PLC為何不能代替安全控制器？

概述

國內(nèi)的企業(yè)越來越重視設(shè)備的安全防護(hù)，可事故卻頻頻發(fā)生，這是為什么呢？主要還是源自于大家對于安全防護(hù)知識上存在的諸多誤區(qū)，比如很多人認(rèn)為，穩(wěn)定性高、性能強(qiáng)的PLC即可替代安全控制器的作用，其實(shí)這就是誤區(qū)，往往投入了不少，卻依然換不回真正的安全。其實(shí)安全型PLC具有獨(dú)特的“冗余+比較”的工作方式，全面細(xì)致的檢測與診斷，能夠構(gòu)建真正安全的控制回路。

作為安全家族的最重要環(huán)節(jié)，安全PLC已經(jīng)越來越多的被人們所認(rèn)知，但是在使用的過程中，仍然有很多使用者困惑，為什么一套和以往使用類似的PLC被冠以安全PLC，安全PLC和普通PLC到底有哪幾方面的區(qū)別，在此和大家進(jìn)行分享。

眾所周知，安全設(shè)計(jì)的理念我們一定要記住三個(gè)詞：冗余、相異、自檢測。而只有實(shí)現(xiàn)了以上三個(gè)安全理念設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，我們才能認(rèn)為它是安全產(chǎn)品，而普通的PLC產(chǎn)品是不具備安全的設(shè)計(jì)。那接下來我們就看看安全PLC是如何通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)理念的。

1 冗余

普通PLC內(nèi)部CPU數(shù)量有一個(gè)或者多個(gè)，但程序通常是進(jìn)行一個(gè)處理，多個(gè)CPU的功能是把程序中的邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算、通訊功能等分擔(dān)實(shí)現(xiàn)，也就是協(xié)作處理。

安全PLC內(nèi)部CPU數(shù)量至少兩個(gè)或者多個(gè)，兩個(gè)CPU的功能是：分別對同一個(gè)程序各執(zhí)行一次，然后把記過放在一起比較，如果結(jié)果一致，就會(huì)進(jìn)行輸出，如果不一致，則選擇安全的結(jié)果輸出（通常意義上的不輸出或者停機(jī)）

因此只有具備冗余設(shè)計(jì)的CPU才能稱之為安全PLC。除此之外，安全PLC中的CPU的檢測具有時(shí)鐘檢測、監(jiān)視時(shí)鐘、序列檢查、存儲(chǔ)器檢查。

時(shí)鐘測量：在處理器電路中，有兩個(gè)不同的振蕩器交叉檢查它們的行為，每個(gè)處理器使用一個(gè)時(shí)鐘檢查另外一個(gè)是否運(yùn)行。如果在一個(gè)確定的周期里，檢測到對方?jīng)]有運(yùn)行，CPU就會(huì)進(jìn)入安全狀態(tài)。固件每秒鐘會(huì)檢查兩個(gè)振蕩器的精度。

監(jiān)視時(shí)鐘：一個(gè)硬件和一個(gè)固件的監(jiān)視時(shí)鐘檢查PLC的活動(dòng)和執(zhí)行用戶邏輯的執(zhí)行時(shí)間。這和常規(guī)的PLC系統(tǒng)是相同的。

序列檢查：序列檢查監(jiān)視CPU操作系統(tǒng)不同部分的執(zhí)行。

存儲(chǔ)器檢查：所有靜態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)，包括Flash存儲(chǔ)器和RAM，使用循環(huán)冗余碼（CRC）進(jìn)行檢測，并且雙碼執(zhí)行。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護(hù)，周期性進(jìn)行檢測。在冷啟動(dòng)時(shí)，這些檢測重新進(jìn)行初始化。

從上面的分析可以看出，安全PLC的診斷和檢測比常規(guī)的PLC的檢測要多很多，所以相對來說，硬件和軟件的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。當(dāng)然，檢測和診斷的范圍也更廣范，更細(xì)致。

2 相異

安全PLC通常都有兩個(gè)處理器，通常處理器是由兩個(gè)不同廠家進(jìn)行的提供，比如一個(gè)摩托羅拉，一個(gè)因特爾，同時(shí)進(jìn)行解碼和執(zhí)行。這種差異性提供了失效檢測的下列優(yōu)點(diǎn)：

