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機(jī)械制造安全控制研究:淺談機(jī)械制造中的安全控制

摘 要：本文則是在機(jī)械安全控制的基礎(chǔ)概念上，詳細(xì)闡述了機(jī)械安全邏輯控制即通過(guò)信號(hào)輸入然后進(jìn)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(jìn)行。

關(guān)鍵詞：機(jī)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(jī)械設(shè)備進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生因操作失誤或工廠裝置本身出現(xiàn)故障時(shí)，安全控制系統(tǒng)中的輸入設(shè)備就會(huì)檢測(cè)到諸如電壓、液壓之類信息的變化，這些信息會(huì)反饋給邏輯控制設(shè)備，邏輯控制設(shè)備會(huì)將這些信息與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)判斷然后作用于諸如繼電器之類的可以根據(jù)不同信號(hào)進(jìn)行不同動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。從而采取切斷電源等安全措施保護(hù)工人的安全。說(shuō)到這大家也許還一頭霧水，說(shuō)了這么多到底什么叫自動(dòng)控制系統(tǒng)呢？所謂安全控制系統(tǒng)是在開(kāi)車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)、操作期間對(duì)生產(chǎn)裝置提供安全保護(hù)。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(jìn)入裝置（安全門(mén)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(shí)現(xiàn)的所以也可以說(shuō)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線或DCS等邏輯控制元器件從表面上達(dá)到我們所需要的輸出信號(hào)。但是由于制作工藝、使用時(shí)間較長(zhǎng)等原因在輸出環(huán)節(jié)所采用的裝置都會(huì)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(diǎn)融焊）、輸出元器件故障（如觸點(diǎn)融焊）、輸出回路故障（如短路、斷路）、通訊錯(cuò)誤等。這些隱患的存在將會(huì)對(duì)整個(gè)安全控制系統(tǒng)產(chǎn)生致命的影響從而影響整個(gè)機(jī)械設(shè)備的安全性。那么我們?cè)趺幢ＷC在安全控制系統(tǒng)的各個(gè)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(lái)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(jī)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(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤或信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，立即做出反應(yīng)并輸出正確的信號(hào)使機(jī)器及時(shí)切斷電源安全停車，防患于未然或在危險(xiǎn)發(fā)生后能防止事故的擴(kuò)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(shí)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并報(bào)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(shí)，整個(gè)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(lái)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(diǎn)在于安全PLC采用了多套來(lái)自不同生產(chǎn)商的中央處理器，這樣在處理信息時(shí)如果有處理器出現(xiàn)故障那么就會(huì)有其他的處理器代替故障處理器進(jìn)行工作，由于不同的的處理器來(lái)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(dá)到一定數(shù)量時(shí)，會(huì)切斷所有安全輸出時(shí)系統(tǒng)停機(jī)。在不同的系統(tǒng)下導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的故障處理器的個(gè)數(shù)是不同的，正是由于這些不同的存在也為不同機(jī)械設(shè)備處理不同的故障情況提供了選擇。對(duì)于安全PLC的冗余控制我們可以用三個(gè)“多”字來(lái)概括。首先，在信號(hào)采集時(shí)信號(hào)被送到多個(gè)輸入寄存器，輸入回路通過(guò)2條物理線接入安全PLC即通常所說(shuō)的雙通道方式。借助于安全PLC內(nèi)部所提供的安全測(cè)試脈沖，系統(tǒng)可以檢測(cè)輸入通道中的故障。其次在信號(hào)處理時(shí)這些信號(hào)又被送入多個(gè)中央處理器，最后這些信號(hào)又被送入多個(gè)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(duì)一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全可靠的控制，提供了多重保障。同時(shí)安全PLC通過(guò)2種不同的手段，即切斷基極信號(hào)和切斷集電極電源兩種不同的方式，將輸出信號(hào)由1轉(zhuǎn)變?yōu)?。無(wú)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(cè)脈沖也在不斷進(jìn)行自檢。這樣，PLC不斷的自檢同時(shí)依托于多個(gè)冗余通道，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。不僅如此安全PLC的掃描時(shí)間非常短，通常為每千條指令在1ms的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。非常快的運(yùn)算速度達(dá)到了緊急停車的要求，同時(shí)又能以及其短的時(shí)間完成自我檢測(cè)和各種信息的比對(duì)。這對(duì)安全系統(tǒng)的可靠性有很大的意義。整個(gè)過(guò)程中，信號(hào)狀態(tài)、處理結(jié)果等可以通過(guò)安全PLC內(nèi)部的暫存裝置進(jìn)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(jìn)入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測(cè)出來(lái)，這就充分顯示了冗余系統(tǒng)的好處，可以說(shuō)是寧濫勿缺。所以，整個(gè)冗余控制看似麻煩實(shí)際上卻有著十分重要的意義。

