安全PLC在電氣自動化中的應用問題分析與研究

耿帥兵

摘 要：為了應對特種機械設備的高安全性要求，在現代的電氣自動化控制系統中，采用安全PLC技術已經具有極大的優勢。在設備布線和分布式安全系統設計方面節省大量的人力物力，更多的設計方案受益于此，因此在許多特種設備電氣自動化控制領域也大量采用安全PLC。文章將分析安全PLC技術的使用現狀，并分析其存在的問題，并提出相應的建議。

關鍵詞：安全PLC；電氣自動化；安全完整性；安全性能等級

中圖分類號：F407.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0155-02

機械裝置與電氣自動化融合的越來越深入，應用領域越來越靈活。考慮到操作員和參與者的持續安全，工程師設計階段就需要根據FMEA（失效模式與影響分析）提供保護性措施方案。對于傳統的項目應用，自動化和安全技術都是單獨實施的，二者平行運轉。

當前國內許多大型特種游樂設備都會使用安全PLC，其可以提供可靠的硬件和軟件技術，以實現用集成的方式進行簡便的操作，包括安全輸入/輸出端子模塊、用于總線端子系統的小型安全控制器以及伺服驅動器。從軟件方面來說，它集成了自動化軟件，能夠方便地配置安全功能。在項目設計過程中，筆者對安全PLC的重要作用有很深的體會，文章將分析安全PLC在電氣自動化中的應用問題，并提出相應的解決對策。

1 安全PLC相關介紹

1.1 安全控制系統

安全控制系統包含安全輸入信號（如緊急停止信號、安全限位信號和安全帶信號等）、安全控制模塊（如安全PLC）和被控安全輸出元件（如安全接觸器）三部分組成。安全PLC作為安全控制模塊，需要對安全輸入信號進行分析和處理，并最終控制安全輸出元件。安全PLC工作更加可靠，其能夠對安全輸入信號進行處理，當安全輸入信號出現問題時，也會及時采取相應的措施，進而避免發生安全事故。

1.2 安全PLC分類

安全PLC，分為獨立可編程和集成安全控制器兩種。其中獨立可編程控制器是設計用來監控安全電路的狀態，能夠根據具體功能配置軟件，其通常情況下用于小型安全控制器，是針對安全電路控制而設計的。集成安全控制器設計用于在一個平臺內提供標準電氣自動化控制和安全控制，通過可編程軟件，允許在相同的編程環境中進行標準和安全功能的配置，它可以配合安全現場總線使用。

1.3 安全PLC特征

安全PLC的安全要求是在硬件上加入這些模塊：冗余性控制、多樣性控制、系統頻繁且可靠的自筆者檢測、CRC校檢、安全認證功能模塊。這些模塊能夠最大程度上避免出現安全問題。

2 安全PLC在電氣自動化中的應用發展現狀和趨勢

現階段，許多大型成套集控和群控系統已經開始使用安全PLC，國內的應用尤其是在玻璃、汽車制造和游樂設施等領域。筆者通過自己主導的一些項目并查閱資料，整理如下：

2.1 安全PLC應用于玻璃生產

玻璃生產行業PLC應用廣泛，現在已經進行了PLC升級，已經大量應用筆者們所熟知的安全PLC。使用安全PLC后，工廠生產安全、績效和盈利能力顯著變化。

在玻璃生產中，安全PLC對于工廠自動化FA至關重要。隨著技術的不斷發展，以安全PLC為核心的安全控制系統促進了控制功能和安全性能的提高。但同時其對于控制方式和運行水平要求也隨即提高。玻璃生產中工藝過程相對較為復雜，且控制參數繁多。安全PLC的使用能夠符合新時期玻璃生產安全性能指標。

2.2 在汽車制造中安全PLC的應用

當前汽車制造產業規模不斷擴大，自動化水平也不斷提升，其涉及到自動化技術和產品、現場總線、運動控制等多項內容。作為重要的主力市場，汽車制造業的安全PLC應用成為安全PLC制造商重點角逐的市場。

汽車生產線包含四大工序：沖壓、焊裝、總裝和涂裝。每個工序都需要使用到安全PLC予以控制，所以可以說安全PLC是朝陽產業，體現對綜合技術要求的最高FA行業。沖壓期間除了機械手外，其余的都需要安全PLC。焊裝車間主要是傳輸控制，一條生產線就要用到5-7個PLC，每一個小系統都需要用一個安全PLC予以控制，而在總裝車間的安全PLC則是控制三種輸送線：高架線、內飾線和總裝線。

2.3 安全PLC在游樂設施中的應用及趨勢

安全PLC的應用主要集中在游樂場的室內項目，以黑暗騎乘項目和飛行影院為主，迪士尼項目采用的安全控制器是以美國羅克韋爾獨立可編程安全控制器為主，而國內的代表性樂園以萬達項目為例，采用的安全控制器是以德國倍福集成安全控制器為主。雖然功能上二者沒有區別，但羅克韋爾的安全控制器在大系統且安全系統相對獨立的項目上具有明顯的組網優勢，而德國倍福安全控制器在安全控制功能相對分散的大系統項目上性價比優勢明顯。

