作者：Jeff Shepard

　　工業(yè)系統(tǒng)中的安全是一個(gè)關(guān)鍵且復(fù)雜的主題，因此為給定應(yīng)用指定最佳安全控制器具有挑戰(zhàn)性。其中考慮因素包括與安全控制器相關(guān)的眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的適用性，例如國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO) 13849- 1.

　　還有多種通信協(xié)議可供選擇，例如 Safety over EtherCAT，也稱為 FailSafe over EtherCAT (FSoE)，它結(jié)合了控制和安全功能。還有Ethernet/IP、PROFIsafe 和Modbus/TCP 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。此外，還可以選擇獨(dú)立或集成解決方案。一些平臺(tái)具有安全級(jí)和非安全級(jí)輸出的各種組合，一些具有固定功能，而另一些則可重新配置和擴(kuò)展。

　　本文簡(jiǎn)要回顧了國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)及其適用性。它還檢查了各種通信協(xié)議的使用，然后深入研究從桌面裝配站到整個(gè)工廠等安全控制器類型(如固定功能、可重新配置和可擴(kuò)展模型)的用例。它提供了使用Banner Engineering、Phoenix Contact、Schneider Electric和Omron Automation 產(chǎn)品的具體示例。

　　標(biāo)準(zhǔn)

　　電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)(E/E/PE或E/E/PES)的功能安全，或IEC 61508，是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)。它包括應(yīng)用、設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(稱為安全相關(guān)系統(tǒng))的方法。它基于這樣的理念：任何與安全相關(guān)的系統(tǒng)都必須以本質(zhì)上安全的可預(yù)測(cè)方式發(fā)生故障。為了衡量功能安全設(shè)計(jì)的有效性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了從 1 到 4 的安全完整性級(jí)別 (SIL)，其中 SIL4 表示風(fēng)險(xiǎn)降低的最 高級(jí)別，SIL1 表示風(fēng)險(xiǎn)降低的最低級(jí)別。 SIL 的概念也應(yīng)用于其他安全標(biāo)準(zhǔn)，但 SIL 的數(shù)量及其定義可能會(huì)根據(jù)操作環(huán)境的需要而有所不同。

　　基于 IEC 61508 的安全標(biāo)準(zhǔn)有很多。與安全控制器相關(guān)的一些標(biāo)準(zhǔn)包括：

　　IEC 60947-5-1:2016，低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 - 第 5-1 部分：控制電路裝置和開(kāi)關(guān)元件 - 機(jī)電控制電路裝置，適用于特定類型的裝置，包括：

　　手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，如按鈕、腳踏開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等

　　延時(shí)或瞬時(shí)的電磁操作控制開(kāi)關(guān)，如繼電器或接觸器

　　機(jī)器中包含的位置開(kāi)關(guān)

　　先導(dǎo)開(kāi)關(guān)，如溫度或壓力敏感開(kāi)關(guān)

　　IEC 62061:2021，機(jī)械安全 - 安全相關(guān)控制系統(tǒng)的功能安全是 IEC 61508 的機(jī)械相關(guān)版本。它規(guī)定了設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證安全相關(guān)控制系統(tǒng)的要求。它適用于單獨(dú)或組合使用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器安全功能的機(jī)械相關(guān)安全控制系統(tǒng)、子系統(tǒng)和安全相關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

　　IEC 61810-3:2015，具有強(qiáng)制引導(dǎo)(機(jī)械連接)觸點(diǎn)的繼電器，是安全控制器的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。它描述了帶有強(qiáng)制引導(dǎo)觸點(diǎn)(也稱為機(jī)械連接觸點(diǎn))的基本繼電器的特殊要求和測(cè)試。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。力引導(dǎo)繼電器是許多安全繼電器模塊的基本組件。在A級(jí)安全繼電器中，所有觸點(diǎn)都是強(qiáng)制引導(dǎo)的。該標(biāo)準(zhǔn)要求，如果常開(kāi) (NO) 觸點(diǎn)被焊接，則所有常閉 (NC) 觸點(diǎn)在線圈未通電時(shí)必須保持最小 0.5 毫米的開(kāi)口(圖 1)。

　　圖 1：如果常開(kāi)(或常閉)觸點(diǎn)被焊接，則當(dāng)線圈未通電時(shí)，所有常閉(或常閉)觸點(diǎn)必須保持 0.5 毫米的最小距離。 (圖片來(lái)源：歐姆龍自動(dòng)化)

　　ISO 13849-1:2023，機(jī)械安全控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分，包括設(shè)計(jì)和集成控制系統(tǒng) (SRP/CS) 及其子系統(tǒng)的安全相關(guān)部分的指南，包括防護(hù)或聯(lián)鎖功能等機(jī)械措施，以及相關(guān)軟件。它適用于高要求和連續(xù)操作模式中使用的電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械 SRP/CS。