上述我們從理論層面對(duì)安全PLC的控制原理進(jìn)行了闡述，那么在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中我們是如何通過(guò)一個(gè)個(gè)的電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的功能的呢？要實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的功能必須要通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，而編程必須要可靠地編程環(huán)境同時(shí)也要求適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)手段來(lái)保證安全。現(xiàn)階段的PLC編程大多是通過(guò)模塊化的打包的。這些功能模塊只能運(yùn)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(duì)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(jiǎn)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(cè)的功能，雖然不如安全PLC可靠但也能充分保證對(duì)輸出斧子的可靠控制。安全繼電器的冗余輸出控制是通過(guò)其存在的兩個(gè)安全輸出觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)安全輸出觸點(diǎn)在內(nèi)部是由來(lái)自2個(gè)不同的特殊繼電器K1和K2的常開(kāi)觸點(diǎn)串連而組成。當(dāng)K1出現(xiàn)故障的時(shí)候，K2依然可以實(shí)現(xiàn)安全觸點(diǎn)斷開(kāi)的功能。

結(jié)語(yǔ)

安全控制系統(tǒng)在機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)保持緘默，而當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)些許異常時(shí)它就能最快感知，依托于各種冗余控制和自檢裝置能夠準(zhǔn)確的做出的判斷。三個(gè)模塊間密切配合對(duì)機(jī)械設(shè)備的操作者的安全性提供可靠地保障。在整個(gè)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(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)作，而輸入輸出部分也必須通過(guò)冗余的檢測(cè)來(lái)保證其可靠性。總而言之作為保證機(jī)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(jī)械制造安全控制研究:關(guān)于機(jī)械制造中安全控制系統(tǒng)研究

【摘 要】目前，在機(jī)械制造系統(tǒng)中，安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺(tái)機(jī)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(duì)于安全邏輯控制設(shè)備組成及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)于保證機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全問(wèn)題具有一定作用。

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

0.引言

機(jī)械的安全性就是機(jī)械安全使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的預(yù)定使用條件下執(zhí)行其功能和在運(yùn)輸、安裝、調(diào)整、拆卸和處理時(shí)不產(chǎn)生傷害或危害健康的能力。任何一臺(tái)機(jī)械都有風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)。這些風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)都會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生、對(duì)人員造成傷害。當(dāng)我們能夠關(guān)注機(jī)械本身的安全性能的時(shí)候，其安全功能應(yīng)該由安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 安全控制系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)會(huì)影響到機(jī)械的安全性能。安全控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該臺(tái)機(jī)械是否符合安全要求的重要依據(jù)，本文對(duì)于機(jī)械制造中的安全控制系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.安全控制系統(tǒng)

