安全PLC在電氣自動化中的應(yīng)用問題分析與研究

耿帥兵

摘 要：為了應(yīng)對特種機械設(shè)備的高安全性要求，在現(xiàn)代的電氣自動化控制系統(tǒng)中，采用安全PLC技術(shù)已經(jīng)具有極大的優(yōu)勢。在設(shè)備布線和分布式安全系統(tǒng)設(shè)計方面節(jié)省大量的人力物力，更多的設(shè)計方案受益于此，因此在許多特種設(shè)備電氣自動化控制領(lǐng)域也大量采用安全PLC。文章將分析安全PLC技術(shù)的使用現(xiàn)狀，并分析其存在的問題，并提出相應(yīng)的建議。

關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域越來越靈活。考慮到操作員和參與者的持續(xù)安全，工程師設(shè)計階段就需要根據(jù)FMEA（失效模式與影響分析）提供保護性措施方案。對于傳統(tǒng)的項目應(yīng)用，自動化和安全技術(shù)都是單獨實施的，二者平行運轉(zhuǎn)。

當(dāng)前國內(nèi)許多大型特種游樂設(shè)備都會使用安全PLC，其可以提供可靠的硬件和軟件技術(shù)，以實現(xiàn)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(tǒng)的小型安全控制器以及伺服驅(qū)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(shè)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(yīng)用問題，并提出相應(yīng)的解決對策。

1 安全PLC相關(guān)介紹

1.1 安全控制系統(tǒng)

安全控制系統(tǒng)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?qū)Π踩斎胄盘栠M行處理，當(dāng)安全輸入信號出現(xiàn)問題時，也會及時采取相應(yīng)的措施，進而避免發(fā)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(shè)計用來監(jiān)控安全電路的狀態(tài)，能夠根據(jù)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(shè)計的。集成安全控制器設(shè)計用于在一個平臺內(nèi)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(huán)境中進行標準和安全功能的配置，它可以配合安全現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)安全問題。

2 安全PLC在電氣自動化中的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

現(xiàn)階段，許多大型成套集控和群控系統(tǒng)已經(jīng)開始使用安全PLC，國內(nèi)的應(yīng)用尤其是在玻璃、汽車制造和游樂設(shè)施等領(lǐng)域。筆者通過自己主導(dǎo)的一些項目并查閱資料，整理如下：

2.1 安全PLC應(yīng)用于玻璃生產(chǎn)

玻璃生產(chǎn)行業(yè)PLC應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)進行了PLC升級，已經(jīng)大量應(yīng)用筆者們所熟知的安全PLC。使用安全PLC后，工廠生產(chǎn)安全、績效和盈利能力顯著變化。

在玻璃生產(chǎn)中，安全PLC對于工廠自動化FA至關(guān)重要。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以安全PLC為核心的安全控制系統(tǒng)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(chǎn)中工藝過程相對較為復(fù)雜，且控制參數(shù)繁多。安全PLC的使用能夠符合新時期玻璃生產(chǎn)安全性能指標。

2.2 在汽車制造中安全PLC的應(yīng)用

當(dāng)前汽車制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，自動化水平也不斷提升，其涉及到自動化技術(shù)和產(chǎn)品、現(xiàn)場總線、運動控制等多項內(nèi)容。作為重要的主力市場，汽車制造業(yè)的安全PLC應(yīng)用成為安全PLC制造商重點角逐的市場。

汽車生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)，體現(xiàn)對綜合技術(shù)要求的最高FA行業(yè)。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(chǎn)線就要用到5-7個PLC，每一個小系統(tǒng)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(nèi)飾線和總裝線。

2.3 安全PLC在游樂設(shè)施中的應(yīng)用及趨勢

安全PLC的應(yīng)用主要集中在游樂場的室內(nèi)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(nèi)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(qū)別，但羅克韋爾的安全控制器在大系統(tǒng)且安全系統(tǒng)相對獨立的項目上具有明顯的組網(wǎng)優(yōu)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(tǒng)項目上性價比優(yōu)勢明顯。

