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安全控制器結(jié)構(gòu)分析與研究

文檔作者：談秀華趙瑩玉韓兵文檔來(lái)源：上海交通大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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工業(yè)自
安全控制器結(jié)構(gòu)分析與研究
談秀華，趙瑩玉，韓 兵
(上海交通大學(xué) 自動(dòng)化系， 上海 200240)
摘要：隨著工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用需求的增加，對(duì)安全方面的規(guī)范必將更為嚴(yán)格，而安全控制方面的研究也會(huì)更加深入。論文對(duì)
安全控制器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，分析了安全控制器相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用中的冗余特性，對(duì)PLC數(shù)字量的輸入輸出模塊進(jìn)行了
安全結(jié)構(gòu)研究。因?yàn)橐蔀榘踩玃LC，則每個(gè)模塊也必須是故障一安全型的。采用增加冗余通道和增加測(cè)試模塊的方法對(duì)PLC
的交直流兩種輸入與輸出模塊．以及繼電器輸出、晶體管輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：安全控制器；結(jié)構(gòu)分析；PLC
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009—9492(2011)11-00l1一o4
Structure of Security Controllers Analysis and Research
TAN Xiu-hua，ZHAO Ying-yu，HAN Bing
(Automation departmeng of Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)
Abstract：With industrial production and increasing demand for engineering applications，the specification of security will be more strin—
gent，and security control will be more in—depth research．The paper analyzes circuit structure of security controllers and redundan cy applications
of the safety related system controller and the PLC digital input and output modules of the security structure．Because of a safe
PLC，then each module must also be a failure—security type．Increased by adding redundant channel and the method of test module PLC
both AC and DC input and output modules，relay output，transistor output structure are studied．
Key words： safe controller：structure analysis；PLC
1引言
控制系統(tǒng)的安全性是生產(chǎn)過(guò)程安全的保證。
工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中廣泛使用的控制器由于設(shè)計(jì)缺
陷或由硬件問(wèn)題引起的設(shè)備故障可能造成巨大的
經(jīng)濟(jì)損失，或者導(dǎo)致人員傷亡，環(huán)境污染。雖然
人為操作不當(dāng)不能忽視，但如果系統(tǒng)本身可以在
發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)安全裝置，安全在一定程度上才
能保證，風(fēng)險(xiǎn)就可以減少到可以承受的范圍。安
全控制裝置是一個(gè)安全控制體系的重要組成部分。
安全控制裝置不是不會(huì)發(fā)生故障，而是相對(duì)于正
?？刂圃O(shè)備具有自己的冗余性和診斷等功能，從
而保障安全信號(hào)被接收時(shí)正確的邏輯分析、處理
和控制執(zhí)行器的安全輸出。
2安全控制系統(tǒng)
在生活中所說(shuō)的安全是不發(fā)生危險(xiǎn)。這是絕
對(duì)的安全，而在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，這樣的安全
是不可能被實(shí)現(xiàn)的。在IEC61508中將安全定義為
收稿日期：2011-05—19
freedom from unacceptable risk，即避免不可接受的
風(fēng)險(xiǎn)。而將風(fēng)險(xiǎn)定義為危害發(fā)生頻率與其嚴(yán)重性
的乘積。
安全控制系統(tǒng)就是指符合一定安全級(jí)別，能
夠?qū)υO(shè)備可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行動(dòng)作的控制系統(tǒng)。
它必須能夠迅速、正確的對(duì)事故做出響應(yīng)。最終
能夠完全避免事故的發(fā)生或者至少能減少事故給
設(shè)備、環(huán)境和人員造成的危害n】。
安全控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由輸入設(shè)備。如傳感
器，邏輯單元和輸出設(shè)備(如執(zhí)行器)所組成
(如圖1)。如緊急停車系統(tǒng)(emergency shut—down
system，ESD)是一種應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程的安全控制
系統(tǒng)。它由中心單元、輸入、輸出單元和輔助單
元構(gòu)成．并且ESD系統(tǒng)與其相關(guān)的系統(tǒng)緊密連
接。以往ESD的中心單元一般采用繼電器或?qū)Ｓ?
