安全PLC的结构和性能

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。1．PLC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。2.1．1oo1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（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。2.2．1oo2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，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。2.3．1oo1D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%。2.4．2oo3三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。2.5．1oo2D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。2.6．2oo4D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6：2oo4D“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