解決選擇合適安全控制器的復(fù)雜性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業(yè)系統(tǒng)中的安全是一個關(guān)鍵而復(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)的眾多國際標(biāo)準(zhǔn)的適用性，如國際電工委員會 （IEC） 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和國際標(biāo)準(zhǔn)組織 （ISO） 13849-1。

此外，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，還可以選擇獨立或集成解決方案。一些平臺具有安全級和非安全級輸出的各種組合，一些平臺具有固定功能，而另一些平臺則可重新配置和擴展。

本文簡要回顧了國際安全標(biāo)準(zhǔn)及其適用性。它還研究了各種通信協(xié)議的用途，然后深入研究了從桌面裝配站到整個工廠的用例，用于固定功能、可重新配置和可擴展模型等安全控制器類型。本文介紹了使用邦納工程、菲尼克斯電氣、施耐德電氣和[歐姆龍自動化產(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)的功能安全（E/E/PE 或 E/E/PES）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、部署和維護(hù)自動保護(hù)系統(tǒng)（稱為安全相關(guān)系統(tǒng)）的方法。它基于這樣一種理念，即任何與安全相關(guān)的系統(tǒng)都必須以本質(zhì)上安全的方式發(fā)生故障。為了衡量功能安全設(shè)計的有效性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了從 1 到 4 的安全完整性等級 （SIL），其中 SIL4 表示最高級別的風(fēng)險降低，SIL1 表示最低級別。SIL的概念也適用于其他安全標(biāo)準(zhǔn)，但SIL的數(shù)量及其定義可能因操作環(huán)境的需要而異。

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

IEC 60947-5-1：2016，低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 - 第 5-1 部分：控制電路設(shè)備和開關(guān)元件 - 機電控制電路設(shè)備，適用于特定類型的設(shè)備，包括：

• 手動控制開關(guān)，如按鈕、腳踏開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)等
• 電磁操作的控制開關(guān)，如延時或瞬時的繼電器或接觸器
• 機器中包含的限位開關(guān)
• 先導(dǎo)開關(guān)，如溫度開關(guān)或壓敏開關(guān)

IEC 62061：2021，機械安全 - 安全相關(guān)控制系統(tǒng)的功能安全是 IEC 61508 的機械相關(guān)版本。它規(guī)定了設(shè)計、集成和驗證安全相關(guān)控制系統(tǒng)的要求。它適用于單獨或組合使用以實現(xiàn)機器安全功能的機械相關(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)級設(shè)計。

IEC 61810-3：2015，具有強制引導(dǎo)（機械連接）觸點的繼電器，是安全控制器的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)。它描述了具有強制引導(dǎo)觸點（也稱為機械連接觸點）的基本繼電器的特殊要求和測試。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。力導(dǎo)向繼電器是許多安全繼電器模塊的基本組件。在 A 類安全繼電器中，所有觸點都是強制引導(dǎo)的。該標(biāo)準(zhǔn)要求，如果常開 （NO） 觸點被焊接，則當(dāng)線圈未通電時，所有常閉 （NC） 觸點必須保持 0.5 mm 的最小開口（圖 1）。

圖 1：如果 NO（或 NC）觸點焊接，則當(dāng)線圈未通電時，所有 NC（或 NO）觸點必須保持 0.5 mm 的最小距離。（圖片來源：Omron Automation）

ISO 13849-1：2023，機械安全控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部分，包括設(shè)計和集成控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分 （SRP/CS） 及其子系統(tǒng)的指南，包括防護(hù)或聯(lián)鎖功能等機械措施，以及相關(guān)軟件。它適用于高要求和連續(xù)運行模式下使用的電氣、液壓、氣動和機械 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 僅提供了黑色通道的一般定義，并參考了現(xiàn)場總線應(yīng)用的 IEC 61784-3 和鐵路信號的 IEC 62280 等標(biāo)準(zhǔn)。黑通道通信的概念源自術(shù)語“黑匣子”。在黑信道通信中，網(wǎng)絡(luò)是黑匣子，純粹用作傳輸介質(zhì);通道是不安全的，安全由應(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)上實現(xiàn)，例如以太網(wǎng)的各種實現(xiàn)，例如PROFIsafe或無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)。在黑通道應(yīng)用中，假設(shè)主通信通道不夠安全，無法進(jìn)行與安全相關(guān)的通信，因此添加了一個額外的安全層來識別和消除任何通信錯誤（圖 2）。

圖 2：PROFIsafe 可用于實現(xiàn)黑通道通信的安全層。（圖片來源：Phoenix Contact）

除了PROFIsafe之外，黑色通道還可以與其他協(xié)議一起實現(xiàn)，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 標(biāo)準(zhǔn)，包括解決及時性、真實性、偽裝和數(shù)據(jù)完整性錯誤的增強功能。

桌面安全

安全問題不僅限于大型或功能強大的機器;桌面裝配站可能需要安全系統(tǒng)。在一種情況下，半自動桌面裝配站用于制造電子元件。每個工位都有一個帶非接觸式安全開關(guān)的重型安全門、零件進(jìn)給處的安全光幕和一個緊急停止按鈕，以保護(hù)操作員免受半自動設(shè)備傷害。單功能安全繼電器控制器可用于小型機器，例如臺式裝配站，以連接安全裝置和機器，以提供安全的啟動和停止功能。