　　回到IEC 61508，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了安全相關(guān)通信的“黑色通道”。

　　黑色通道和通信協(xié)議

　　IEC 61508 僅提供黑色通道的一般定義，并引用了現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的 IEC 61784-3 和鐵路信號(hào)的 IEC 62280 等標(biāo)準(zhǔn)。黑色通道通信的概念源自術(shù)語(yǔ)“黑匣子”。黑色通道通信中，網(wǎng)絡(luò)就是黑匣子，純粹作為傳輸介質(zhì);該通道不安全，安全性由應(yīng)用軟件中的專用安全層負(fù)責(zé)。

　　黑色通道可以在任何標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)，例如 PROFIsafe 或無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 技術(shù)等以太網(wǎng)的各種實(shí)現(xiàn)。在黑色通道應(yīng)用中，假設(shè)主要通信通道對(duì)于安全相關(guān)通信來(lái)說(shuō)不夠安全，并且添加了額外的安全層來(lái)識(shí)別和消除任何通信錯(cuò)誤(圖 2)。

　　圖 2：PROFIsafe 可用于實(shí)現(xiàn)黑色通道通信的安全層。 (圖片來(lái)源：菲尼克斯電氣)

　　除了 PROFIsafe 之外，黑色通道還可以通過(guò)其他協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通用工業(yè)協(xié)議安全(CIP 安全)和 FSoE。這些協(xié)議符合 IEC 61784-3:2021，包括解決及時(shí)性、真實(shí)性、偽裝和數(shù)據(jù)完整性錯(cuò)誤的增強(qiáng)功能。

　　桌面安全

　　安全問(wèn)題不僅限于大型或功能強(qiáng)大的機(jī)器;桌面裝配站可能需要安全系統(tǒng)。在一種情況下，半自動(dòng)桌面裝配站用于制造電子元件。每個(gè)工作站都有一個(gè)帶有非接觸式安全開(kāi)關(guān)的重型安全門(mén)、零件進(jìn)給處的安全光幕以及一個(gè)緊急停止按鈕，以保護(hù)操作員免受半自動(dòng)設(shè)備的傷害。單功能安全繼電器控制器可用于像此桌面裝配站這樣的小型機(jī)器，以連接安全裝置和機(jī)器，以提供安全啟動(dòng)和停止功能。

　　在本例中，Banner Engineering 的SC10 系列安全控制器中的SC10-2ROE型安裝在每個(gè)桌面裝配站的機(jī)柜中(圖 3)。該安全控制器將多個(gè)安全繼電器模塊的功能組合到一個(gè)設(shè)備中，簡(jiǎn)化了接線并減少了所需的安裝空間。除了支持小型機(jī)器的安全性之外，這些控制器還非常適合在擁擠的控制柜中使用。即使是像 SC10 系列這樣的小型安全控制器也可以具有多種功能：

　　系列診斷 (ISD) 可以連接多達(dá) 70 個(gè)安全設(shè)備。 ISD 提供可通過(guò)人機(jī)界面 (HMI)、PLC 或類似設(shè)備訪問(wèn)的每個(gè)安全設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，使用戶能夠?qū)C(jī)器安全系統(tǒng)進(jìn)行故障排除、防止故障并減少停機(jī)時(shí)間。

　　基于圖標(biāo)的拖放式編程在 PC 上運(yùn)行，簡(jiǎn)化了設(shè)置和設(shè)備管理。

　　可以使用外部存儲(chǔ)卡來(lái)配置設(shè)備，而無(wú)需連接到 PC，從而加快配置更改速度。

　　十個(gè)輸入，其中四個(gè)可設(shè)置為非安全輸出。自動(dòng)終端優(yōu)化(ATO)功能可用于將輸入總數(shù)增加至 14 個(gè)。

　　兩個(gè) 6 A 安全繼電器輸出配有三組獨(dú)立控制的常開(kāi)觸點(diǎn)。

　　能夠執(zhí)行兩種功能停止類型：

　　0 類是不受控制的停止，立即斷電。

　　類別 1 是在斷電之前有延遲的受控停止。當(dāng)機(jī)器需要?jiǎng)恿τ糜谥苿?dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，延遲停止會(huì)很有幫助。

　　支持以太網(wǎng)/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協(xié)議。

　　圖 3：該桌面裝配站包括一個(gè) SC10-2ROE 型安全控制器(裝配站下方的黃色設(shè)備)。 (圖片來(lái)源：邦納工程)