的程序控制設(shè)備。而在電子技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算
機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，ESD系統(tǒng)的中心單元一
G 自動(dòng)化
般采用PLC系統(tǒng)。但是對(duì)于完成ESD功能的PLC
產(chǎn)品，按目前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是有嚴(yán)格規(guī)定的。所以
無(wú)論是繼電器還是PLC，若要應(yīng)用于安全控制系
統(tǒng)，則必須通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) 。
I：輸入裝置，如傳感器 L：邏輯控制器
O：輸出裝置，如執(zhí)行器
陶1 安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3安全PLC結(jié)構(gòu)分析
現(xiàn)在國(guó)外已有些公司推出的自己的安全PLC
系列，其基本特點(diǎn)如下。
根據(jù)相應(yīng)安全標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的用于安全防護(hù)
系統(tǒng)控制設(shè)備的可編程電子系統(tǒng)(大多為PLC)
都是模塊化結(jié)構(gòu)，包括輸入模塊、輸出模塊、
CPU模塊、通訊模塊、電源模塊及總線。各類模
塊都設(shè)計(jì)成故障安全型，具有完善的測(cè)試手段或
采取有效措施保證其安全性．當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)故障
尤其是危險(xiǎn)故障時(shí)能使系統(tǒng)回到安全狀態(tài)l2]。取
得相應(yīng)等級(jí)的安全標(biāo)準(zhǔn)證書。系統(tǒng)軟件也應(yīng)達(dá)到相
應(yīng)安全等級(jí)。能進(jìn)行系統(tǒng)故障報(bào)警，指示故障原
因、故障位置。能在線進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，冗余卡件能
在線更換并在線恢復(fù)。有準(zhǔn)確無(wú)誤的順序事故記錄
功能。有與DCS或其它設(shè)備通訊的功能E3]。
雖然有文獻(xiàn)就安全控制器的一般原理進(jìn)行過(guò)
描述，但沒(méi)有給出電路的具體結(jié)構(gòu)，論文通過(guò)分
析安全控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)如下。
(1)數(shù)字量輸入模塊
PLC的輸入模塊有模擬量和數(shù)字量之分?，F(xiàn)
場(chǎng)輸入的數(shù)字量大多是開(kāi)關(guān)量，一般是直流信號(hào)。
PLC數(shù)字輸入接口按其使用的電源不同有兩種類
型：直流輸入接口(如圖2)和交流輸入接口
(如圖3)。為了防止外界線路產(chǎn)生的干擾(如尖
峰電壓，干擾噪聲等)引起PLC的非正常工作甚
至是元器件的損壞。一般在PLC的輸入側(cè)都采用
光電耦合器，來(lái)切斷PLC內(nèi)部線路和外部線路電
氣上的聯(lián)系，保證PLC的正常工作。并且在輸入
線路中都設(shè)有RC濾波電路． 以防止由于輸入點(diǎn)
抖動(dòng)或外部干擾脈沖引起的錯(cuò)誤信號(hào)H]。
圖2 直流輸入接口原理圖
入端一 PI,C內(nèi)部Rl
— — — — 1 r—’L—一
C
O【 R2 0 R3 —— Z Z 電內(nèi)路部
●
●
光耦臺(tái)器
C
輸入指示燈
圖3 交流輸入接口原理圖
圖3只畫出了一條通道的電路圖。當(dāng)該通道
開(kāi)關(guān)閉合，電流通過(guò)發(fā)光二極管，光敏三極管導(dǎo)
通，處理器識(shí)別到該通路有信號(hào)輸入。若開(kāi)關(guān)打
開(kāi)，則發(fā)光二極管熄滅．光敏三極管截止，處理
器認(rèn)為該路沒(méi)有信號(hào)。下面進(jìn)行安全數(shù)字量輸入
模塊的設(shè)計(jì)。
結(jié)構(gòu)1：加測(cè)試模塊
可以定時(shí)對(duì)輸入模塊加一個(gè)測(cè)試信號(hào)，相當(dāng)
于使開(kāi)關(guān)閉合，如果輸入電路存在故障，則發(fā)光
二極管不會(huì)導(dǎo)通，處理器也識(shí)別不到該路有信號(hào)．
則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。如果時(shí)間間隔設(shè)定的合理。那這個(gè)
測(cè)試模塊可以很好的提高輸入模塊的可靠性Es]。
由于外部線路與PLC的輸入電路是采用光耦
來(lái)進(jìn)行抗干擾保護(hù)。那從CPU出的測(cè)試信號(hào)也應(yīng)
該通過(guò)一個(gè)光耦再進(jìn)入到外部的線路， 以保證
