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機械制造安全控制研究:淺談機械制造中的安全控制

摘 要：本文則是在機械安全控制的基礎(chǔ)概念上，詳細闡述了機械安全邏輯控制即通過信號輸入然后進行分析做出判斷最后采取必要的措施，保證了工業(yè)生產(chǎn)的安全進行。

關(guān)鍵詞：機械制造；安全；邏輯控制

1 安全控制系統(tǒng)的基本概念與組成

當(dāng)在操作機械設(shè)備進行工業(yè)生產(chǎn)時會產(chǎn)生因操作失誤或工廠裝置本身出現(xiàn)故障時，安全控制系統(tǒng)中的輸入設(shè)備就會檢測到諸如電壓、液壓之類信息的變化，這些信息會反饋給邏輯控制設(shè)備，邏輯控制設(shè)備會將這些信息與標準信號進行比對判斷然后作用于諸如繼電器之類的可以根據(jù)不同信號進行不同動作的機構(gòu)。從而采取切斷電源等安全措施保護工人的安全。說到這大家也許還一頭霧水，說了這么多到底什么叫自動控制系統(tǒng)呢？所謂安全控制系統(tǒng)是在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護、操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護。從上文大家不難看出安全控制系統(tǒng)主要包括輸入設(shè)備、邏輯控制設(shè)備和輸出設(shè)備組成。

2 安全控制系統(tǒng)的輸入與輸出環(huán)節(jié)

安全控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備包括緊急停止設(shè)備、安全進入裝置（安全門快關(guān)或連鎖裝置）、安全光電設(shè)備（安全光幕、安全光柵、安全掃描儀）等這些設(shè)備的功能大多是依靠各種傳感器實現(xiàn)的所以也可以說安全控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)信息的采集是依靠傳感器實現(xiàn)的。相比與輸入環(huán)節(jié)，輸出環(huán)節(jié)則采用普通繼電器、普通PLC、標準現(xiàn)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輸出信號。但是由于制作工藝、使用時間較長等原因在輸出環(huán)節(jié)所采用的裝置都會存在一定的安全隱患諸如處理器不規(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。這些隱患的存在將會對整個安全控制系統(tǒng)產(chǎn)生致命的影響從而影響整個機械設(shè)備的安全性。那么我們怎么保證在安全控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中的硬件的安全要求呢？在工業(yè)生產(chǎn)中多采用以下兩種措施來保證硬件的安全性：（1）采用冗余性控制；（2）采用多樣性控制。作為機械設(shè)備的安全控制系統(tǒng)必須保證能夠可靠地控制安全輸入信號，當(dāng)輸入信號出現(xiàn)錯誤或信號發(fā)生變化時，立即做出反應(yīng)并輸出正確的信號使機器及時切斷電源安全停車，防患于未然或在危險發(fā)生后能防止事故的擴散避免其產(chǎn)生更大的影響。

輸入和輸出環(huán)節(jié)在安全控制系統(tǒng)中扮演者十分重要的角色，能否及時的發(fā)現(xiàn)問題并報告給邏輯控制環(huán)節(jié)，而當(dāng)邏輯控制環(huán)節(jié)發(fā)出指令后輸出設(shè)備能否迅速響應(yīng)也影響著安全控制的可靠性。當(dāng)輸入與輸出都能快速的做出響應(yīng)時，整個控制系統(tǒng)的中樞即邏輯控制設(shè)備就顯示出了其舉足輕重的作用，下面我們來討論安全控制系統(tǒng)中的安全邏輯控制設(shè)備。