兩個(gè)可執(zhí)行碼獨(dú)自生成，編譯的差異性使得在代碼生成時(shí)，容易檢測系統(tǒng)失效。

兩個(gè)生成碼由不同的處理器執(zhí)行，因此，CPU能夠在代碼執(zhí)行時(shí)，檢測出系統(tǒng)失效和PLC的隨機(jī)失效。

兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器區(qū)用于兩個(gè)處理器，因此，CPU能夠檢測出RAM的隨機(jī)失效，而這在每個(gè)掃描周期的全部RAM檢查時(shí)測不出來。

3 自檢測

安全PLC的自檢測體現(xiàn)在方方面面，包含CPU處理的自檢測，電源監(jiān)視的自檢測，安全輸入輸出點(diǎn)的電路板狀況自檢測。在此我們介紹一下安全輸入輸出的設(shè)計(jì)是如何體現(xiàn)了自檢測這一安全理念設(shè)計(jì)。

（1）安全數(shù)字輸入

黃色部分是安全輸入點(diǎn)所具備的特有電路設(shè)計(jì)，普通輸入點(diǎn)是沒有的。

內(nèi)部診斷：每個(gè)輸入通道使用一個(gè)公共輸入電路和2個(gè)獨(dú)立獲取鏈路，每個(gè)微處理器驅(qū)動(dòng)一個(gè)數(shù)字輸入串行器（DIS）來實(shí)現(xiàn)對輸入信息的采樣。另外，微處理器還驅(qū)動(dòng)一個(gè)數(shù)字輸入還原器（DID），再驅(qū)動(dòng)診斷功能塊進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)還原數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)的同步比較。

輸入通道錯(cuò)誤檢測：數(shù)字量輸入監(jiān)視現(xiàn)場側(cè)電源，利用外部接線來進(jìn)行漏電流的檢測，最小的漏電流是1mA，如果沒有漏電流，就代表外部電路出現(xiàn)開路故障，在干接點(diǎn)的情況下，在接點(diǎn)兩端并聯(lián)一個(gè)10k歐的上拉電阻，用于外部線路的斷線檢測。每個(gè)輸入電路都配置了開關(guān)，周期地強(qiáng)制為1或0，用于檢測電路是否健康。每個(gè)輸入電路獨(dú)立進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)問題就對診斷位置1，聲明通道處于非健康狀態(tài)。

（2）安全數(shù)字輸出

黃色部分是安全輸入點(diǎn)所具備的特有電路設(shè)計(jì)，普通輸入點(diǎn)是沒有的。

內(nèi)部診斷：為了檢查開關(guān)是否能夠斷開與閉合，要在輸出模塊（在模塊內(nèi)部電路，插入周期性的診斷循環(huán)）進(jìn)行一個(gè)脈沖測試。

（3）診斷序列

更改開關(guān)命令，這個(gè)時(shí)間非常短，不會(huì)影響執(zhí)行器，最大不超過1ms；核實(shí)測試結(jié)果，并且恢復(fù)正確的開關(guān)命令。

電源監(jiān)視：每個(gè)輸出電路包括兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)，有兩個(gè)處理器分別進(jìn)行控制。第一個(gè)微處理器使用數(shù)字量輸出還原器（DOD）驅(qū)動(dòng)它的開關(guān)，而第二個(gè)微處理器則在還原器之后驅(qū)動(dòng)它的開關(guān)。在每個(gè)周期里，兩個(gè)微處理器系統(tǒng)的中點(diǎn)電壓要與一個(gè)閥值進(jìn)行比較，然后還要交換它們的如果，評估中點(diǎn)的狀態(tài)，診斷開關(guān)的狀態(tài)。如果在一個(gè)通道中檢查到出錯(cuò)的行為，那么立即停機(jī)，并且設(shè)置診斷位，通知CPU，CPU中會(huì)有故障信息體現(xiàn)。

綜上所述，希望大家對安全PLC和普通PLC的區(qū)別有了一個(gè)更進(jìn)一步的認(rèn)識，也通過上面的介紹，了解到安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三個(gè)重要理念。在未來使用安全相關(guān)產(chǎn)品的時(shí)候，能夠結(jié)合今天分享的內(nèi)容來認(rèn)識這些安全產(chǎn)品，通過它們的設(shè)計(jì)，區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)控制產(chǎn)品。

審核編輯 ：李倩