作者：Jeff Shepard

　　工業(yè)系統(tǒng)的安全性是一個(gè)既重要又復(fù)雜的問(wèn)題，因此在為特定應(yīng)用指定最合適的安全控制器時(shí)，總是面臨著諸多挑戰(zhàn)。有關(guān)安全控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)非常多，例如國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 13849-1，而這些標(biāo)準(zhǔn)的適用性便成為了需要考慮的因素之一。

　　除此之外，還有多種通信協(xié)議可供選擇，例如 Safety over EtherCAT(也稱(chēng)為 FailSafe over EtherCAT [FSoE])，該協(xié)議融合了控制和安全功能。Ethernet/IP、PROFIsafe 和 Modbus/TCP 等工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議也在選擇之列。不僅如此，還可以選擇獨(dú)立式或集成式解決方案。部分平臺(tái)具有不同的安全等級(jí)和非安全等級(jí)輸出組合，有些采用固定功能，有些則可重新配置和可擴(kuò)展。

　　本文簡(jiǎn)要回顧了國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)及其適用性。此外，還探討了各種通信協(xié)議的用途，隨后深入研究了各類(lèi)安全控制器(如固定功能、可重新配置和可擴(kuò)展的型號(hào))的使用案例，這些器件適用于從臺(tái)式裝配站到整個(gè)工廠等不同的應(yīng)用。文中介紹了使用 Banner Engineering、Phoenix Contact、Schneider Electric 和 Omron Automation 產(chǎn)品的具體示例。

　　標(biāo)準(zhǔn)

　　IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)(E/E/PE 或 E/E/PES)的功能安全》是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)。其中包括應(yīng)用、設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)(也稱(chēng)為安全相關(guān)系統(tǒng))的方法。該標(biāo)準(zhǔn)的理論依據(jù)是，任何與安全相關(guān)的系統(tǒng)都必須以可預(yù)測(cè)的方式發(fā)生故障，從而確保本質(zhì)安全性。為了衡量功能安全設(shè)計(jì)的有效性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了 1 至 4 級(jí)的安全完整性等級(jí) (SIL)，其中 SIL4 表示最高風(fēng)險(xiǎn)降低水平，SIL1 表示最低風(fēng)險(xiǎn)降低水平。其他安全標(biāo)準(zhǔn)也運(yùn)用了 SIL 的概念，但根據(jù)工作環(huán)境的需要，SIL 的數(shù)量及其定義可能有所不同。

　　基于 IEC 61508 的安全標(biāo)準(zhǔn)有很多。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(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 — 第 5-1 部分：控制電路電器和開(kāi)關(guān)元件 — 機(jī)電式控制電路電器》，適用于以下特定類(lèi)型的器件：

　　手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，例如按鈕、腳踏開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等

　　電磁控制開(kāi)關(guān)，例如延時(shí)或瞬時(shí)繼電器或接觸器

　　機(jī)器中的位置開(kāi)關(guān)

　　輔助開(kāi)關(guān)，例如感溫或壓敏開(kāi)關(guān)

　　IEC 62061:2021《機(jī)械安全 — 安全相關(guān)控制系統(tǒng)的功能安全》，這是 IEC 61508 的機(jī)械相關(guān)版本。其中規(guī)定了設(shè)計(jì)、集成和驗(yàn)證安全相關(guān)控制系統(tǒng)的要求。它適用于與機(jī)械相關(guān)的安全控制系統(tǒng)、子系統(tǒng)和安全相關(guān)器件的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，它們可單獨(dú)使用，也可組合使用，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械安全功能。

　　IEC 61810-3:2015《帶強(qiáng)制導(dǎo)向(機(jī)械連接)觸頭的繼電器》，這是安全控制器的另一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)。其中規(guī)定了對(duì)帶有強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭(也稱(chēng)為機(jī)械連接觸頭)的基本型繼電器的特殊要求和測(cè)試。除 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器是許多安全繼電器模塊的基本元器件。在 A 類(lèi)安全繼電器中，所有觸頭均采用強(qiáng)制導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果某個(gè)常開(kāi) (NO) 觸頭發(fā)生熔接，所有常閉 (NC) 觸頭在線圈不通電時(shí)必須保持最小 0.5 mm 的開(kāi)口(圖 1)。

　　圖 1：如果某個(gè) NO(或 NC)觸頭發(fā)生熔接，所有 NC(或 NO)觸頭在線圈不通電時(shí)必須保持最小 0.5 mm 的開(kāi)口。(圖片來(lái)源：Omron Automation)

　　ISO 13849-1:2023《機(jī)械安全：控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部件》，其中包括有關(guān)設(shè)計(jì)和集成控制系統(tǒng)的安全相關(guān)部件 (SRP/CS) 及其子系統(tǒng)(包括防護(hù)或聯(lián)鎖功能等機(jī)械措施)和相關(guān)軟件的指南。它適用于在高需求和連續(xù)工作模式下使用的電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械 SRP/CS。