　　跨生產(chǎn)線的可擴(kuò)展安全性

　　在桌面裝配復(fù)雜性的另一端，可以在整個(gè)工廠的裝配線上實(shí)施集成安全性。例如， Omron Automation 的Sysmac NX102 控制器集成了多種開(kāi)放式工業(yè)協(xié)議，如 EtherNET I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。NX102-1020型自動(dòng)化控制器包括三個(gè)通信端口，它可以將高速安全集成到需要快速循環(huán)時(shí)間的生產(chǎn)線中的機(jī)器控制中。此外，歐姆龍的NX 集成安全控制器已通過(guò) SIL3 認(rèn)證，并包含 FSoE 連接。 NX-SL5 控制器，如型號(hào)NX-SL5500可以同時(shí)通過(guò) EtherCAT 進(jìn)行 FSoE 通信，并通過(guò)以太網(wǎng)/IP 進(jìn)行 CIP Safety 通信，從而實(shí)現(xiàn)涉及高速同步運(yùn)動(dòng)、機(jī)器對(duì)機(jī)器控制或利用 CIP Safety 與遠(yuǎn)程設(shè)備通信的應(yīng)用(圖 4)。

　　圖 4：Omron 的 NX 集成安全控制器可以同時(shí)進(jìn)行 FSoE 和 CIP 安全通信，以實(shí)現(xiàn)跨裝配線的集成安全。 (圖片來(lái)源：歐姆龍自動(dòng)化)

　　可配置和可擴(kuò)展

　　當(dāng)情況需要可配置和可擴(kuò)展的安全解決方案時(shí)，菲尼克斯電氣提供PSRmodular安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)僅具有三個(gè)安全功能的小型應(yīng)用和具有多達(dá) 160 個(gè) I/O 的大型系統(tǒng)進(jìn)行配置。該系統(tǒng)包括各種安全功能，例如用于監(jiān)控 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號(hào)的模擬模塊、用于接近開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控的模塊以及各種類型的運(yùn)動(dòng)編碼器。安裝在安全繼電器模塊中的繼電器具有強(qiáng)制引導(dǎo)觸點(diǎn)(圖 5)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一系列安全功能，包括：

　　電敏防護(hù)用品

　　緊急停止

　　監(jiān)控安全門(mén)等可移動(dòng)防護(hù)裝置

　　雙手控制裝置

　　零速監(jiān)控和速度監(jiān)控

　　圖 5：具有強(qiáng)制引導(dǎo)觸點(diǎn)的 PSRmodular 系統(tǒng)安全繼電器模塊。 (圖片來(lái)源：菲尼克斯電氣)

　　PSRmodular 安全系統(tǒng)由多個(gè)具有核心功能的基本模塊(如型號(hào)1104981)和用于增強(qiáng) I/O 和保護(hù)功能的擴(kuò)展模塊(如型號(hào)1104884 )組成。這些模塊可通過(guò)軟件進(jìn)行配置，并且系統(tǒng)可使用 PSR-TBUS DIN 導(dǎo)軌連接進(jìn)行擴(kuò)展。

　　簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜機(jī)器的安全性

　　施耐德電氣的Harmony 安全模塊專為簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜的機(jī)器而設(shè)計(jì)，例如食品和飲料加工、起重、物料搬運(yùn)和包裝中使用的機(jī)器。它們分為兩個(gè)系列(圖 6)：

　　Harmony XPS Basic 為使用硬連線安全模塊的應(yīng)用提供了優(yōu)化的解決方案。

　　Harmony XPS Universal 將硬連線安全模塊的簡(jiǎn)單應(yīng)用與通常需要現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的各種消息相結(jié)合。

　　圖 6：Harmony XPS Basic 和 Universal 安全繼電器非常適合輕松管理單一安全功能。 (圖片來(lái)源：施耐德電氣)

　　XPSBAT 基本安全模塊(如XPSBAT12A1AP)用于監(jiān)控緊急停止電路，并提供 0 類和 1 類控制選項(xiàng)。類別 0 實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)停止，而類別 1 實(shí)現(xiàn)延遲停止，延遲可調(diào)范圍為 0 至 15 分鐘(900 秒)。

　　XPSUAK 通用安全模塊(例如XPSUAK12AP型)還可以實(shí)現(xiàn) 0 類和 1 類停機(jī)。這些安全模塊可以與更廣泛的安全設(shè)備連接，包括：

　　緊急停止電路

　　由機(jī)械防護(hù)開(kāi)關(guān)和 RFID 安全開(kāi)關(guān)等保護(hù)裝置激活的開(kāi)關(guān)

　　光幕

　　4 線傳感墊

　　結(jié)論

　　在為工業(yè)系統(tǒng)選擇安全開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及通信協(xié)議，包括黑色通道通信。但這只是開(kāi)始;有針對(duì)桌面裝配操作等小型系統(tǒng)、食品和飲料加工和材料處理中的硬連線安裝、需要可配置或可擴(kuò)展解決方案的系統(tǒng)以及為支持整個(gè)工廠的可擴(kuò)展解決方案而優(yōu)化的設(shè)備的安全開(kāi)關(guān)。