3 安全控制系統(tǒng)的中樞——邏輯控制設(shè)備

安全可編程控制器即安全PLC，安全PLC相比于普通PLC的優(yōu)點在于安全PLC采用了多套來自不同生產(chǎn)商的中央處理器，這樣在處理信息時如果有處理器出現(xiàn)故障那么就會有其他的處理器代替故障處理器進行工作，由于不同的的處理器來自不同的廠家這就保證了相同的環(huán)境下不同的處理器出現(xiàn)故障的概率不同。而當(dāng)出現(xiàn)故障的處理器達到一定數(shù)量時，會切斷所有安全輸出時系統(tǒng)停機。在不同的系統(tǒng)下導(dǎo)致系統(tǒng)停機的故障處理器的個數(shù)是不同的，正是由于這些不同的存在也為不同機械設(shè)備處理不同的故障情況提供了選擇。對于安全PLC的冗余控制我們可以用三個“多”字來概括。首先，在信號采集時信號被送到多個輸入寄存器，輸入回路通過2條物理線接入安全PLC即通常所說的雙通道方式。借助于安全PLC內(nèi)部所提供的安全測試脈沖，系統(tǒng)可以檢測輸入通道中的故障。其次在信號處理時這些信號又被送入多個中央處理器，最后這些信號又被送入多個輸出寄存器，安全PLC的輸出內(nèi)部電路采用了冗余多樣性的方式，對一個輸出節(jié)點進行安全可靠的控制，提供了多重保障。同時安全PLC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。同樣在輸出電路內(nèi)部檢測脈沖也在不斷進行自檢。這樣，PLC不斷的自檢同時依托于多個冗余通道，保證了整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。不僅如此安全PLC的掃描時間非常短，通常為每千條指令在1ms的時間內(nèi)產(chǎn)生。非常快的運算速度達到了緊急停車的要求，同時又能以及其短的時間完成自我檢測和各種信息的比對。這對安全系統(tǒng)的可靠性有很大的意義。整個過程中，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)特性進入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測出來，這就充分顯示了冗余系統(tǒng)的好處，可以說是寧濫勿缺。所以，整個冗余控制看似麻煩實際上卻有著十分重要的意義。

上述我們從理論層面對安全PLC的控制原理進行了闡述，那么在實際的工業(yè)生產(chǎn)中我們是如何通過一個個的電子元件來實現(xiàn)如此復(fù)雜的功能的呢？要實現(xiàn)上述復(fù)雜的功能必須要通過編程來實現(xiàn)，而編程必須要可靠地編程環(huán)境同時也要求適當(dāng)?shù)臋z驗手段來保證安全。現(xiàn)階段的PLC編程大多是通過模塊化的打包的。這些功能模塊只能運用不能修改，我們只需要在需要修改的參數(shù)上輸入合適的輸入輸出變量就能完成對安全功能的編程，這樣的措施充分規(guī)范了安全功能編程。

最簡單的安全邏輯元器件——安全繼電器，相比于安全PLC安全繼電器只采用了冗余的控制輸出和自我檢測的功能，雖然不如安全PLC可靠但也能充分保證對輸出斧子的可靠控制。安全繼電器的冗余輸出控制是通過其存在的兩個安全輸出觸點來實現(xiàn)的，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。

結(jié)語

安全控制系統(tǒng)在機器正常運行時保持緘默，而當(dāng)機器出現(xiàn)些許異常時它就能最快感知，依托于各種冗余控制和自檢裝置能夠準確的做出的判斷。三個模塊間密切配合對機械設(shè)備的操作者的安全性提供可靠地保障。在整個控制系統(tǒng)中邏輯控制元件是最重要的一環(huán)它關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常運作，而輸入輸出部分也必須通過冗余的檢測來保證其可靠性。總而言之作為保證機械安全性的安全控制系統(tǒng)其自身必須要有高度的可靠性。

機械制造安全控制研究:關(guān)于機械制造中安全控制系統(tǒng)研究

【摘 要】目前，在機械制造系統(tǒng)中，安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺機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)備組成及特點進行詳細分析，對于保證機械制造系統(tǒng)中的安全問題具有一定作用。

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

0.引言

機械的安全性就是機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)計會影響到機械的安全性能。安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺機械是否符合安全要求的重要依據(jù)，本文對于機械制造中的安全控制系統(tǒng)相關(guān)問題進行分析。

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、操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護。 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)生或事故的擴散。它包括了現(xiàn)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(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、標準現(xiàn)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(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，使機器安全停車，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。

安全控制系統(tǒng)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(shè)備包括由緊急停止設(shè)備、 安全進入裝置 （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，進行邏輯分析，可靠的進行安全輸出控制。現(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。導(dǎo)致系統(tǒng)停機的處理器的故障數(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)立刻進入故障安全狀態(tài)；又如，2oo3 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。 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。 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)信號進入 PLC 后，分別進入多個輸入寄存器，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)?0。 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(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。

機械制造安全控制研究:淺談機械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)

摘要：安全控制系統(tǒng)是靜態(tài)型系統(tǒng)之一，其監(jiān)控系統(tǒng)中的安全相關(guān)的參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)正常運作時，安全控制系統(tǒng)處于靜態(tài)不作響應(yīng)。但是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常或觸發(fā)了相關(guān)安全信號，為了維護整個系統(tǒng)的安全，安全控制系統(tǒng)便會立即占有系統(tǒng)的控制權(quán)，依據(jù)其內(nèi)部邏輯對輸出設(shè)備實施安全控制。邏輯控制元器件是安全控制系統(tǒng)中決定整個安全控制系統(tǒng)運行質(zhì)量、安全等級及設(shè)計成本的主要因素之一。本篇文章主要分析了機械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)及其相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：機械制造系統(tǒng)；安全控制；安全繼電器；可編程控制器