　　現(xiàn)在，我們?cè)倩氐?IEC 61508，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了安全相關(guān)通信的“黑色通道”。

　　黑色通道與通信協(xié)議

　　IEC 61508 僅提供了黑色通道的一般定義，并參考了 IEC 61784-3(現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用)和 IEC 62280(鐵路信號(hào))等標(biāo)準(zhǔn)。黑色通道通信的概念源自“黑盒子”一詞。在黑色通道通信中，網(wǎng)絡(luò)是黑盒子，僅用作傳輸介質(zhì);該通道并不安全，安全問(wèn)題由應(yīng)用軟件中的專(zhuān)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(shí)現(xiàn)，例如采用 PROFIsafe 或無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 等技術(shù)的各種以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景。在黑色通道應(yīng)用中，假設(shè)主通信通道的安全性不足以進(jìn)行安全相關(guān)通信，因此需要增加一個(gè)額外的安全層來(lái)識(shí)別和消除任何通信錯(cuò)誤(圖 2)。

　　圖 2：PROFIsafe 可用于為黑色通道通信實(shí)現(xiàn)安全層。(圖片來(lái)源：Phoenix Contact)

　　除 PROFIsafe 外，黑色通道還可以通過(guò)其他協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如通用工業(yè)協(xié)議安全 (CIP Safety) 和 FSoE。這些協(xié)議符合 IEC 61784-3:2021，包括解決及時(shí)性、真實(shí)性、偽裝和數(shù)據(jù)完整性錯(cuò)誤的增強(qiáng)功能。

　　臺(tái)式設(shè)備的安全性

　　安全問(wèn)題并非局限于大型或功能強(qiáng)大的機(jī)器，臺(tái)式裝配站也需要安全系統(tǒng)。在某個(gè)案例中，工廠使用半自動(dòng)臺(tái)式裝配站來(lái)制造電子元器件。每個(gè)裝配站都配有帶非接觸式安全開(kāi)關(guān)的重型安全門(mén)、元器件進(jìn)料處的安全光幕和緊急停止按鈕，以保護(hù)操作員免受半自動(dòng)設(shè)備的傷害。在像臺(tái)式裝配站這樣的小型機(jī)器上，可使用單一功能安全繼電器控制器來(lái)連接安全器件和機(jī)器，以提供安全啟動(dòng)和停止功能。

　　在此案例中，每個(gè)臺(tái)式裝配站的機(jī)柜中都安裝了一個(gè)來(lái)自 Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器，型號(hào)為 SC10-2ROE(圖 3)。這款安全控制器集多個(gè)安全繼電器模塊的功能于一體，布線更簡(jiǎn)單，安裝所需的空間也更小。除了為小型機(jī)器提供安全支持外，這些控制器還非常適合在空間局促的控制柜中使用。即便是像 SC10 系列這樣的小型安全控制器，也具有許多功能：

　　串聯(lián)診斷 (ISD) 功能可連接多達(dá) 70 個(gè)安全器件。通過(guò)人機(jī)界面 (HMI)、可編程邏輯控制器 (PLC) 或類(lèi)似設(shè)備，ISD 可提供每個(gè)安全器件的詳細(xì)狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，使用戶(hù)能夠?qū)C(jī)器安全系統(tǒng)進(jìn)行故障排除、預(yù)防故障發(fā)生并減少停機(jī)時(shí)間。

　　基于圖標(biāo)的拖放式編程工具可在 PC 上運(yùn)行，簡(jiǎn)化了設(shè)置和器件管理。

　　外置存儲(chǔ)卡可用于配置器件，無(wú)需連接 PC，加快了配置更改速度。

　　提供十個(gè)輸入，其中四個(gè)可設(shè)置為非安全輸出。自動(dòng)端子優(yōu)化 (ATO) 功能可將輸入數(shù)增至 14 個(gè)。

　　提供兩個(gè) 6 A 安全繼電器輸出，分別帶有三組獨(dú)立控制的 NO 觸頭。

　　能夠執(zhí)行兩種功能性停止：

　　0 類(lèi)是不受控的停止，即立即切斷電源。

　　1 類(lèi)是受控的停止，即延遲斷電。在機(jī)器制動(dòng)裝置需要?jiǎng)恿Φ那闆r下，延遲停止很有用。

　　支持 Ethernet/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協(xié)議。

　　圖 3：該臺(tái)式裝配站配有一個(gè) SC10-2ROE 型安全控制器(裝配站下方的黃色器件)。(圖片來(lái)源：Banner Engineering)

