導航：安全管理網>> 安全論文>> 機械安全論文>>正文

安全控制器結構分析與研究

文檔作者：談秀華趙瑩玉韓兵文檔來源：上海交通大學		點擊數：	更新時間： 2021年01月07日
下載地址：點擊這里	文件大小： 257.97 KB 共4頁	文檔格式： PDF	下載點數： 1 點（VIP免費）

全屏查看

內容預覽 [文件共4頁]

本文件共4頁，如需編輯使用，請下載。

注：預覽效果可能會出現部分文字亂碼（如口口口）、內容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大小：257.97 KB 共4頁文件格式：PDF 下載點數：1 點（VIP會員免費）

下一篇：安全電磁截止閥結構與應用

上一篇： EO/EG 裝置OMS安全聯鎖系統中關鍵閥門的…

文本預覽

僅提取頁面文字內容，供快速閱讀使用。

工業自
安全控制器結構分析與研究
談秀華，趙瑩玉，韓 兵
(上海交通大學 自動化系， 上海 200240)
摘要：隨著工業生產和工程應用需求的增加，對安全方面的規范必將更為嚴格，而安全控制方面的研究也會更加深入。論文對
安全控制器的電路結構進行了分析研究，分析了安全控制器相關系統應用中的冗余特性，對PLC數字量的輸入輸出模塊進行了
安全結構研究。因為要成為安全PLC，則每個模塊也必須是故障一安全型的。采用增加冗余通道和增加測試模塊的方法對PLC
的交直流兩種輸入與輸出模塊．以及繼電器輸出、晶體管輸出結構進行了研究。
關鍵詞：安全控制器；結構分析；PLC
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009—9492(2011)11-00l1一o4
Structure of Security Controllers Analysis and Research
TAN Xiu-hua，ZHAO Ying-yu，HAN Bing
(Automation departmeng of Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)
Abstract：With industrial production and increasing demand for engineering applications，the specification of security will be more strin—
gent，and security control will be more in—depth research．The paper analyzes circuit structure of security controllers and redundan cy applications
of the safety related system controller and the PLC digital input and output modules of the security structure．Because of a safe
PLC，then each module must also be a failure—security type．Increased by adding redundant channel and the method of test module PLC
both AC and DC input and output modules，relay output，transistor output structure are studied．
Key words： safe controller：structure analysis；PLC
1引言
控制系統的安全性是生產過程安全的保證。
工業自動化領域中廣泛使用的控制器由于設計缺
陷或由硬件問題引起的設備故障可能造成巨大的
經濟損失，或者導致人員傷亡，環境污染。雖然
人為操作不當不能忽視，但如果系統本身可以在
發生故障時啟動安全裝置，安全在一定程度上才
能保證，風險就可以減少到可以承受的范圍。安
