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文档简介
1、安全PLC的结构和性能近几十年来,多起工业事故发生的原因可以追溯到计算机系统的失效,造成了人员伤亡、设备损坏和环境污染。这些事件也唤醒了国家和公众对减少危险、建立安全工业流程的意识。为此,IEC制定了新的安全国际标准:IEC61508/61511,现在已经由工业组织合作制定完成,我国相关标准的转化工作也已经完成,现已颁布。为了帮助读者了解目前安全仪表系统(SIS)使用安全PLC实现电气/电子/可编程电子系统(E/E/PES)功能的情况,就常见的几种安全系统结构进行探讨,希望能对今后的系统选择有所借鉴和参考。1PLC是一个逻辑解算器一个安全系统的逻辑解算器是一种特殊类型的PLC,它具有独立的安全
2、功能认证,也有继电器逻辑或者固态逻辑的运算能力。逻辑解算器从传感器读入信号,执行事先编制好的程序或者事先设计好的功能,用于防止或者减轻潜在的安全隐患,然后把结果信号发送到执行器或最终元件采取行动。逻辑解算器的设计有很多种,来满足不同的市场需求、应用和任务。我们下面将就几种比较典型的安全PLC的结构进行讨论。2安全PLC的体系结构当你构建一个安全系统时,可以有很多方式来安排安全系统部件。有些安排考虑的是对成功操作的有效性最大化。(可靠性或可用性)。有些安排考虑的是防止特殊失效的发生(失效安全,失效危险)。控制系统部件的不同安排可以从它们的体系结构中看出来。这节内容将介绍市场上几款常见的可编程电子
3、系统(PES)的体系结构,了解它们的安全特性,以及在安全和关键控制中的应用。它们是在实践中已经存在的多种结构的代表,真正现场使用的系统就是这些结构的不同组合。下面的内容将用N选X(比如2选1)的方式:XooN来介绍系统。在每个类型中,X代表需要执行安全功能的通道数,而N代表整个可用的通道数。2.11oo1单通道系统单控制器带有单个逻辑解算器和单个I/O,代表了一个最小化的系统,见下图(图1)。这个系统没有提供冗余,也没有失效模式保护。电子电路可以失效安全(输出断电,回路开路)或者失效危险(输出粘连或给电,短路)。这种安排方式是典型的非安全常规PLC系统结构。图1:1oo1结构安全PLC的输入和
4、常规PLC的输入接法也有区别,常规PLC的输入通常接传感器的常开接点,而安全PLC的输入通常接传感器的常闭接点,用于提高输入信号的快速性和可靠性。有些安全PLC输入还具有“三态”功能,即“常开”、“常闭”和“断线”三个状态,这样可以通过“断线”来诊断输入传感器的回路是否断路,提高了输入信号的可靠性。另外,有些安全PLC的输出和常规的PLC的输出也有区别。常规PLC一旦输出了信号之后,就和PLC本身失去了关联,也就是说输出后,比如说“接通”外部继电器,继电器本身最后到底通没通,PLC并不知道,这是因为没有外部设备的反馈所致。安全PLC具有所谓“线路检测”功能,即周期性的对输出回路发送短脉冲信号(
5、毫秒级,并不让用电器导通)来检测回路是否断线,从而提高了输出信号的可靠性。2.21oo2双通道系统两个控制器的并行处理和连线,可以把单个PLC危险失效的影响降到最低。为了可靠断开系统,两个输出电路采用串行连接,以防止任何一个控制器在危险的方式下失效,造成系统失效危险。1oo2结构(图2)常用于两个独立逻辑解算器、并各自带有自己独立的I/O。系统提供了较低的失效可能性,但它增加了失效安全断路的可能性。失效安全断开率的增加,有可能增加流程系统的停车和机械系统的停机。图2:1oo2结构这种结构的输入方式有两种:一种为一个传感器接到两个输入点上(可以使用同一个模块的两个点,也可以使用两个模块的两个点,
6、厂商推荐用户最好采用不同机架上的两个不同模块的两个点);一种为两个传感器或者一个传感器的两个接点接到两个输入点,这样可以进一步提高输入信号的可靠性(传感器冗余)。图中的结构为两个彼此独立的系统,在输出之前并没有对输入信号和运算结果进行表决,而有些系统对输入信号和逻辑结果要进行表决,然后输出。1oo2系统的表决机制也非常特别。当两个输入都为“0”或“1”信号时,自然没有问题。但如果出现一个为“0”、而一个为“1”,系统如何表决呢?答案是:取安全的值做为表决的结果!那么何谓安全值?答案是:要根据具体的应用进行设置。如果“0”为安全值,那么出现一个“0”和一个“1”时,就选择“0”,相当进行了一次3
