張一然 郝鵬飛 袁 楷 張柯林 王 毅

北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

近些年，由于工業(yè)事故致使人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染的情況頻發(fā)，使人們更深刻認識到建立安全工業(yè)流程的必要性。隨著工業(yè)安全的普及，新的安全國際標準IEC 61508—2000《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》和國家標準GB/T 20438—2017《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》應(yīng)運而生。國內(nèi)外各行各業(yè)對于控制系統(tǒng)中電氣控制功能的安全要求也日益提高，許多歐美國家已經(jīng)將此類要求作為項目投標的必要條件。目前，我國在這方面尚還處于發(fā)展初期，大部分設(shè)備都具有潛在的危險性且沒有完善的防護措施，這也是安全事故頻發(fā)的重要原因之一。

近些年，國家對這類問題重視度日漸提高，設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性已然成為大家重點關(guān)注的焦點。在不斷拓展海外市場的過程中，對設(shè)備的控制系統(tǒng)及安全性要求越來越高，必須要達到國際標準。因此，安全控制系統(tǒng)在起重運輸設(shè)備中起到至關(guān)重要的作用，也是用戶判定供應(yīng)商提供的設(shè)備是否可靠的重要指標之一。

1 電氣系統(tǒng)安全控制的方式及選型基本原則

電氣系統(tǒng)需要設(shè)計一種穩(wěn)定的安全保護機制，盡可能地消除機械設(shè)備的安全隱患，為設(shè)備安全和人身安全提供有力保障，杜絕重大安全事故發(fā)生，避免造成經(jīng)濟上的損失。安全系統(tǒng)在設(shè)備啟動、停止、出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)以及檢修模式工作期間都應(yīng)對設(shè)備起到保護作用。如設(shè)備現(xiàn)場發(fā)生危急情況，安全保護系統(tǒng)應(yīng)立即啟動響應(yīng)機制并及時做出反饋，保障設(shè)備安全停機。

電氣系統(tǒng)安全控制的方式從安全等級由低到高大體上可以分為3 種：由安全繼電器搭建的回路、安全PLC和安全總線系統(tǒng)、可編程的模塊化安全控制系統(tǒng)。

由安全繼電器搭建的安全回路可用于控制單一或數(shù)量較少的安全功能，主要適用于單機或簡單自動化生產(chǎn)線等小型安全控制系統(tǒng)；安全可編程邏輯控制器（F-PLC）和安全總線系統(tǒng)適用于大型、離散式的安全控制系統(tǒng)。20 世紀末，安全PLC 問世，其可編程序性能強大，使用安全總線能實現(xiàn)較高要求的安全控制，但成本較高；可編程的模塊化安全控制系統(tǒng)是近年推出的安全控制模塊類產(chǎn)品，介于安全繼電器和安全PLC 之間，具有一定的可編程能力和擴展性，價格相對不高。

根據(jù)EN954-1《機械安全-控制系統(tǒng)有關(guān)安全的部件》安全等級的基本要求，首先依據(jù)機器的工作模式、功能對機器工作可能存在的所有危險進行分析、評估，確定設(shè)備各個部分的危險等級，從而選擇相應(yīng)的安全等級，一般選3 級即可滿足大多數(shù)的應(yīng)用。然后對所有需要安全保護的部分進行統(tǒng)計，包括輸入、輸出、保護的安全等級，系統(tǒng)的工作模式，系統(tǒng)的復(fù)位方式等。最后設(shè)計、選擇合適的安全保護方式和產(chǎn)品。

2 設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安全PLC 應(yīng)用實例

物料搬運設(shè)備的系統(tǒng)主要應(yīng)包括檢測元件、執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)3 部分。物料搬運設(shè)備通常具有運行空間較為開闊、可能出現(xiàn)運行人員和檢修人員的點位較多、設(shè)備與設(shè)備之間的交互控制較為復(fù)雜等特點。因此，物料搬運設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)由以下組件構(gòu)成：輸入設(shè)備（包括主令控制器、各種安全限制器、急停開關(guān)等）、邏輯控制器（系統(tǒng)PLC 和安全PLC 等）、執(zhí)行機構(gòu)（運行設(shè)備、夾具設(shè)備等）。

安全PLC 系統(tǒng)是一個具有特殊結(jié)構(gòu)形式和特殊處理方式的PLC 安全認證系統(tǒng)。安全PLC 系統(tǒng)包括安全輸入設(shè)備（如急?？刂瓢粹o、安全門限位開關(guān)或連鎖開關(guān)、安全光柵或光幕等），安全控制電氣元件（如安全繼電器、安全PLC 和安全總線等）以及安全輸出控制（如主回路中的接觸器、繼電器等）。