PLC與外部電路的隔離的完整性。
為了防止在測(cè)試期間，有外部輸入．而造成
線路的短路。在測(cè)試通路上，加人了常閉觸點(diǎn)，
與外部輸入的常開(kāi)觸點(diǎn)由同一線圈控制。如果外
部有輸入，常開(kāi)觸點(diǎn)關(guān)閉。則常閉觸點(diǎn)同時(shí)打開(kāi)，
避免了檢測(cè)信號(hào)和實(shí)際輸人信號(hào)的沖突。
對(duì)于交流輸入，則需要兩個(gè)光電耦合器件。
工業(yè)自
兩個(gè)光敏三極管的輸出電流反相。通過(guò)CPU對(duì)兩
個(gè)發(fā)光二極管分時(shí)通電，則對(duì)輸入模塊而言，可
以產(chǎn)生交流輸人測(cè)試的效果。
由圖4和圖5可以看到，加了測(cè)試模塊后，
可以得到較高的DC。根據(jù)之前的分析，DC高了，
整個(gè)系統(tǒng)的安全等級(jí)也能相應(yīng)提高。
圖4 加測(cè)試模塊的直流輸入接口電路
圖5 加測(cè)試模塊的交流輸入接口電路
結(jié)構(gòu)2：加冗余通道
對(duì)于輸入模塊，也可以采用冗余通道，并聯(lián)
接線來(lái)提高系統(tǒng)的安全。圖6為加冗余通道的直
流輸入接口圖。
對(duì)于交流輸入，加冗余通道的電路與直流的
類似，所以在此不再畫出。
(2)數(shù)字量輸出模塊
PLC的輸出形式有三種：繼電器輸出、晶體
管輸出和晶閘管輸出。
圖6 加冗余通道的直流輸入接口
1)繼電器輸出
該種輸出電路形式外接電源既可以是直流，
也可以是交流。但繼電器觸點(diǎn)使用壽命有限，響
應(yīng)時(shí)間也較慢E6]。圖7為繼電器輸出接口原理
圖
圖7 繼電器輸出接口原理圖
2)晶體管輸出
由于是無(wú)觸點(diǎn)的．它的使用壽命比繼電器要
長(zhǎng)，響應(yīng)也快，只是它的外部電源只能接直流。
同時(shí)輸出驅(qū)動(dòng)能力小于繼電器輸出，如圖8所示。
圖8 晶體管輸出接口原理圖
雙向晶閘管輸出電路只能驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，響
應(yīng)速度較快，使用壽命也比較長(zhǎng)，如圖9所示。
自動(dòng)化
圖9 雙向晶閘管輸出接口原理圖
下面是安全數(shù)字量輸出模塊結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)1：多通道并聯(lián)輸出 (如圖lO)
內(nèi)電部路 鼴 z FIJ f = f
FU
＼ 7
— _
圖10 多通道并聯(lián)輸出電路
CPU可以將相同的運(yùn)算結(jié)果傳送給這兩條并
聯(lián)的輸出通道。如果任意一條通路發(fā)生故障，另
一條仍然能夠保障正確的輸出。
結(jié)構(gòu)2：輸出監(jiān)控(如圖l1)
這種電路形式類似于負(fù)反饋，將輸出通過(guò)監(jiān)
控電路重新返回至CPU，使輸出的結(jié)果可以被
CPU所檢測(cè)．從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。
4結(jié)論
本文對(duì)安全PLC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究。對(duì)于
圖11 帶監(jiān)控的輸出電路
安全PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)IEC61508進(jìn)行安全
分析和評(píng)定，可以發(fā)現(xiàn)單純地增加冗余，系統(tǒng)的
PFD降低并不明顯，不過(guò)冗余越多。系統(tǒng)的硬件
容錯(cuò)能力則可以增強(qiáng)_8】。而如果能使系統(tǒng)的診斷
覆蓋率增大，那么PFD可以顯著下降。在安全
PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析后，對(duì)數(shù)字量的輸入輸出模
塊進(jìn)行了安全結(jié)構(gòu)研究。因?yàn)橐蔀榘踩玃LC．
則每個(gè)模塊也必須是故障一安全型的。在
IEC61508中也提出了，能夠提高安全性。對(duì)輸入
輸出模塊可采取的技術(shù)和措施。PLC的數(shù)字量輸
入分為直流和交流兩種而輸出模塊有繼電器輸出、
晶體管輸出和晶閘管輸出。在對(duì)I／O模塊安全分
析的主要思想有兩個(gè)：增加冗余通道和增加測(cè)試
模塊。目前，安全控制設(shè)備在我國(guó)只屬于起步期
間，但隨著人們?cè)絹?lái)越具備安全意識(shí)．對(duì)安全方
面的規(guī)范必將更為嚴(yán)格，而安全控制方面的研究
也會(huì)更加深入。
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第一作者簡(jiǎn)介：談秀華，男，1980年生，江蘇人，碩士研
究生。研究領(lǐng)域：控制工程。
(編輯：阮 毅)

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03-05