所謂的安全（控制）系統(tǒng)，是在開(kāi)車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)、操作期間對(duì)生產(chǎn)裝置提供安全保護(hù)。 一旦當(dāng)工廠裝置本身出現(xiàn)危險(xiǎn)，或由于人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號(hào)，使裝置安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。它包括了現(xiàn)場(chǎng)的安全信號(hào)，如緊急停止信號(hào)、安全進(jìn)入信號(hào)、閥反饋信號(hào)、液位信號(hào)等，邏輯控制單元和輸出控制單元。 無(wú)論在機(jī)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(lái)說(shuō)，對(duì)于安全信號(hào)的控制功能可以采用普通繼電器、普通 PLC、標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線或DCS 等邏輯控制元器件，從表面上達(dá)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線或 DCS 不屬于安全相關(guān)元器件或系統(tǒng)。它們?cè)谶M(jìn)行安全相關(guān)控制的時(shí)候可能會(huì)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(diǎn)融焊）、輸出元器件故障（如觸點(diǎn)融焊）、輸出回路故障（如短路、斷路）、通訊錯(cuò)誤等。 這些安全隱患，都會(huì)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(hào)，一旦當(dāng)安全輸入信號(hào)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(hào)，使機(jī)器安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。

安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來(lái)達(dá)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(cè)（對(duì)硬件、軟件、通訊）；（4）程序 CRC 校驗(yàn)；（5）安全認(rèn)證功能塊。 常見(jiàn)的安全輸入設(shè)備包括由緊急停止設(shè)備、 安全進(jìn)入裝置 （安全門(mén)開(kāi)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(gè)安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析，可靠的進(jìn)行安全輸出控制。現(xiàn)代自動(dòng)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(jiǎn)單的安全邏輯控制元器件。 其特點(diǎn)是采用了冗余的輸出控制和自我檢測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出負(fù)載的可靠控制。該模塊的存在 2 個(gè)安全輸出觸點(diǎn)，這兩個(gè)安全輸出觸點(diǎn)在內(nèi)部是由來(lái)自 2 個(gè)不同的特殊繼電器 K1 和 K2 的常開(kāi)觸點(diǎn)串連而組成。當(dāng) K1 出現(xiàn)故障的時(shí)候，K2 依然可以實(shí)現(xiàn)安全觸點(diǎn)斷開(kāi)的功能。同時(shí)，安全繼電器模塊可以通過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行自檢，檢測(cè)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(jìn)行控制，并且這些處理器來(lái)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(jī)。導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)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(gè)處理器出現(xiàn)故障 ，系統(tǒng)立刻進(jìn)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(gè)處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)并不會(huì)停機(jī)。 系統(tǒng)只有在 2 個(gè)處理器同時(shí)出現(xiàn)故障的情況下才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。 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(duì)于信號(hào)的采集、處理和輸出的過(guò)程，安全 PLC 都采用了冗余控制的方式。 當(dāng)信號(hào)進(jìn)入 PLC 后，分別進(jìn)入多個(gè)輸入寄存器，再通過(guò)對(duì)應(yīng)的多個(gè)中央處理器的處理，最后進(jìn)入多個(gè)輸出寄存器。這樣，安全 PLC 就構(gòu)成了多個(gè)冗余的通道。 整個(gè)過(guò)程之中，信號(hào)狀態(tài)、處理結(jié)果等可以通過(guò)安全 PLC 內(nèi)部的暫存裝置進(jìn)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(jìn)入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測(cè)出來(lái)。輸入回路可以采用雙通道的方式， 通過(guò) 2 條物理接線進(jìn)入安全PLC。 安全 PLC 也可以提供安全測(cè)試脈沖，用以檢測(cè)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(duì)一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全可靠控制。 安全 PLC 可以通過(guò) 2 種不同的手段，即切斷基極信號(hào)和切斷集電極電源兩種不同的方式，將輸出信號(hào)由 1 轉(zhuǎn)變?yōu)?0。 無(wú)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(shí)，安全 PLC 提供了內(nèi)部檢測(cè)脈沖，以檢測(cè)內(nèi)部故障。安全 PLC 的掃描時(shí)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(dá)到緊急停車的要求，同時(shí)能夠以較短的時(shí)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(yàn)手段，以保證安全。 這主要可以通過(guò)規(guī)范安全功能編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如 Pilz 的安全PLC，提供了通過(guò)認(rèn)證的 MBS 安全標(biāo)準(zhǔn)功能塊 ，以幫助編程人員進(jìn)行合理的、安全的編程。 這些安全功能塊經(jīng)過(guò)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(duì)安全功能的編程。 這些 MBS 功能塊涵蓋了機(jī)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(chǎng)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(gè)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(yùn)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(hào)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(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行安全控制，從而保證了整個(gè)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(gè)安全控制系統(tǒng)安全等級(jí)、設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行質(zhì)量的重要因素之一。 在安全自動(dòng)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(jī)械制造安全控制研究:淺談機(jī)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(yùn)作時(shí)，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(hào)，為了維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全，安全控制系統(tǒng)便會(huì)立即占有系統(tǒng)的控制權(quán)，依據(jù)其內(nèi)部邏輯對(duì)輸出設(shè)備實(shí)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(gè)安全控制系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量、安全等級(jí)及設(shè)計(jì)成本的主要因素之一。本篇文章主要分析了機(jī)械制造系統(tǒng)中的安全控制系統(tǒng)及其相關(guān)問(wèn)題。