7、选2的表决。下面再谈谈输出的接线方式问题。一般来说也有两种接法,被称为:安全接法和冗余接法。所谓安全接法指的是:输出的两个通道进行串联后再接执行器,逻辑关系为“与”,也就是说:一个通道为“0”,负载就不得电,这样可以确保系统的安全性。所谓冗余接法指的是:输出的两个通道进行并联后再接执行器,逻辑关系为“或”,也就是说:一个通道为“1”,负载就可以获电,这样可以提高系统的可用性。至于采用哪种接线要根据应用的要求来决定。如果是安全性系统,建议采用安全接法。如果是高可用性系统,建议采用冗余接法。2.31oo1D双通道系统这种结构使用一个带有诊断能力的单一控制器通道,和第二个诊断通道利用串行连接构成输出
8、回路。典型的1oo1D结构见图3。1oo1D的“D”意思是诊断的含义,所以被称为一选一诊断系统,功能相当于一种二选一系统。因为这种系统的造价相对低廉,所以这种系统在安全应用中扮演了重要的角色。这种1oo1D结构由一个单一逻辑解算器和一个外部的监视时钟而构成,定时器的输出与逻辑解算器的输出进行串联接线。在更先进的系统中,内置诊断控制一个独立串联输出,当系统检测出失效时,它会强制系统处于断开状态。诊断功能把检测到的一个危险失效转变成一个安全失效。图3:1oo1D结构出开关。比如固态开关提供了常规的控制器输出,而另一个继电器由内部诊断控制,提供了第二个常开接点开关。如果在输出通道检测到一个潜在的危险
9、失效,继电器触点就会断开,使输出回路断电,确保执行器处于安全状态。双重电路通道可以使用不同类型的触点实现1oo1D结构,比如两个常开点,或者一个常开点加一个常闭点等。后缀“D”反映了系统在每个通道中,具有更广泛和更细致的自诊断能力。第二个停机路径,就是由这个自诊断系统,运用高级的“依据参考”的方法进行系统诊断。下面是标准的1oo1D结构的特性:单一控制器;单一I/O子系统,带有保护输出和“失效接通”和“失效断开”的诊断输出选择;冗余电源;冗余通信总线;诊断率99.5%。2.42oo3三通道系统如果在一些控制系统的应用中,根本不允许失效模式的出现,那么三选二系统是一种最牢靠的办法。当要防止两种失
10、效模式的出现时,系统的结构变得非常复杂。一种既可以容忍“安全”失效,又可以容忍“危险”失效的结构设计,就是三选二结构(三个单元中选择两个相同的结果用于安全功能,见图4)。这种带有三个控制器单元的结构,提供了即有安全性又有高可用性的系统。这种系统被称为TMR(三重模块冗余)系统。每个控制器单元的输出通道都带有两个输出点。把三个控制器各自的两个输出点连接成“表决”电路,用表决的结果来决定真正的输出信号。输出的结果取决于“多数”的意见。当一条电路中有两个输出点接通时,输出负载将被激活。当一条电路中有两个输出点断开时,输出负载将被断电。图4:2oo3结构在上图的输出接线中,没有直接把三个输出的接点简单
11、地串联后,接到执行器。如果这样接的话,那就是纯粹的安全接法,而不考虑容错问题了。图中采用的是:两两输出接点先进行串联安全接法,然后把三种可能的串联组合再并联起来冗余接法。所以把这种系统称为:兼顾了安全性和高可用性的系统。一个TMR系统通常由三个同样的CPU组成,通常运行同一个应用程序(特殊情况下,有些系统故意要运行不同的应用程序,这里暂且不讨论)。每个CPU连接到同样的输入和输出子系统。每个CPU接受所有的输入并执行表决,决定开关量输入和选择中间量的模拟量输入。每个输入可以是一个传感器、两个传感器或者三个传感器,这取决于应用的要求。每个扫描周期,每个输入设备往CPU传送一次数据,因为传感器是广
