變為0。無論那種方式出現故障,另外一種方式依然完好的執行安全功能。同時,安全PLC提供了內部檢測脈沖,以檢測內部故障。

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到緊急停車的要求,同時能夠以較短的時間完成整套系統的安全功能自檢。

在軟件方面,安全PLC必須有可靠的編程環境、校驗手段,以保證安全。這主要可以通過規范安全功能編程來實現。如Pilz的安全PLC,提供了通過認證的MBS安全標準功能塊,以幫助編程人員進行合理的、安全的編程。這些安全功能塊經過加密,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的地址、參數和中間變量,即可以完成對安全功能的編程。這些MBS功能塊涵蓋了機械制造領域及流程化工領域的安全功能控制。

2.3安全總線控制系統

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

3結論

安全控制系統是一個靜態的系統,其監控系統中的安全相關的參數。在系統正常運行期間,安全控制系統不作出任何響應。但是當系統出現異常、或安全相關信號被觸發,安全控制系統立刻奪去系統的控制權,根據其內部邏輯,對輸出設備進行安全控制,從而保證了整個系統的安全。安全控制系統中的邏輯控制元器件是決定整個安全控制系統安全等級、設計成本、運行質量的重要因素之一。在安全自動化領域,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和安全總線系統。針對不同的應用場合,這些安全邏輯元器件可以配置成合適的安全解決方案。