各廠家的產(chǎn)品不同，所采用的技術(shù)和措施也不盡相同，但安全PLC 都具有以下2 個共同特點：一是利用冗余多樣性技術(shù)，能專業(yè)應(yīng)對條件苛刻的任務(wù)或安全相關(guān)應(yīng)用。二是可在任何時間、每一步進行診斷和檢測以保證無差錯或顯著地減少錯誤。因此，當安全PLC 發(fā)生故障或者失效時，不會對相關(guān)人員的安全或者過程的安全帶來危險。除此之外，大部分安全PLC 還具有以下特點：1）根據(jù)相應(yīng)安全標準研制開發(fā)的用于安全防護系統(tǒng)控制設(shè)備的可編程電子系統(tǒng)；2）均為模塊化結(jié)構(gòu)，各類模塊都設(shè)計成故障-安全型；3）具有完善的測試手段或采取有效措施保證其安全性；4）當檢測到系統(tǒng)故障尤其是危險故障時能使系統(tǒng)回到安全狀態(tài)；5）取得相應(yīng)等級的安全標準證書，系統(tǒng)軟件也達到相應(yīng)安全等級；6）能進行系統(tǒng)故障報警并指示故障原因和故障位置；7）能在線進行系統(tǒng)維護，冗余卡可在線更換并恢復(fù)；8）有準確無誤的順序事故記錄功能。

以某起重機項目為例，就硬件和軟件2 方面分別介紹安全PLC 在物料搬運行業(yè)中的應(yīng)用。

2.1 硬件設(shè)計

該項目共有4 臺灰渣搬運起重機，每臺設(shè)備均有各自的控制系統(tǒng)，另設(shè)有1 套上位控制系統(tǒng)。項目選用了某品牌的安全控制系列產(chǎn)品，包括可配置安全控制器PNOZ m B0、擴展模塊PNOZ m EF 4DIDOR、安全急停按鈕PIT es Set1s-5c、強制導(dǎo)向繼電器SRD-SIM4 SIM312 及配套端子等。其中上位控制部分設(shè)有1 個可配置安全控制器（以下簡稱主m B0）和1 個擴展模塊，安裝在上位控制電控柜內(nèi)；4 臺設(shè)備的控制部分各設(shè)1個可配置安全控制器（以下簡稱設(shè)備m B0），安裝在各設(shè)備的配電保護柜內(nèi)。控制器PNOZ m B0 具有以下功能和特點：1）4 個最高可達EN IEC 62061 的SIL 3級別的半導(dǎo)體安全輸出；2）12 個常規(guī)輸入，可連接如急停按鈕、安全門限位、啟動按鈕、雙手控制按鈕、掃描儀、使能開關(guān)、操作模式選擇開關(guān)等輸入設(shè)備；3）8 個可配置輸入/輸出，可配置為上述常規(guī)輸入設(shè)備或輔助輸出；4）4 個可配置輸出，可配置為輔助輸出或測試脈沖輸出，測試脈沖輸出用于監(jiān)控輸入短路；5）1塊LED 顯示屏，可顯示如錯誤消息、診斷、電源電壓、輸入輸出錯誤等信息；6）1 塊背光顯示屏用于顯示錯誤消息、電源電壓狀態(tài)、輸入輸出狀態(tài)、狀態(tài)信息和單元信息。

對于急停開關(guān)的布置，針對每臺設(shè)備分別在設(shè)備操作椅、起重機主梁安全門各設(shè)有1 個急停開關(guān)，信號通過硬接線進入各自設(shè)備m B0；針對上位控制系統(tǒng)分別在裝載區(qū)控制箱（6 個）、中控室操作臺、外部控制室操作臺各設(shè)有1 個急停開關(guān)，信號通過硬接線進入主m B0。主m B0 與4 臺設(shè)備m B0 之間通過硬接線進行信號交互。圖1 為安全PLC 硬件配置示意圖。

圖1 安全PLC 硬件配置示意圖

m B0 模塊需有2 組24 V DC 分別對控制系統(tǒng)的電源和半導(dǎo)體輸出分別進行供電。其中半導(dǎo)體輸出的電源電壓必須始終存在，即使工程中沒有使用半導(dǎo)體輸出。需要注意的是，使用2 個電源分別饋送電壓時，控制系統(tǒng)的電源電壓和半導(dǎo)體輸出的電源電壓要使用電位隔離。圖2 為m B0 模塊供電示意圖。