12、播方式传送输入数据,所以同样的输入传给所有的CPU。每个CPU接收了表决输入数据以后,再执行应用程序。每个CPU是各自独立地、非同步地运行,并且不共享它们的输入/输出数据,从而避免了一个CPU的错误数据影响其他CPU的数据存储器。每个CPU执行相同的应用程序,处理输入数据,然后建立新的输出数据。通过输出模块和现场表决接线,把输出数据传送至输出设备。保证一个TMR系统可以正常运行的另一个重要内容是TMR软件。TMR软件提供了系统配置工具和系统软件功能。还有专为TMR应用准备的文件夹,TMR系统软件控制输入表决、特殊的TMR存储器映射、诊断信息、周期性自检、和PLC子系统的其他操作。2.51oo2
13、D带诊断的双通道系统1oo2D结构有两重的1oo1D系统,并联接线,并有额外的控制线路,提供了1oo2安全功能。图5表示了1oo2D的结构。1oo2D设计成既能容忍安全失效,又能容忍危险失效的系统。基于诊断和结合2oo2的可用性与1oo2的安全性的执行,它可以有效地进行自我重新配置。这种结构非常依赖诊断,因此不同厂商在具体实现时,有不同的解决方案。现在,这种结构取代了很多2oo3系统,因为它降低了系统成本,并且在安全性和可用性的性能相差无几。图5:1oo2D结构1oo2D结构提供了完全的系统容错,与1oo1D系统提供了相同的基本特性,但增加了控制器和I/O系统的全部冗余。1oo2D结构提供了最
14、高级别的安全性和可用性。为了实现全部的容错,把基于1oo1D的结构进行并联,1oo2D也被称为“四重化”结构。在检测到第一个关键失效时,系统会走向(降级)1oo1D模式,但不停机。这时可以对系统进行在线维护,直到系统恢复成1oo2D结构。1oo2D结构减少了硬件的数量,特别是相对于标准的TMR系统,同时提供了一个并行的带有保护的输出。系统的一方面在线诊断关键失效(输入/处理器/输出),另一方面维持控制和系统有效状态。这种结构的性能在可靠性和可用性两方面,都要优于常规的双PLC和TMR系统。这种结构还有规避外部公共因素影响的优点。不像其他安全系统,有些1oo2D结构的两边能够安装在不同机柜内的不
15、同机架上,使系统暴露于恶劣现场环境的可能性最小化,减少比如机柜温度或者其他物理参数对系统的影响。2.62oo4D四重化系统为了在系统出现问题后,系统可以降级到1oo2D的系统继续运行,一些厂商在市场上提供了一种称为四重化的系统方案,有时被称为QMR(四重模块冗余)。四重化系统,实际的系统结构是基于双重化的输入和输出的结构变化而来的,四重的含义是指系统包括了四个处理器(每条腿上有两个)。这种结构确保了即使系统的一条腿由于错误或替换停机,整个系统还是完整的。比起1oo2D或2oo3系统,感觉2oo4D的系统可能更安全而且更可靠,实际上它们在运行时,系统所提供的可用性和安全完整性等级是一样的。图6:
16、2oo4D“四重化”结构与硬件相反,软件永远不会降级。因此,当使用软件检测硬件时,总是在误动作发生之前就可以发现它们。QMR安全系统使用软件进行自测试和自诊断,从现场至处理器。这使得QMR安全系统比任何其他没有使用自测试和自诊断的系统更加可靠,这其中包括2oo3或者2oo4系统。除了具有系统内部自测试和自诊断能力外,QMR系统还有测试和诊断现场回路的能力。对于输入和输出,系统都具有回路监视功能。一旦发现回路中出现短路和开路,就会生成报警。这种自动检测和诊断方法减少了整个系统的维护和测试的费用。QMR带诊断系统具有处理多失效的能力,因为它能够发现和隔离系统中任何地方出现失效的能力。只要失效不是来自系统的同一个部分,它可以具有在多个失效产生时,不丢失任何安全功能的能力。结合2oo4D的诊断技术,使得系统具有发现和隔离甚至不发生误动作的能力。QMR安全系统是第一个、并且目前是仅有的一个使用真正的双容错结构。它是仅有的、具有当两个处理器都失效而能保持系统执行安全功能到SIL3等级的安全系统。QMR安全系统在替换失效模块时,是非常容易的,可以在线进行,不需要热备或者中间模块,不会影响安全装置的流程。因为两个通道独立运行
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