引言

機械安全是指機械設(shè)備在使用說明書的要求下執(zhí)行應(yīng)有功能時不對機械本身產(chǎn)生危害或者對操作人員健康產(chǎn)生危害的能力。每一部機械設(shè)備都可能存在自己的問題，也會導(dǎo)致不同類別程度的危險。這樣就會發(fā)生工作事故，進而對操作機械人員造成不必要的傷害。如果我們能夠充分地提高在機械設(shè)備制造過程中的一些安全意識，我們所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品可能安全性能會更加可靠。那么如何判斷一臺同標準正規(guī)的條件要求相一致，其重要的步驟就是要在機械設(shè)備的生產(chǎn)上與安全控制方面相著眼，系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定的運行與其精密合理的設(shè)計緊密相關(guān)，很顯然，系統(tǒng)性能的穩(wěn)定可靠是對其進行正規(guī)標準合格的重要依據(jù)。

一、安全控制系統(tǒng)概述

安全控制系統(tǒng)，簡單地說就是在機械運轉(zhuǎn)過程、或者在操作流程中間能夠為機械本身以及操作人員提供安全保障的裝置。如果機械在使用過程中，自身出現(xiàn)安全問題，或者由于人為因素而產(chǎn)生危險狀況的時候，安全控制系統(tǒng)可以很快地做出相應(yīng)的應(yīng)對并且能夠有效地控制機械自身裝置，為操作者提供保護。拿汽車來說，當(dāng)由于汽車自身原因產(chǎn)生危險或者由于人為原因使汽車出現(xiàn)險情的時候，汽車的安全控制系統(tǒng)可以迅速準確地對突發(fā)情況給予反饋信息，并且能夠發(fā)出正確的信號，使險情中的車輛能夠及時停車，以免危險的發(fā)生或者事故的擴大。它包括了現(xiàn)場的安全信號，如安全進入信號、閥反饋信號、緊急停止信號、液位信號等。無論在機械制造領(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。

二、安全控制問題

在安全控制系統(tǒng)中，我們很容易發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個鏈條結(jié)構(gòu)，主要包括：輸入、邏輯和輸出裝置。比方說，傳感器屬于機械輸入裝置；控制器屬于邏輯分析控制裝置；而觸發(fā)裝置屬于機械輸出鏈條。出于安全信號控制力強弱的考量，我們以常用 PLC、繼電器以及現(xiàn)場標準總線等等邏輯方面功能較為突出的控制元件，用以達到我們外在的需求。與此同時我們也要清楚的認識到這些元器件是不屬于任何一種安全系統(tǒng)及元件附屬的。安全控制問題一旦處理失當(dāng)，就會給系統(tǒng)安全造成潛在的問題。

常見的安全控制問題如下：輸入/輸出卡件硬件故障、處理器不規(guī)則、輸出元器件故障、信息反饋出差、輸入輸出回路故障等。如是類似一些安全隱患最終的后果就是安全失去應(yīng)有保障，事故不期自來。這樣看來，尋求有效可靠的輸出信號源來完成安全控制系統(tǒng)的生產(chǎn)是必要的，如果真的遇到一些系統(tǒng)安全故障問題，可以及時的做出信息反饋，并且能夠迅速的發(fā)揮機械自身系統(tǒng)的補救功能，以此達到防患于未然或者減小事故嚴重程度的目的。安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來達到安全要求：采用冗余性控制；采用多樣性控制;頻繁、可靠的檢測；程序CRC 校驗；安全認證功能塊。

三、安全邏輯控制設(shè)備

在日常工作生活中我們能夠看到的安全輸入設(shè)備大體有：安全廣電設(shè)備，緊急情況下的制動裝置；常見的邏輯控制制動裝置包括安全 PLC，安全繼電器。

(一)安全繼電器

安全繼電器，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)了對輸出負載的可靠控制。安全繼電器使用了兩個安全輸出接點，而迥異的兩個特殊繼電器通過串聯(lián)的形式構(gòu)成了接觸點內(nèi)部的控制機關(guān)，當(dāng)其中一個安全繼電器發(fā)生安全隱患時，另外的一個繼電模塊還是可以完成接觸點斷開任務(wù)，與此同時，安全繼電器會進行自我內(nèi)部調(diào)試檢測，這樣外部問題或危害一樣都不能被缺漏。