圖2 m B0 模塊供電示意圖

本項目中使用的急停開關(guān)配有2 副觸點，每個觸點進入m B0 的1 個輸入通道。2 副觸點中的任意一副動作，在控制器中都會被判斷為急停按鈕觸發(fā)，該冗余設(shè)計保證了即使其中任意一個觸點出現(xiàn)卡阻或粘連等故障，也不會導(dǎo)致整個急停的失效。

2.2 邏輯及軟件介紹

2.2.1 主m B0 運行邏輯

1）主m B0 接受與其直接關(guān)聯(lián)的各個急停開關(guān)和每個設(shè)備m B0 的反饋信號，當有其中一個或一個以上的安全輸入斷開時，所有的安全輸出全部斷開。

2）脈沖輸出供常規(guī)PLC（S7-1500）判斷具體哪路急?；虬踩珬l件不滿足。當各急停拍下時，安全控制器通過編程由可配置輸出端輸出不同赫茲數(shù)的脈沖至常規(guī)PLC，若2 個或2 個以上的急停同時拍下，常規(guī)PLC 通過脈沖數(shù)可判斷具體哪路急?；虬踩珬l件不滿足。

2.2.2 設(shè)備m B0 運行邏輯

1）接受急停和m B0 急停反饋信號，當急停和安全輸入或主m B0 有斷開時，所有的安全輸出按照以下第2 條邏輯執(zhí)行。

2）斷開邏輯 ①首先斷開設(shè)備主接觸器回路，開始監(jiān)測主接觸器狀態(tài)反饋的狀態(tài)。②當主接觸器回路在30 ms 內(nèi)反饋斷開則主斷路器回路無需斷開；當主接觸器回路在30 ms 內(nèi)未斷開則斷開主斷路器回路，作為強制斷開電源的輔助措施。③執(zhí)行邏輯①的同時，發(fā)送斷開指令給主m B0，以便通知主m B0 斷開其他設(shè)備。④若主接觸器并非由m B0 發(fā)起的斷開指令（設(shè)備的其他安全條件觸發(fā)），但仍監(jiān)控到主接觸器狀態(tài)反饋斷開，則不需要斷開主斷路器。

3）通過脈沖輸出頻率情況供常規(guī)PLC 判斷哪一路或安全條件不滿足。

本項目由于使用的安全控制器需使用相應(yīng)的控制器編程軟件Multi Configurator。軟件需要授權(quán)才能上傳和下載程序，沒有授權(quán)的軟件只能做有限的編程功能。編程軟件界面主要包括硬件配置和用戶程序2 部分。

硬件配置時雙擊左邊模塊或者將其拖拽至右側(cè)硬件配置區(qū)域即可。將模塊拖拽至配置區(qū)，完成后模塊下方會顯示已配置硬件的基本參數(shù)，根據(jù)實物上的版本號選擇對應(yīng)的版本，設(shè)備標識為自己定義的設(shè)備名稱；設(shè)備標識和位置描述可根據(jù)實際需要選擇填寫，其余參數(shù)可不進行編輯。本項目主m B0 硬件配置顯示如圖3 所示。

圖3 硬件配置圖

2.3 用戶程序界面

用戶程序界面分為程序管理區(qū)、輸入點配置區(qū)、功能塊配置區(qū)、邏輯塊配置區(qū)、輸出快配置區(qū)、輸出點配置區(qū)、功能塊選擇區(qū)7 部分（見圖4）。

圖4 用戶程序界面

1）程序管理區(qū) 用于管理用戶程序，可添加/刪除或者重命名頁面。

2）輸入點配置區(qū) 雙擊激活輸入點配置框，配置輸入點；設(shè)備ID 為硬件配置時用戶所配置的設(shè)備標識；輸入/輸出可下拉菜單選擇IO，RLO：0 為常閉點，RLO：1 為常開點；監(jiān)測輸入回路觸點間的短路勾選后則需要配置測試脈沖，未配置則默認識別24 V 為輸入電壓；否定勾選則表示將輸入信號取反，過濾時間指信號的安定時間，持續(xù)大于該時間信號則被認為有效，避免干擾信號造成誤觸發(fā)。