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

引言

機(jī)械安全是指機(jī)械設(shè)備在使用說(shuō)明書(shū)的要求下執(zhí)行應(yīng)有功能時(shí)不對(duì)機(jī)械本身產(chǎn)生危害或者對(duì)操作人員健康產(chǎn)生危害的能力。每一部機(jī)械設(shè)備都可能存在自己的問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致不同類別程度的危險(xiǎn)。這樣就會(huì)發(fā)生工作事故，進(jìn)而對(duì)操作機(jī)械人員造成不必要的傷害。如果我們能夠充分地提高在機(jī)械設(shè)備制造過(guò)程中的一些安全意識(shí)，我們所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品可能安全性能會(huì)更加可靠。那么如何判斷一臺(tái)同標(biāo)準(zhǔn)正規(guī)的條件要求相一致，其重要的步驟就是要在機(jī)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(yùn)行與其精密合理的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，很顯然，系統(tǒng)性能的穩(wěn)定可靠是對(duì)其進(jìn)行正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單地說(shuō)就是在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程、或者在操作流程中間能夠?yàn)闄C(jī)械本身以及操作人員提供安全保障的裝置。如果機(jī)械在使用過(guò)程中，自身出現(xiàn)安全問(wèn)題，或者由于人為因素而產(chǎn)生危險(xiǎn)狀況的時(shí)候，安全控制系統(tǒng)可以很快地做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)并且能夠有效地控制機(jī)械自身裝置，為操作者提供保護(hù)。拿汽車來(lái)說(shuō)，當(dāng)由于汽車自身原因產(chǎn)生危險(xiǎn)或者由于人為原因使汽車出現(xiàn)險(xiǎn)情的時(shí)候，汽車的安全控制系統(tǒng)可以迅速準(zhǔn)確地對(duì)突發(fā)情況給予反饋信息，并且能夠發(fā)出正確的信號(hào)，使險(xiǎn)情中的車輛能夠及時(shí)停車，以免危險(xiǎn)的發(fā)生或者事故的擴(kuò)大。它包括了現(xiàn)場(chǎng)的安全信號(hào)，如安全進(jìn)入信號(hào)、閥反饋信號(hào)、緊急停止信號(hào)、液位信號(hào)等。無(wú)論在機(jī)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中不可或缺的一部分。

