菲尼克斯電氣全新安全系統(tǒng)解決方案

德國菲尼克斯電氣集團(tuán) Steffen Horn

菲尼克斯（中國）投資有限公司 薛小芹

一種全新的安全系統(tǒng)解決方案，集成了可編程安全PLC 及可組態(tài)的安全模塊的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用靈活，可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，為中型/中大型分布式安全系統(tǒng)提供了更加優(yōu)化的解決方案。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化程度的提高，機(jī)器設(shè)備對安全的要求也越來越高，機(jī)器設(shè)備的發(fā)展目標(biāo)之一，就是能將安全功能集成于高效、靈活的控制系統(tǒng)中。對于大型應(yīng)用方案，集成度較高的安全PLC是比較理想的選擇，而對于小型應(yīng)用方案，簡單、可組態(tài)的安全模塊則更加實(shí)用，具有更多的優(yōu)勢。現(xiàn)在，一種全新的解決方案，集成了以上兩種方案的優(yōu)點(diǎn)——應(yīng)用靈活，可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能，為中型、分布式應(yīng)用提供了更加優(yōu)化的解決方案，無需使用安全PLC，即可幫助機(jī)器設(shè)備制造商實(shí)現(xiàn)高效的、支持網(wǎng)絡(luò)功能的安全解決方案。

技術(shù)現(xiàn)狀

縱觀當(dāng)前市場上所提供的各種安全系統(tǒng)解決方案，在簡單的、可組態(tài)的安全模塊和靈活的、高性能的可編程安全PLC之間，缺少另一種分支產(chǎn)品。

依照EU機(jī)械指令，在設(shè)計(jì)機(jī)器設(shè)備安全回路時(shí)，設(shè)計(jì)工程師必須參照最新的國際功能安全標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)(例如：EN ISO 13849或IEC 62061)，因此這就提出了一個(gè)問題，無論是使用可編程、支持網(wǎng)絡(luò)功能的安全PLC，還是使用簡單、可組態(tài)的安全模塊，都要求我們的工程師對最新安全標(biāo)準(zhǔn)有足夠的理解，以保證其設(shè)計(jì)的安全回路符合當(dāng)前所流行的功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

早在2008-2009年，這個(gè)問題就已經(jīng)被一個(gè)特殊的工作小組“Steuerungstechnik im VDMA”提出并開始分析，最后，制定了相應(yīng)的指導(dǎo)方針，命名為“Programmierbare Sicherheitstechnik im Maschinenbau. Entscheidungshilfe für den Einsatz. Safety(1)”，此指導(dǎo)方針充分考慮了當(dāng)前工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平下所流行的技術(shù)，指出了與安全相關(guān)的通訊功能的重要意義，但這僅限于針對可編程安全PLC，可組態(tài)的安全模塊并不在范圍之內(nèi)。

可組態(tài)的安全模塊

相對于簡單的、采用硬接線的通用安全繼電器，可組態(tài)的安全模塊擁有應(yīng)用靈活的優(yōu)勢，根據(jù)應(yīng)用需求，可任意組態(tài)安全功能，僅需借助類似螺絲刀這種簡單的硬件工具，以及簡單的軟件組態(tài)工具，即可完成整個(gè)模塊的組態(tài)和接線工作。可組態(tài)的安全模塊主模塊面板上擁有數(shù)量固定的安全I(xiàn)/O 輸入/輸出信號(hào)，在安全I(xiàn)/O信號(hào)不夠的情況下，可以通過增加I/O擴(kuò)展模塊，直接將擴(kuò)展模塊和主模塊相連，也可以通過專用的擴(kuò)展總線耦合器，以擴(kuò)展I/O信號(hào)。另外，一些可組態(tài)的安全模塊還支持安全信號(hào)和非安全信號(hào)的混合應(yīng)用。

通過標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或通過特殊的現(xiàn)場總線模塊(總線耦合器)，可以整合標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化機(jī)器設(shè)備的控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)，通過這些模塊，將可組態(tài)安全模塊上的信號(hào)傳輸至標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)，例如診斷信息或信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)此功能的前提是，在組態(tài)軟件里，必須事先選擇這些信號(hào)，并對其進(jìn)行地址設(shè)置。

可組態(tài)安全模塊使用方便、安裝簡單，所能達(dá)到的安全等級(jí)對于每個(gè)人都是固定的，例如普通職員、電工和操作工人，即使這些人之前并不負(fù)責(zé)安全方面的工作，也不需要對他們進(jìn)行編程方面的特殊培訓(xùn)，因?yàn)榘踩δ芤呀?jīng)被集成在具有安全認(rèn)證的安全功能塊中。