3）功能塊配置區(qū) 可將右邊的功能例如急停功能塊等拖拽到此處進行編輯，也可雙擊空白處激活選擇對話框所需功能塊；首先要將開關(guān)類型選擇對應(yīng)的觸點類型，類型3-同步指的是2 個觸點的閉合與斷開都有時間同步性的要求，不能大于3 s，否則會報錯；開關(guān)類型選擇完成要根據(jù)實際接線配置IO，使用了測試脈沖則要勾選檢測輸入回路觸點間短路。

配置輸入后需要配置復(fù)位，復(fù)位有手動復(fù)位、自動復(fù)位、可監(jiān)控手動復(fù)位3 種類型。①自動復(fù)位 被觸發(fā)后只要輸入信號恢復(fù)正常后輸出立即恢復(fù)；②手動復(fù)位輸入信號恢復(fù)正常后需要1 個上升沿的復(fù)位信號輸出才能恢復(fù)；③可監(jiān)控后動復(fù)位 輸入信號恢復(fù)正常后需要一個下降沿的復(fù)位信號輸出才能恢復(fù)。

4）邏輯塊配置區(qū) 可將右側(cè)的邏輯塊拖拽到此處進行編輯，也可雙擊空白處激活選擇對話框選擇所需功能塊；功能塊之間的連線可直接用鼠標點擊拖拽連接。

5）輸出塊配置區(qū) 可在右側(cè)輸出部分選擇輸出塊，也可雙擊空白處激活選擇對話框選擇所需輸出塊，輸出塊有繼電器型、半導(dǎo)體型、安全閥型等，本項目使用了m B0 本體上的4 個半導(dǎo)體輸出和4 個可配置脈沖測試輸出，同時使用了擴展模塊4DIDOR 的2 個繼電器輸出。半導(dǎo)體輸出可以選擇安全輸出和標準輸出，安全輸出是O0-O3，標準輸出是IM0-IM3、IM16-IM19 這幾個可配置為標準輸出用，另外測試脈沖也可配置為標準輸出使用。輸出類型默認為單極輸出，也可根據(jù)需要配置輸出數(shù)量為單極輸出還是雙輸出。

反饋回路的作用是用來監(jiān)控輸出所驅(qū)動的元件是否正常動作，如圖5 所示，將接觸器的常閉觸點接入I7，當輸出O0 正常輸出驅(qū)動接觸器，接觸器正常動作則反饋信號會有一個由ON 到OFF 的變化，如果在O0 輸出前該反饋信號不正常（如OFF）或動作后反饋信號沒有在監(jiān)控時間內(nèi)斷開（本項目設(shè)為3 s）則控制器認為接觸器出現(xiàn)異常，則中斷輸出并報故障，從而達到監(jiān)控輸出驅(qū)動單元的功能。在配置輸出模塊時要選擇使用反饋回路，然后在回路中把反饋信號連接到輸出模塊的反饋信號連接處。

圖5 急停程序設(shè)計

具體程序如圖5 所示。這段程序中，節(jié)點16 為所有急停信號的并聯(lián)輸入點，即整個系統(tǒng)中任何一個急停開關(guān)被觸發(fā)都會使程序中節(jié)點16 動作。節(jié)點16 后接一個下降沿和一個RS 觸發(fā)器，一旦檢測到節(jié)點16 的信號從1 變?yōu)? 時，RS 觸發(fā)器被觸發(fā)，節(jié)點18 動作。節(jié)點18 使a1-o0、a1-o1、a1-o2、a1-o3 這4 個輸出點動作，進而將緊急停止信號傳輸?shù)? 臺設(shè)備的分m B0 上，由分m B0 使各設(shè)備停止運行；同時觸發(fā)a2-o2、a2-o3 這2 個外部繼電器，繼電器信號輸出到主PLC，由主PLC進行邏輯分析和判斷。由于2 個繼電器輸出信號的排列組合可以形成4 種狀態(tài)，進而通過這4 種狀態(tài)分別代表4 臺設(shè)備中的某一臺觸發(fā)了急停信號。

3 結(jié)語

本文介紹的安全PLC 系統(tǒng)目前尚屬并未廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)，隨著以人為本理念的深入貫徹，未來將具有長遠和持續(xù)性的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中得到更加廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同項目控制系統(tǒng)的要求，統(tǒng)籌考慮冗余程度、故障原因、響應(yīng)速度、復(fù)位方式、性價比等因素，選擇適用的硬件和合理的配置，結(jié)合工藝設(shè)計和邏輯編程，組建一套完善的安全系統(tǒng)，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，尤其是應(yīng)用于物料搬運起重設(shè)備能大幅提升系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，減少甚至避免由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致的人員傷亡和財產(chǎn)損失。