二、安全控制問(wèn)題

在安全控制系統(tǒng)中，我們很容易發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)鏈條結(jié)構(gòu)，主要包括：輸入、邏輯和輸出裝置。比方說(shuō)，傳感器屬于機(jī)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(jī)械輸出鏈條。出于安全信號(hào)控制力強(qiáng)弱的考量，我們以常用 PLC、繼電器以及現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)總線等等邏輯方面功能較為突出的控制元件，用以達(dá)到我們外在的需求。與此同時(shí)我們也要清楚的認(rèn)識(shí)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(wèn)題一旦處理失當(dāng)，就會(huì)給系統(tǒng)安全造成潛在的問(wèn)題。

常見(jiàn)的安全控制問(wèn)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(lái)。這樣看來(lái)，尋求有效可靠的輸出信號(hào)源來(lái)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(wèn)題，可以及時(shí)的做出信息反饋，并且能夠迅速的發(fā)揮機(jī)械自身系統(tǒng)的補(bǔ)救功能，以此達(dá)到防患于未然或者減小事故嚴(yán)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(lái)達(dá)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(cè)；程序CRC 校驗(yàn)；安全認(rèn)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(dòng)裝置；常見(jiàn)的邏輯控制制動(dòng)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(jiǎn)單的安全邏輯控制元器件。其特點(diǎn)是采用了冗余的輸出控制和自我檢測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出負(fù)載的可靠控制。安全繼電器使用了兩個(gè)安全輸出接點(diǎn)，而迥異的兩個(gè)特殊繼電器通過(guò)串聯(lián)的形式構(gòu)成了接觸點(diǎn)內(nèi)部的控制機(jī)關(guān)，當(dāng)其中一個(gè)安全繼電器發(fā)生安全隱患時(shí)，另外的一個(gè)繼電模塊還是可以完成接觸點(diǎn)斷開(kāi)任務(wù)，與此同時(shí)，安全繼電器會(huì)進(jìn)行自我內(nèi)部調(diào)試檢測(cè)，這樣外部問(wèn)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(jī)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(hù)功能，剩余部分的處理器會(huì)馬上讓整個(gè)系統(tǒng)中的輸出系統(tǒng)停止運(yùn)行，進(jìn)而控制機(jī)械設(shè)備運(yùn)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(jī)械設(shè)備處理器的問(wèn)題數(shù)量。

安全PLC使用冗余控制的方式進(jìn)行信號(hào)的采集、處理和輸出。為了使安全PLC構(gòu)成了多個(gè)冗余的通道，信號(hào)一旦進(jìn)入PLC，便會(huì)被分別導(dǎo)入多個(gè)輸入寄存器，然后經(jīng)過(guò)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)個(gè)中央處理器的處理，最終進(jìn)入數(shù)個(gè)輸出寄存器。在整個(gè)處理過(guò)程中，處理結(jié)果、信號(hào)狀態(tài)等在通過(guò)安全PLC內(nèi)部的暫存裝置時(shí)互相間進(jìn)行對(duì)比。若是對(duì)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(cè)出來(lái)或進(jìn)入故障安全狀態(tài)。

輸入回路也能通過(guò)兩條物理接線，使用雙通道的方式進(jìn)入安全PLC。當(dāng)檢測(cè)輸入通道中的故障時(shí)，也可以使用安全PLC提供的安全測(cè)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(duì)每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)實(shí)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(hào)兩種不同的方式手段，把原為1的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?。這樣一來(lái)，當(dāng)其中的一種方式出現(xiàn)故障時(shí)，余下的那個(gè)方式任然能夠執(zhí)行安全功能。安全PLC為檢驗(yàn)內(nèi)部故障提供了內(nèi)部檢測(cè)脈沖。安全PLC要求每千條指令在1ms以下掃描時(shí)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(shí)還可以在最短的時(shí)間完成對(duì)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(yàn)手段以及編程環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)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(guò)識(shí)別的MBS 安全標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可以協(xié)助編程人員開(kāi)展安全的、合理的編程。這樣的安全功能塊往往是經(jīng)過(guò)加密的，無(wú)法修改。若想完成對(duì)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(shuō)整個(gè)流程化工領(lǐng)域和機(jī)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(chǎng)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(yùn)用高速、冗余的可靠元器件。