安全PLC在游樂設(shè)施中開始被廣泛應(yīng)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(nèi)控檢測功能，能夠?qū)崟r時監(jiān)測游樂設(shè)施運行中存在的風(fēng)險項。游樂設(shè)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(shè)計，都需要安全PLC來完成。

3 應(yīng)用安全PLC過程中相關(guān)建議

安全PLC實際應(yīng)用中依舊存在一些問題。針對這些問題，筆者根據(jù)自己的安全控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試經(jīng)驗給出了相應(yīng)的建議，具體如下：

3.1 提高安全PLC的抗干擾設(shè)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(xiàn)錯誤。所以，要強化安全PLC技術(shù)的抗強磁能力，確保即使在強磁狀態(tài)下，安全PLC也能夠開展精準的計算，以此來維護系統(tǒng)的安全、設(shè)施的安全。

技術(shù)人員設(shè)計電氣系統(tǒng)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(qū)動器等大功率器件的系統(tǒng)。endprint

其次，降低環(huán)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(shè)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(tǒng)的電磁干擾，減小關(guān)鍵安全系統(tǒng)部件監(jiān)控失效的風(fēng)險。

3.2 充分運用安全PLC的安全性能

根據(jù)安全PLC高可靠性等特點，并加上計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，對兩者進行有效的結(jié)合，以此保證系統(tǒng)正常運行后面的故障監(jiān)控。不僅如此，安全PLC和電子顯示屏的結(jié)合，能夠有效發(fā)揮安全平臺的監(jiān)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?qū)Σ僮靼踩杂枰蕴嵘?dāng)前游樂設(shè)施中就需要安全PLC系統(tǒng)來降低存在的操作風(fēng)險和故障風(fēng)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(xiàn)這些目標，就需要高度重視安全PLC系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。

充分運用安全PLC的安全性能，當(dāng)前安全PLC中的安全系統(tǒng)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(fù)雜的應(yīng)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(yīng)的功能塊，且根據(jù)相通的線路來維持安全和標準數(shù)據(jù)的通訊，只需要管理好安全總線，有效減少了相應(yīng)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(shù)人員的專業(yè)能力

隨著安全PLC系統(tǒng)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(nèi)以梯形圖（LD）編程的技術(shù)人員居多，國外的工程師則以結(jié)構(gòu)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(diào)用，因此這就需要專業(yè)的技術(shù)人員對安全功能塊進行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)和應(yīng)用調(diào)試。

不僅如此安全PLC的操作人員還應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)相應(yīng)的系統(tǒng)安全理論知識，如安全評估、安全設(shè)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(shù)人員必須能夠從電氣自動化系統(tǒng)安全完整性的角度去設(shè)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(dāng)前系統(tǒng)集成型的制造企業(yè)對引進和培養(yǎng)電氣自動化安全方面的專業(yè)設(shè)計人才還不夠重視，這個問題會讓企業(yè)在培養(yǎng)和積累核心競爭力中落后，無法培養(yǎng)引領(lǐng)行業(yè)前進的人才。開發(fā)專業(yè)技術(shù)需要積累相應(yīng)的經(jīng)驗，企業(yè)會因為大量非專業(yè)人才進入到專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域而面臨巨大的風(fēng)險。

4 結(jié)束語

筆者經(jīng)過多年在大型游樂設(shè)施領(lǐng)域主導(dǎo)安全控制系統(tǒng)設(shè)計工作，很清楚安全PLC系統(tǒng)最早用于冶金等傳統(tǒng)高危行業(yè)，但是當(dāng)前在游樂設(shè)施系統(tǒng)中其已經(jīng)具有不可撼動的地位。安全PLC系統(tǒng)的發(fā)展，能夠有效維護工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全，能夠為游樂設(shè)施的安全性保駕護航。對于有著安全性能等級要求的設(shè)備，不是僅采用了該安全性能等級的安全PLC就能達到。設(shè)計團隊需要系統(tǒng)的從安全評估、安全設(shè)計直至安全檢查的安全設(shè)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。

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