安全PLC在游樂設施中開始被廣泛應用，筆者在實際工作中深深體會到安全PLC的重要性。安全PLC具有較好的內控檢測功能，能夠實時時監測游樂設施運行中存在的風險項。游樂設施中特殊的電子線路、細致的診斷軟件分析，加上有可能會失效的測試設計，都需要安全PLC來完成。

3 應用安全PLC過程中相關建議

安全PLC實際應用中依舊存在一些問題。針對這些問題，筆者根據自己的安全控制系統設計和調試經驗給出了相應的建議，具體如下：

3.1 提高安全PLC的抗干擾設計

安全PLC運行過程中容易受到強電磁的供給，由此會使得運算和通訊出現錯誤。所以，要強化安全PLC技術的抗強磁能力，確保即使在強磁狀態下，安全PLC也能夠開展精準的計算，以此來維護系統的安全、設施的安全。

技術人員設計電氣系統時也要提高安全PLC的抗干擾能力，需從以下幾個方面考慮：

首先，對下級控制回路做好屏蔽保護，特別是針對安裝有變頻器和伺服驅動器等大功率器件的系統。endprint

其次，降低環境噪聲對測試電路的影響，控制房的位置要遠離變壓器房和強電間。

最后，降低公共接地、變頻器、電磁閥以及不明脈沖對安全PLC的干擾，并對下級設備進行隔離防護。通過安裝UPS隔離電源、單獨接地、濾波器和安全柵等，降低干擾源對安全PLC系統的電磁干擾，減小關鍵安全系統部件監控失效的風險。

3.2 充分運用安全PLC的安全性能

根據安全PLC高可靠性等特點，并加上計算機強大的數據處理能力，對兩者進行有效的結合，以此保證系統正常運行后面的故障監控。不僅如此，安全PLC和電子顯示屏的結合，能夠有效發揮安全平臺的監控能力，促進人機的有效互動，便捷操作。外部安全傳感器和安全PLC的邏輯互鎖能夠對操作安全性予以提升，當前游樂設施中就需要安全PLC系統來降低存在的操作風險和故障風險。因為游樂場人流量大，且大部分以有效兒童為主，要想確保其安全，實現這些目標，就需要高度重視安全PLC系統的設計和應用。

充分運用安全PLC的安全性能，當前安全PLC中的安全系統程序和標準功能程序都可以在冗余的CPU中同時運行，這有效簡化了復雜的應用過程。不需要單獨的配置安全控制器，就能夠精準編輯相應的功能塊，且根據相通的線路來維持安全和標準數據的通訊，只需要管理好安全總線，有效減少了相應的安裝費用，而這也是普通PLC所無法比擬的。

3.3 提高安全PLC技術人員的專業能力

隨著安全PLC系統的不斷進化，即使是不同廠家的安全PLC也會有不同的編程語言，國內以梯形圖（LD）編程的技術人員居多，國外的工程師則以結構化文本（ST）編程居多，安全PLC更多是以安全功能塊的形式進行編程和調用，因此這就需要專業的技術人員對安全功能塊進行系統性學習和應用調試。

不僅如此安全PLC的操作人員還應當學習相應的系統安全理論知識，如安全評估、安全設計和安全檢查。實踐上也需要具備工廠電工的強電知識、電路方面的弱電知識等等。所以，安全PLC技術人員必須能夠從電氣自動化系統安全完整性的角度去設計，同時還要了解安全PLC所涉及的外圍元器件的安全性能等級。

當前系統集成型的制造企業對引進和培養電氣自動化安全方面的專業設計人才還不夠重視，這個問題會讓企業在培養和積累核心競爭力中落后，無法培養引領行業前進的人才。開發專業技術需要積累相應的經驗，企業會因為大量非專業人才進入到專業技術領域而面臨巨大的風險。

4 結束語

筆者經過多年在大型游樂設施領域主導安全控制系統設計工作，很清楚安全PLC系統最早用于冶金等傳統高危行業，但是當前在游樂設施系統中其已經具有不可撼動的地位。安全PLC系統的發展，能夠有效維護工業生產系統的安全，能夠為游樂設施的安全性保駕護航。對于有著安全性能等級要求的設備，不是僅采用了該安全性能等級的安全PLC就能達到。設計團隊需要系統的從安全評估、安全設計直至安全檢查的安全設計流程，才能夠完成一個高水準、符合安全要求的電氣自動化項目。

參考文獻：

[1]孫振強.可編程控制器原理及應用教程[M].清華大學出版社，2005.

[2]史國生.電氣控制與可編程控制器技術[M].化學工業出版社，2004.

[3]廖常初.PLC基礎及應用[M].機械工業出版社，2003.

[4]李丹.關于電氣設備自動化控制中PLC技術的應用分析[J].科技創新與應用，2016（33）：132.endprint