結(jié)束語(yǔ)：

邏輯控制設(shè)備是整個(gè)安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析，可靠的進(jìn)行安全輸出控制。現(xiàn)代自動(dòng)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(yùn)行期間，相對(duì)靜止的機(jī)械安全控制系統(tǒng)起到安全監(jiān)控的作用，控制系統(tǒng)沒(méi)有應(yīng)變反應(yīng)，而一旦系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生故障等，控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)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(jìn)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(jī)械制造安全控制研究:機(jī)械制造系統(tǒng)中安全控制的探討

【摘　要】文中從介紹機(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)開(kāi)始，探討了機(jī)械制造的安全邏輯控制設(shè)備，包括機(jī)械制造的安全繼電器、機(jī)械制造的安全可編程控制器和機(jī)械制造的安全總線控制系統(tǒng)；對(duì)安全邏輯控制設(shè)備組成及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)于提高機(jī)械制造系統(tǒng)安全控制問(wèn)題的提高具有一定的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械制造；安全控制；安全總線

0.引言

機(jī)械制造系統(tǒng)的安全性在某一機(jī)械的使用說(shuō)明書(shū)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(jī)械的功能，并能夠保證該機(jī)械在運(yùn)輸、安裝、調(diào)整、拆卸和處理時(shí)不會(huì)產(chǎn)生傷害人體和周圍物體的現(xiàn)象。雖然，任何一臺(tái)機(jī)械都會(huì)存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，都可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)危險(xiǎn)。當(dāng)一旦這些危險(xiǎn)事故發(fā)生，首先就會(huì)對(duì)人員造成傷害。如果當(dāng)我們關(guān)注機(jī)械制造系統(tǒng)本身安全性能的時(shí)候，就會(huì)使制造系統(tǒng)的安全功能由安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)會(huì)影響到機(jī)械制造系統(tǒng)的安全性能。安全自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性是衡量該機(jī)械是否符合安全要求的重要依據(jù)。

1.機(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)

機(jī)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(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)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(shí)，充分利用實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)適合國(guó)情的先進(jìn)制造理論和技術(shù)，形成一個(gè)制造系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)基地。為國(guó)家培養(yǎng)高層次專門(mén)人才，也為跟蹤和推廣先進(jìn)制造技術(shù)以及為企業(yè)培訓(xùn)適用人才做出貢獻(xiàn)。近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jìn)制造及相關(guān)的多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展研究，取得了重大進(jìn)展和標(biāo)志性成果。機(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)，就是機(jī)械在開(kāi)車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)、操作期間對(duì)生產(chǎn)裝置提供安全保護(hù)。一旦當(dāng)機(jī)械裝置本身出現(xiàn)危險(xiǎn)，或由于人為原因而導(dǎo)致機(jī)械可能出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，安全控制系統(tǒng)就會(huì)立即做出反應(yīng)，輸出正確的信號(hào)，使機(jī)械裝置安全停車，以防止危險(xiǎn)的發(fā)生。這些安全包括現(xiàn)場(chǎng)的安全信號(hào)，例如機(jī)械的緊急停止信號(hào)、安全進(jìn)入信號(hào)、閥反饋信號(hào)、液位信號(hào)等。在機(jī)械制造系統(tǒng)領(lǐng)域，安全控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)運(yùn)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(huì)存在安全隱患，也可能導(dǎo)致機(jī)械安全的功能失效，導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)事故的發(fā)生。所以，機(jī)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(hào)，一旦當(dāng)安全輸入信號(hào)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(hào)，使機(jī)器安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。安全控制系統(tǒng)的硬件主要采取了以下措施來(lái)達(dá)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(cè)(對(duì)硬件、軟件、通訊；第四，程序CRC校驗(yàn)；第五，安全認(rèn)證功能塊。常見(jiàn)的安全輸入設(shè)備包括由緊急停止設(shè)備、安全進(jìn)入裝置、安全光電設(shè)備。