當(dāng)然，相對于靈活的可編程安全PLC系統(tǒng)，可組態(tài)的安全模塊的缺點(diǎn)也是明顯的，其不能與安全網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，不能將一些與安全相關(guān)的信息傳輸至已經(jīng)存在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。對于分布式的機(jī)器設(shè)備而言，這就增加了額外的接線或需要增加專用總線模塊。因此，對于這種用戶而言，此方案既不靈活性，也不高效，而且還需要增加額外的成本。

因此，要在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中連接分布式安全I(xiàn)/O模塊，唯一的方法就是應(yīng)用可編程安全PLC，并且要求這種PLC支持安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

可編程安全PLC

相比簡單的可組態(tài)安全模塊，可編程安全PLC支持更多的安全信號(hào)、安全功能塊應(yīng)用示例，編程資源庫，更好地集成一些特殊的安全功能，例如：安全運(yùn)動(dòng)。通過安全網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，安全PLC可以和分布式安全I(xiàn)/O模塊、高集成功能的安全設(shè)備進(jìn)行通訊（例如：激光掃描儀、安全驅(qū)動(dòng)）。最新的安全網(wǎng)絡(luò)還支持無線通訊，對于移動(dòng)的機(jī)器設(shè)備和工具，這種方案有很大的優(yōu)勢。

但是，可編程安全PLC的使用也有一定的限制，需要符合一些前提條件，而且這些條件往往具有很大的挑戰(zhàn)：

首先，需要確認(rèn)所應(yīng)用的PLC是否能提供 “Safe Version”？而對于一些機(jī)器設(shè)備，這一要求其實(shí)是很難滿足的，因?yàn)槟壳埃踩玃LC的發(fā)展是非常緩慢，所應(yīng)用的PLC系統(tǒng)不一定能提供“Safe Version”。

其次，機(jī)器設(shè)備制造商由于需要符合不同客戶的特殊需求，所使用的控制系統(tǒng)品牌或型號(hào)可能是不一樣的， 是否能實(shí)現(xiàn)所有與安全相關(guān)的控制？這也是一個(gè)問題。

第三，機(jī)器設(shè)備制造商使用自己研發(fā)和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或基于PC的控制系統(tǒng)，在安全軟件和安全運(yùn)行技術(shù)可用的情況下（例如：KW-Software公司開發(fā)的安全軟件），基于安全的硬件設(shè)備必須由機(jī)器設(shè)備制造商本身開發(fā)或設(shè)計(jì)。

在確認(rèn)所使用的PLC系統(tǒng)所對應(yīng)的安全PLC系統(tǒng)可以提供的前提下，又提出了以下新問題：“PLC支持哪種安全網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議”？不同的PLC支持不同的網(wǎng)絡(luò)或協(xié)議。最壞的情況就是，機(jī)器設(shè)備制造商必須根據(jù)使用的安全網(wǎng)絡(luò)類型來選擇安全PLC品牌或型號(hào)。可是，是否有足夠的安全網(wǎng)絡(luò)類型可供選擇，又是一個(gè)值得思考的問題。

進(jìn)行PLC系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)類型的更改不僅是硬件問題，從工程工具方面來說，編程語言，安全程序的驗(yàn)證和確認(rèn)流程，所有部件的功能安全管理都是必須要考慮的。

因此，總的來說，安全PLC、安全網(wǎng)絡(luò)、安全零部件和工程之間存在較強(qiáng)的附屬關(guān)系，對于機(jī)器設(shè)備制造商甚至最終用戶，最終又可能成為一大劣勢。

之所以對這些附屬關(guān)系進(jìn)行分析，其原因也是已經(jīng)非常明顯的，需要將安全邏輯單元和安全通信主站高度集成于中央標(biāo)準(zhǔn)PLC系統(tǒng)，此外，大多數(shù)安全協(xié)議使用特殊的、類似非循環(huán)服務(wù)或特殊通訊網(wǎng)絡(luò)特性，而無法進(jìn)行參數(shù)化、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的診斷。

安全橋技術(shù)——分布式、可組態(tài)的安全模塊

安全橋技術(shù)是一種全新的解決方案，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中分布式安全功能，以消除安全協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)PLC和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線/網(wǎng)絡(luò)彼此之間較強(qiáng)的附屬關(guān)系，因此，安全橋技術(shù)必須能實(shí)現(xiàn)以下2個(gè)重要的特性：