(二)安全可編程控制器

為了滿足復(fù)雜、多樣、繁冗的控制要求，安全可編程控制器常常利用多種多樣的中央處理系統(tǒng)，甚至每種不同的中央處理系統(tǒng)的生產(chǎn)單位也不盡相同，這也正是安全PLC與普通PLC最基本的不同之處。如果機械內(nèi)部出現(xiàn)了一部分中央處理系統(tǒng)失靈，那么其他的處理器仍然可以完成自我安全保護功能，剩余部分的處理器會馬上讓整個系統(tǒng)中的輸出系統(tǒng)停止運行，進而控制機械設(shè)備運行，自然的完成控制器的使命。不同的安全處理系統(tǒng)掌控著機械設(shè)備處理器的問題數(shù)量。

安全PLC使用冗余控制的方式進行信號的采集、處理和輸出。為了使安全PLC構(gòu)成了多個冗余的通道，信號一旦進入PLC，便會被分別導(dǎo)入多個輸入寄存器，然后經(jīng)過與之對應(yīng)的數(shù)個中央處理器的處理，最終進入數(shù)個輸出寄存器。在整個處理過程中，處理結(jié)果、信號狀態(tài)等在通過安全PLC內(nèi)部的暫存裝置時互相間進行對比。若是對比結(jié)果有異，也可以依據(jù)各自的系統(tǒng)特性，將故障檢測出來或進入故障安全狀態(tài)。

輸入回路也能通過兩條物理接線，使用雙通道的方式進入安全PLC。當(dāng)檢測輸入通道中的故障時，也可以使用安全PLC提供的安全測試脈沖。安全PLC的輸出內(nèi)部電路同樣使用多樣性、冗余的方式，對每個輸出節(jié)點實施安全可靠控制。安全PLC可以使用切斷集電極電源和切斷基極信號兩種不同的方式手段，把原為1的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)?。這樣一來，當(dāng)其中的一種方式出現(xiàn)故障時，余下的那個方式任然能夠執(zhí)行安全功能。安全PLC為檢驗內(nèi)部故障提供了內(nèi)部檢測脈沖。安全PLC要求每千條指令在1ms以下掃描時間。高速的中央處理功能不但能夠滿足緊急停車的要求，同時還可以在最短的時間完成對整套系統(tǒng)的安全功能自檢。

在軟件方面為保證安全，安全PLC一定要有可信的校驗手段以及編程環(huán)境，為實現(xiàn)這點就需要我們規(guī)范安全功能的編程。例如Pilz的安全PLC，它提供的是經(jīng)過識別的MBS 安全標準功能塊，可以協(xié)助編程人員開展安全的、合理的編程。這樣的安全功能塊往往是經(jīng)過加密的，無法修改。若想完成對安全功能的編程，我們直接在功能塊的輸入與輸出部分填入與之相應(yīng)的參數(shù)、地址及中間變量即可。可以說整個流程化工領(lǐng)域和機械制造領(lǐng)域的安全功能控制，都被這些MBS功能塊所涵蓋。

(三)安全總線控制系統(tǒng)

安全現(xiàn)場總線系統(tǒng)是以安全總線、安全輸入輸出模塊、安全PLC形成一套離散式的控制系統(tǒng)。硬件和通訊的安全可靠是安全總線控制系統(tǒng)的可信性判斷依據(jù)。硬件設(shè)施上，安全總線系統(tǒng)的模塊都在運用高速、冗余的可靠元器件。

結(jié)束語：

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，進行邏輯分析，可靠的進行安全輸出控制。現(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)。系統(tǒng)在安全運行期間，相對靜止的機械安全控制系統(tǒng)起到安全監(jiān)控的作用，控制系統(tǒng)沒有應(yīng)變反應(yīng)，而一旦系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生故障等，控制系統(tǒng)就會進行具體的應(yīng)變。通常是失去系統(tǒng)控制能力并且以邏輯為依托進行安全控制，這就使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性得到了保障。因此，邏輯控制元件的地位也就顯得舉足輕重了。

機械制造安全控制研究:機械制造系統(tǒng)中安全控制的探討

【摘　要】文中從介紹機械制造的安全控制系統(tǒng)開始，探討了機械制造的安全邏輯控制設(shè)備，包括機械制造的安全繼電器、機械制造的安全可編程控制器和機械制造的安全總線控制系統(tǒng)；對安全邏輯控制設(shè)備組成及特點進行詳細分析，對于提高機械制造系統(tǒng)安全控制問題的提高具有一定的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】機械制造；安全控制；安全總線