2.機(jī)械制造的安全邏輯控制設(shè)備

邏輯控制設(shè)備是整個(gè)安全控制系統(tǒng)中最重要的一部分。它需要接收安全信號(hào)，進(jìn)行邏輯分析，可靠的進(jìn)行安全輸出控制。現(xiàn)代自動(dòng)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(jī)械制造的安全繼電器

機(jī)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(jiǎn)單的安全邏輯控制元器件。其特點(diǎn)是采用了冗余的輸出控制和自我檢測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出負(fù)載的可靠控制。該模塊的存在2個(gè)安全輸出觸點(diǎn)，這兩個(gè)安全輸出觸點(diǎn)在內(nèi)部是由來(lái)自2個(gè)不同的特殊繼電器K1和K2的常開(kāi)觸點(diǎn)串連而組成。當(dāng)K1出現(xiàn)故障的時(shí)候，K2依然可以實(shí)現(xiàn)安全觸點(diǎn)斷開(kāi)的功能。同時(shí)，安全繼電器模塊可以通過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行自檢，檢測(cè)出外部接線故障和內(nèi)部元器件的故障。

2.2機(jī)械制造的安全可編程控制器

機(jī)械制造的安全可編程控制器采用了不同中央處理器進(jìn)行控制，并且這些處理器來(lái)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(jī)。導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)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(gè)處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)立刻進(jìn)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(gè)處理器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)并不會(huì)停機(jī)。系統(tǒng)只有在2個(gè)處理器同時(shí)出現(xiàn)故障的情況下才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。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(duì)于信號(hào)的采集、處理和輸出的過(guò)程，安全PLC都采用了冗余控制的方式。當(dāng)信號(hào)進(jìn)入PLC后，分別進(jìn)入多個(gè)輸入寄存器，再通過(guò)對(duì)應(yīng)的多個(gè)中央處理器的處理，最后進(jìn)入多個(gè)輸出寄存器。這樣，安全PLC就構(gòu)成了多個(gè)冗余的通道。整個(gè)過(guò)程之中，處理結(jié)果等可以通過(guò)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(jìn)入故障安全狀態(tài)或?qū)⒐收蠙z測(cè)出來(lái)。

安全PLC的掃描時(shí)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(dá)到緊急停車的要求，同時(shí)能夠以較短的時(shí)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(yàn)手段，以保證安全。這主要可以通過(guò)規(guī)范安全功能編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。如Pilz的安全PLC，提供了通過(guò)認(rèn)證的MBS安全標(biāo)準(zhǔn)功能塊，以幫助編程人員進(jìn)行合理的、安全的編程。這些安全功能塊經(jīng)過(guò)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(duì)安全功能的編程。這些MBS功能塊涵蓋了機(jī)械制造領(lǐng)域及流程化工領(lǐng)域的安全功能控制。

2.3機(jī)械制造的安全總線控制系統(tǒng)

機(jī)械制造的安全現(xiàn)場(chǎng)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(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)是一個(gè)靜態(tài)的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，機(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)不會(huì)做出任何響應(yīng)。但是當(dāng)機(jī)械制造系統(tǒng)出現(xiàn)異常，機(jī)械制造的安全控制系統(tǒng)就會(huì)立刻奪去系統(tǒng)的控制權(quán)，依據(jù)機(jī)械制造系統(tǒng)的內(nèi)部邏輯設(shè)置，對(duì)輸出設(shè)備進(jìn)行安全控制，可以保證整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)的安全運(yùn)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(jí)、設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行質(zhì)量的重要因素。在安全自動(dòng)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，這些安全邏輯元器件可以配置成合適的安全解決方案。