首先，安全邏輯單元無需集成在PLC系統(tǒng)，安全邏輯單元是分散的、獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)PLC，是一種可組態(tài)的安全模塊。在安全橋技術(shù)中，具有特殊功能的邏輯模塊其實(shí)就是一種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

其次，為了讀取來自分布式傳感器的安全輸入信號(hào)，或?qū)踩敵鲂盘?hào)傳輸至執(zhí)行器，安全邏輯模塊必須通過一種特殊的安全橋協(xié)議，將這些信息傳輸至已經(jīng)安裝好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中。這種安全協(xié)議不含任何網(wǎng)絡(luò)和PLC之間所指定的某種附屬特性，因此，黑通道原理被用于進(jìn)行參數(shù)化和故障診斷。標(biāo)準(zhǔn)PLC和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，以及安全報(bào)文中所涉及的所有零部件，都是“黑色通道”的一部分，安全相關(guān)失效檢測方法，僅在通訊的終端被執(zhí)行，在黑色通道內(nèi)部檢測所有的殘余失效的概率，以符合最高安全等級(jí)（等級(jí)4，SIL3，PLe）。

從使用者的角度出發(fā)，一個(gè)安全站點(diǎn)內(nèi)所有分布式安全橋模塊要能完成原先使用可組態(tài)安全模塊能完成的功能，即實(shí)現(xiàn)的一臺(tái)機(jī)器設(shè)備所要求的所有安全功能。

標(biāo)準(zhǔn)PLC系統(tǒng)是黑色通道中的一部分的這一特殊特性，帶來一些無法預(yù)知的好處：

? 標(biāo)準(zhǔn)PLC能直接讀來自輸入設(shè)備的所有安全輸入信號(hào)。

? 標(biāo)準(zhǔn)PLC還能直接讀取所有安全輸出信號(hào)，這些信號(hào)通過安全輸出設(shè)備被映射成標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)被讀取。

? 標(biāo)準(zhǔn)PLC能直接讀取來自所有安全橋模塊（例如：安全輸入模塊、安全邏輯模塊、安全輸出模塊）的所有診斷信息。

? 只要安全橋和安全邏輯模塊容許，標(biāo)準(zhǔn)PLC還能直接發(fā)送安全輸出信號(hào)至安全輸出模塊。

這種既安全又可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊的新方案，集合了可編程、支持網(wǎng)絡(luò)功能的安全PLC系統(tǒng)和可組態(tài)安全模塊二者的優(yōu)勢。安全橋支持網(wǎng)絡(luò)功能，可以像安全PLC一樣應(yīng)用靈活，又可以像可組態(tài)安全模塊一樣安裝簡單，其組態(tài)軟件與可組態(tài)安全模塊所應(yīng)用的軟件是一樣的，都是SAFECONF軟件。

結(jié)語

作為一種全新的安全系統(tǒng)解決方案，安全橋可以集成在自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)安全網(wǎng)絡(luò)通信功能。安全橋技術(shù)完全獨(dú)立于安全PLC和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，因此，可非常容易地集成于已有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)中，無需使用特殊的PLC系統(tǒng)和安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便可實(shí)現(xiàn)各種安全功能。此技術(shù)以及產(chǎn)品早在2009年就已經(jīng)通過了德國萊茵TüV認(rèn)證，集合了安全網(wǎng)絡(luò)通訊功能和可組態(tài)的安全模塊應(yīng)用簡單的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在最高安全等級(jí)為4 ,SIL 3, PL e的各種應(yīng)用中。由于嚴(yán)格執(zhí)行了安全功能和標(biāo)準(zhǔn)PLC網(wǎng)絡(luò)分開原則，即使系統(tǒng)中所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)PLC或網(wǎng)絡(luò)配置發(fā)生了變化，也無需對安全相關(guān)配置和參數(shù)進(jìn)行修改，這也就意味著，只要是得到認(rèn)可的安全應(yīng)用方案，無需進(jìn)行任何修改，可以被應(yīng)用于使用不同PLC系統(tǒng)的機(jī)器設(shè)備，可以在不同的控制系統(tǒng)中被重復(fù)使用。

安全橋技術(shù)是一種全新的安全技術(shù)，其彌補(bǔ)了可組態(tài)的安全模塊和可編程PLC系統(tǒng)之間的應(yīng)用間隙。