0.引言

機械制造系統(tǒng)的安全性在某一機械的使用說明書上都有明確的規(guī)定。按照規(guī)定使用條件，可以執(zhí)行該機械的功能，并能夠保證該機械在運輸、安裝、調(diào)整、拆卸和處理時不會產(chǎn)生傷害人體和周圍物體的現(xiàn)象。雖然，任何一臺機械都會存在潛在的風(fēng)險，都可能會導(dǎo)致出現(xiàn)危險。當(dāng)一旦這些危險事故發(fā)生，首先就會對人員造成傷害。如果當(dāng)我們關(guān)注機械制造系統(tǒng)本身安全性能的時候，就會使制造系統(tǒng)的安全功能由安全自動化控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。安全自動化控制系統(tǒng)的正確設(shè)計會影響到機械制造系統(tǒng)的安全性能。安全自動化控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該機械是否符合安全要求的重要依據(jù)。

1.機械制造的安全控制系統(tǒng)

機械制造系統(tǒng)是將現(xiàn)代信息技術(shù)、管理工程與制造技術(shù)相結(jié)合，充分利用計算機、通信、自動化和管理工程等領(lǐng)域的新成果，發(fā)展制造業(yè)的新工藝和新技術(shù)。與此同時，充分利用實驗室的先進設(shè)備和技術(shù)，研究開發(fā)適合國情的先進制造理論和技術(shù)，形成一個制造系統(tǒng)的研究和開發(fā)基地。為國家培養(yǎng)高層次專門人才，也為跟蹤和推廣先進制造技術(shù)以及為企業(yè)培訓(xùn)適用人才做出貢獻。近年來實驗室根據(jù)國民經(jīng)濟和制造業(yè)發(fā)展的需要不斷拓寬和調(diào)整研究領(lǐng)域，在先進制造及相關(guān)的多個領(lǐng)域開展研究，取得了重大進展和標志性成果。機械制造的安全控制系統(tǒng)，就是機械在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護、操作期間對生產(chǎn)裝置提供安全保護。一旦當(dāng)機械裝置本身出現(xiàn)危險，或由于人為原因而導(dǎo)致機械可能出現(xiàn)危險時，安全控制系統(tǒng)就會立即做出反應(yīng)，輸出正確的信號，使機械裝置安全停車，以防止危險的發(fā)生。這些安全包括現(xiàn)場的安全信號，例如機械的緊急停止信號、安全進入信號、閥反饋信號、液位信號等。在機械制造系統(tǒng)領(lǐng)域，安全控制系統(tǒng)是整個機械制造系統(tǒng)運轉(zhuǎn)中不可或缺的一部分。

任何安全控制系統(tǒng)它們也可能會存在安全隱患，也可能導(dǎo)致機械安全的功能失效，導(dǎo)致機械運轉(zhuǎn)時事故的發(fā)生。所以，機械的安全控制系統(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，使機器安全停車，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來達到安全要求：第一，采用冗余性控制；第二，采用多樣性控制；第三，頻繁、可靠的檢測(對硬件、軟件、通訊；第四，程序CRC校驗；第五，安全認證功能塊。常見的安全輸入設(shè)備包括由緊急停止設(shè)備、安全進入裝置、安全光電設(shè)備。

2.機械制造的安全邏輯控制設(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，進行邏輯分析，可靠的進行安全輸出控制。現(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機械制造的安全繼電器

機械制造都裝有安全繼電器，或者稱為安全繼電器模塊，它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)部電路進行自檢，檢測出外部接線故障和內(nèi)部元器件的故障。

2.2機械制造的安全可編程控制器

機械制造的安全可編程控制器采用了不同中央處理器進行控制，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。導(dǎo)致系統(tǒng)停機的處理器的故障數(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。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。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)信號進入PLC后，分別進入多個輸入寄存器，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，處理結(jié)果等可以通過安全PLC內(nèi)部的相互比較，如果出現(xiàn)不一致，就可以根據(jù)不同的系統(tǒng)特性，進入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測出來。

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(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(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功能塊涵蓋了機械制造領(lǐng)域及流程化工領(lǐng)域的安全功能控制。

2.3機械制造的安全總線控制系統(tǒng)

機械制造的安全現(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

機械制造的安全控制系統(tǒng)是一個靜態(tài)的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)正常運行期間，機械制造的安全控制系統(tǒng)不會做出任何響應(yīng)。但是當(dāng)機械制造系統(tǒng)出現(xiàn)異常，機械制造的安全控制系統(tǒng)就會立刻奪去系統(tǒng)的控制權(quán)，依據(jù)機械制造系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯設(shè)置，對輸出設(shè)備進行安全控制，可以保證整個機械制造系統(tǒng)的安全運轉(zhuǎn)。顯然，邏輯控制元器件質(zhì)量，是決定安全控制系統(tǒng)安全等級、設(shè)計成本、運行質(zhì)量的重要因素。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。