在本例中，Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器 SC10-2ROE型號安裝在每個桌面裝配站的機柜中（圖 3）。該安全控制器將多個安全繼電器模塊的功能組合到一個設(shè)備中，簡化了接線并減少了安裝所需的空間。除了支持小型機器的安全外，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，也可以具有廣泛的功能：

• 串聯(lián)診斷 （ISD） 可以連接多達(dá) 70 個安全設(shè)備。ISD 提供可通過人機界面 （HMI）、PLC 或類似設(shè)備訪問的每個安全設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，使用戶能夠?qū)C器安全系統(tǒng)進(jìn)行故障排除、防止故障并減少停機時間。
• 基于圖標(biāo)的拖放式編程在 PC 上運行，簡化了設(shè)置和設(shè)備管理。
• 外部存儲卡可用于配置設(shè)備，而無需連接到 PC，從而加快配置更改速度。
• 10 個輸入，其中 4 個可設(shè)置為非安全輸出。自動終端優(yōu)化 （ATO） 功能可用于將輸入總數(shù)增加到 14 個。
• 兩個 6 A 安全繼電器輸出帶有三組 NO 獨立控制觸點。
• 能夠執(zhí)行兩種功能停止類型：
  • 類別 0 是不受控制的停止，立即斷電。
  • 類別 1 是在斷電前延遲的受控停止。在機器需要制動機構(gòu)動力的情況下，延遲停止可能會有所幫助。
• 支持 Ethernet/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協(xié)議。

跨生產(chǎn)線的可擴展安全性

在桌面裝配的復(fù)雜性范圍的另一端，集成安全可以在整個工廠的裝配線中實現(xiàn)。例如，Omron Automation 的 [Sysmac NX102 控制器]集成了多種開放式工業(yè)協(xié)議，如以太網(wǎng) I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。[NX102-1020]型自動化控制器包括三個通信端口，它可以將高速安全集成到需要快速循環(huán)時間的生產(chǎn)線中的機器控制中。此外，Omron 的 [NX 集成安全控制器]通過了 SIL3 認(rèn)證，并具有 FSoE 連接功能。NX-SL5 控制器（如 NX-SL5500 型號）可以同時通過 EtherCAT 和 Ethernet/IP 上的 CIP Safety 進(jìn)行 FSoE 通信，從而支持涉及高速同步運動、機器對機器控制或利用 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通信 FSoE 和 CIP 安全，從而在裝配線上實現(xiàn)集成安全。（圖片來源：Omron Automation）

可配置和擴展

當(dāng)環(huán)境需要可配置和可擴展的安全解決方案時，菲尼克斯電氣提供PSRmodulal安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以配置為只有三個安全功能的小型應(yīng)用和具有多達(dá) 160 個 I/O 的大型系統(tǒng)。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 信號的模擬模塊、用于接近開關(guān)運動監(jiān)控的模塊以及各種類型的運動編碼器。安裝在安全繼電器模塊中的繼電器具有強制導(dǎo)向觸點（圖 5）。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)一系列安全功能，包括：

• 電敏保護(hù)設(shè)備
• 緊急停止
• 監(jiān)控安全門等可移動防護(hù)裝置
• 雙手控制裝置
• 零速監(jiān)控和速度監(jiān)控

PSR模塊化安全系統(tǒng)由幾個基本模塊組成，這些模塊具有核心功能，如[1104981]型，以及用于增強I/O和保護(hù)功能的擴展模塊，如[1104884]型。這些模塊可通過軟件進(jìn)行配置，系統(tǒng)可通過PSR-TBUS DIN導(dǎo)軌連接進(jìn)行擴展。

簡單到中等復(fù)雜度機器的安全性

施耐德電氣的 [Harmony 安全模塊]專為簡單到中等復(fù)雜度的機器而設(shè)計，例如用于食品和飲料加工、起重、物料搬運和包裝的機器。它們分為兩個系列（圖 6）：

• Harmony XPS Basic 為使用硬接線安全模塊的應(yīng)用提供優(yōu)化的解決方案。
• Harmony XPS Universal 將硬接線安全模塊的簡單應(yīng)用與通常需要現(xiàn)場總線技術(shù)才能實現(xiàn)的各種信息相結(jié)合。

XPSBAT 基本安全模塊（如 [XPSBAT12A1AP]）用于監(jiān)控急停電路，并提供 0 類和 1 類控制選項。類別 0 實現(xiàn)瞬時停止，而類別 1 實現(xiàn)延遲停止，延遲可在 0 到 15 分鐘（900 秒）之間調(diào)節(jié)。

XPSUAK 通用安全模塊（如 [XPSUAK12AP]型）也可以實現(xiàn) 0 類和 1 類關(guān)機。這些安全模塊可以與更廣泛的安全設(shè)備連接，包括：

• 急停電路
• 由機械防護(hù)開關(guān)和 RFID 安全開關(guān)等保護(hù)裝置激活的開關(guān)
• 光幕
• 4 線傳感墊

結(jié)論

在為工業(yè)系統(tǒng)選擇安全開關(guān)時，需要考慮廣泛的國際標(biāo)準(zhǔn)以及通信協(xié)議，包括黑通道通信。但這僅僅是個開始;有針對小型系統(tǒng)（如桌面裝配操作）優(yōu)化的安全開關(guān)，適用于食品和飲料加工和物料搬運中的硬接線安裝，適用于需要可配置或可擴展解決方案的系統(tǒng)，以及經(jīng)過優(yōu)化以支持整個工廠的可擴展解決方案的設(shè)備。