全控制裝置是一個安全控制體系的重要組成部分。
安全控制裝置不是不會發生故障，而是相對于正
常控制設備具有自己的冗余性和診斷等功能，從
而保障安全信號被接收時正確的邏輯分析、處理
和控制執行器的安全輸出。
2安全控制系統
在生活中所說的安全是不發生危險。這是絕
對的安全，而在實際的控制系統中，這樣的安全
是不可能被實現的。在IEC61508中將安全定義為
收稿日期：2011-05—19
freedom from unacceptable risk，即避免不可接受的
風險。而將風險定義為危害發生頻率與其嚴重性
的乘積。
安全控制系統就是指符合一定安全級別，能
夠對設備可能出現的故障進行動作的控制系統。
它必須能夠迅速、正確的對事故做出響應。最終
能夠完全避免事故的發生或者至少能減少事故給
設備、環境和人員造成的危害n】。
安全控制系統基本結構由輸入設備。如傳感
器，邏輯單元和輸出設備(如執行器)所組成
(如圖1)。如緊急停車系統(emergency shut—down
system，ESD)是一種應用于工業過程的安全控制
系統。它由中心單元、輸入、輸出單元和輔助單
元構成．并且ESD系統與其相關的系統緊密連
接。以往ESD的中心單元一般采用繼電器或專用
的程序控制設備。而在電子技術飛速發展，計算
機技術廣泛應用的今天，ESD系統的中心單元一
G 自動化
般采用PLC系統。但是對于完成ESD功能的PLC
產品，按目前的國際標準是有嚴格規定的。所以
無論是繼電器還是PLC，若要應用于安全控制系
統，則必須通過相應的標準 。
I：輸入裝置，如傳感器 L：邏輯控制器
O：輸出裝置，如執行器
陶1 安全控制系統結構圖
3安全PLC結構分析
現在國外已有些公司推出的自己的安全PLC
系列，其基本特點如下。
根據相應安全標準研制開發的用于安全防護
系統控制設備的可編程電子系統(大多為PLC)
都是模塊化結構，包括輸入模塊、輸出模塊、
CPU模塊、通訊模塊、電源模塊及總線。各類模
塊都設計成故障安全型，具有完善的測試手段或
采取有效措施保證其安全性．當檢測到系統故障
尤其是危險故障時能使系統回到安全狀態l2]。取
得相應等級的安全標準證書。系統軟件也應達到相
應安全等級。能進行系統故障報警，指示故障原
因、故障位置。能在線進行系統維護，冗余卡件能
在線更換并在線恢復。有準確無誤的順序事故記錄
功能。有與DCS或其它設備通訊的功能E3]。
雖然有文獻就安全控制器的一般原理進行過
描述，但沒有給出電路的具體結構，論文通過分
析安全控制器的系統結構實現如下。
(1)數字量輸入模塊
PLC的輸入模塊有模擬量和數字量之分。現
場輸入的數字量大多是開關量，一般是直流信號。
PLC數字輸入接口按其使用的電源不同有兩種類
型：直流輸入接口(如圖2)和交流輸入接口
(如圖3)。為了防止外界線路產生的干擾(如尖
峰電壓，干擾噪聲等)引起PLC的非正常工作甚
至是元器件的損壞。一般在PLC的輸入側都采用
光電耦合器，來切斷PLC內部線路和外部線路電
氣上的聯系，保證PLC的正常工作。并且在輸入
線路中都設有RC濾波電路． 以防止由于輸入點
抖動或外部干擾脈沖引起的錯誤信號H]。
圖2 直流輸入接口原理圖
入端一 PI,C內部Rl
— — — — 1 r—’L—一
C
O【 R2 0 R3 —— Z Z 電內路部
●
●
光耦臺器
C
輸入指示燈
圖3 交流輸入接口原理圖
圖3只畫出了一條通道的電路圖。當該通道
開關閉合，電流通過發光二極管，光敏三極管導
通，處理器識別到該通路有信號輸入。若開關打
開，則發光二極管熄滅．光敏三極管截止，處理
器認為該路沒有信號。下面進行安全數字量輸入
模塊的設計。
結構1：加測試模塊
可以定時對輸入模塊加一個測試信號，相當
于使開關閉合，如果輸入電路存在故障，則發光
二極管不會導通，處理器也識別不到該路有信號．
則系統報錯。如果時間間隔設定的合理。那這個
測試模塊可以很好的提高輸入模塊的可靠性Es]。
由于外部線路與PLC的輸入電路是采用光耦
來進行抗干擾保護。那從CPU出的測試信號也應
該通過一個光耦再進入到外部的線路， 以保證
PLC與外部電路的隔離的完整性。
為了防止在測試期間，有外部輸入．而造成
線路的短路。在測試通路上，加人了常閉觸點，
與外部輸入的常開觸點由同一線圈控制。如果外
部有輸入，常開觸點關閉。則常閉觸點同時打開，
避免了檢測信號和實際輸人信號的沖突。
對于交流輸入，則需要兩個光電耦合器件。
工業自
兩個光敏三極管的輸出電流反相。通過CPU對兩
個發光二極管分時通電，則對輸入模塊而言，可
以產生交流輸人測試的效果。
由圖4和圖5可以看到，加了測試模塊后，
可以得到較高的DC。根據之前的分析，DC高了，
整個系統的安全等級也能相應提高。
圖4 加測試模塊的直流輸入接口電路
圖5 加測試模塊的交流輸入接口電路
結構2：加冗余通道
對于輸入模塊，也可以采用冗余通道，并聯
接線來提高系統的安全。圖6為加冗余通道的直
流輸入接口圖。
對于交流輸入，加冗余通道的電路與直流的
類似，所以在此不再畫出。
(2)數字量輸出模塊
PLC的輸出形式有三種：繼電器輸出、晶體
管輸出和晶閘管輸出。
圖6 加冗余通道的直流輸入接口
1)繼電器輸出
該種輸出電路形式外接電源既可以是直流，
也可以是交流。但繼電器觸點使用壽命有限，響
應時間也較慢E6]。圖7為繼電器輸出接口原理
圖
圖7 繼電器輸出接口原理圖
2)晶體管輸出
由于是無觸點的．它的使用壽命比繼電器要
長，響應也快，只是它的外部電源只能接直流。
同時輸出驅動能力小于繼電器輸出，如圖8所示。
圖8 晶體管輸出接口原理圖
雙向晶閘管輸出電路只能驅動交流負載，響
應速度較快，使用壽命也比較長，如圖9所示。
自動化
圖9 雙向晶閘管輸出接口原理圖
下面是安全數字量輸出模塊結構。
結構1：多通道并聯輸出 (如圖lO)
內電部路 鼴 z FIJ f = f
FU
＼ 7
— _
圖10 多通道并聯輸出電路
CPU可以將相同的運算結果傳送給這兩條并
聯的輸出通道。如果任意一條通路發生故障，另
一條仍然能夠保障正確的輸出。
結構2：輸出監控(如圖l1)
這種電路形式類似于負反饋，將輸出通過監
控電路重新返回至CPU，使輸出的結果可以被
CPU所檢測．從而達到實時監控的效果。
4結論
本文對安全PLC結構進行了分析研究。對于
圖11 帶監控的輸出電路
安全PLC的系統結構，根據IEC61508進行安全
分析和評定，可以發現單純地增加冗余，系統的
PFD降低并不明顯，不過冗余越多。系統的硬件
容錯能力則可以增強_8】。而如果能使系統的診斷
覆蓋率增大，那么PFD可以顯著下降。在安全
PLC的系統結構分析后，對數字量的輸入輸出模
塊進行了安全結構研究。因為要成為安全PLC．
則每個模塊也必須是故障一安全型的。在
IEC61508中也提出了，能夠提高安全性。對輸入
輸出模塊可采取的技術和措施。PLC的數字量輸
入分為直流和交流兩種而輸出模塊有繼電器輸出、
晶體管輸出和晶閘管輸出。在對I／O模塊安全分
析的主要思想有兩個：增加冗余通道和增加測試
模塊。目前，安全控制設備在我國只屬于起步期
間，但隨著人們越來越具備安全意識．對安全方
面的規范必將更為嚴格，而安全控制方面的研究
也會更加深入。
參考文獻：
【1]歐洲標準委員會．EN954—1，機械安全一控制系統有關
安全的部件[S]．1992．
[2] 國際電工委員會．IEC61508， 電氣／電子／可編程電子
(E／E／PE)安全相關系統的功能安全國際標[S]．
1998．
[3]韓兵 PLC編程和故障排除[M ]．北京：化學37_業出
版社．2008．
[4]張釗謙，昊重光．安全系統可靠性分析方法[J]．安全
與環境學報，2002 (2)：47—49．
[5]李建興．可編程序控制器應用技術[M ]．北京：機械
工業出版社．2004．
[6]王兆明．可編程序控制器原理、應用與實訓[M]．北
京：機械工業出版社 2008．
[7]王明春．安全PLC系統[J]．石油化工自動化，2000
(4)：29—33．
[8]華镕．常用安全PLC的結構和性能[J]．儀器儀表標
準化與計量．2007 (5)：17-20．
第一作者簡介：談秀華，男，1980年生，江蘇人，碩士研
究生。研究領域：控制工程。
(編輯：阮 毅)

網友評論 more

機械安全論文最新內容

05-05