　　生產(chǎn)線的可擴(kuò)展安全性

　　就復(fù)雜性而言，除了臺(tái)式裝配設(shè)備，在整個(gè)工廠的裝配線上也可以實(shí)現(xiàn)集成安全性。例如，Omron Automation 的 Sysmac NX102 控制器就集成了多種開(kāi)放式工業(yè)協(xié)議，如 EtherNET I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。NX102-1020 型自動(dòng)化控制器包括三個(gè)通信端口，可將高速安全集成到需要縮短周期時(shí)間的生產(chǎn)線的機(jī)器控制中。此外，Omron 的 NX 集成式安全控制器已通過(guò) SIL3 認(rèn)證，并具有 FSoE 連接功能。NX-SL5 控制器(如 NX-SL5500 型)可同時(shí)進(jìn)行基于 EtherCAT 的 FSoE 通信和基于 Ethernet/IP 的 CIP Safety 通信，從而實(shí)現(xiàn)高速同步運(yùn)動(dòng)、機(jī)對(duì)機(jī)控制或利用 CIP Safety 與遠(yuǎn)程設(shè)備通信等應(yīng)用(圖 4)。

　　圖 4：Omron 的 NX 集成式安全控制器可同時(shí)實(shí)現(xiàn) FSoE 和 CIP Safety 通信，從而在裝配線上實(shí)現(xiàn)集成安全性。(圖片來(lái)源：Omron Automation)

　　可配置和可擴(kuò)展

　　Phoenix Contact 的 PSRmodular 安全系統(tǒng)適用于需要可配置和可擴(kuò)展安全解決方案的情況。該系統(tǒng)既可針對(duì)只有三個(gè)安全功能的小型應(yīng)用進(jìn)行配置，也可針對(duì)多達(dá) 160 個(gè) I/O 的大型系統(tǒng)進(jìn)行配置。它具有各種安全功能，例如用于監(jiān)測(cè) 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號(hào)的模擬模塊、用于監(jiān)測(cè)接近開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)的模塊以及各類(lèi)運(yùn)動(dòng)編碼器。安全繼電器模塊中安裝的繼電器采用強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭(圖 5)。該系統(tǒng)可實(shí)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)測(cè)安全門(mén)等可移動(dòng)防護(hù)裝置

　　雙手控制器件

　　零速監(jiān)測(cè)和速度監(jiān)測(cè)

　　圖 5：帶有強(qiáng)制導(dǎo)向觸頭的 PSRmodular 系統(tǒng)安全繼電器模塊。(圖片來(lái)源：Phoenix Contact)

　　PSRmodular 安全系統(tǒng)包括若干具有核心功能的基本模塊(如 1104981 型)及具有增強(qiáng) I/O 和保護(hù)功能的擴(kuò)展模塊(如 1104884 型)。這些模塊可通過(guò)軟件進(jìn)行配置，系統(tǒng)也可使用 PSR-TBUS DIN 導(dǎo)軌連接進(jìn)行擴(kuò)展。

　　簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜程度機(jī)器的安全性

　　Schneider Electric 的 Harmony 安全模塊專(zhuān)為簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜程度的機(jī)器而設(shè)計(jì)，例如食品和飲料加工、起重、物料搬運(yùn)和包裝行業(yè)中使用的機(jī)器。這些模塊分為兩個(gè)系列(圖 6)：

　　Harmony XPS 基本安全模塊可為使用硬接線安全模塊的應(yīng)用提供優(yōu)化解決方案。

　　而 Harmony XPS 通用安全模塊則融合了硬接線安全模塊的簡(jiǎn)單應(yīng)用以及通常需要采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)才能傳遞的各種信息。

　　圖 6：Harmony XPS 基本和通用安全繼電器是輕松管理單一安全功能的理想選擇。(圖片來(lái)源：Schneider Electric)

　　XPSBAT 基本安全模塊(如 XPSBAT12A1AP)用于監(jiān)測(cè)緊急停止電路，并提供 0 類(lèi)和 1 類(lèi)控制選項(xiàng)。0 類(lèi)可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)停止，而 1 類(lèi)可實(shí)現(xiàn)延遲停止，延遲時(shí)間可在 0 到 15 分鐘(900 秒)的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

　　XPSUAK 通用安全模塊(如 XPSUAK12AP 型)也可實(shí)現(xiàn) 0 類(lèi)和 1 類(lèi)關(guān)斷。這些安全模塊可與更廣泛的安全器件連接，包括：

　　緊急停止電路

　　由機(jī)械防護(hù)開(kāi)關(guān)和 RFID 安全開(kāi)關(guān)等保護(hù)裝置激活的開(kāi)關(guān)

　　光幕

　　4 線感應(yīng)墊

　　總結(jié)

　　在為工業(yè)系統(tǒng)選擇安全開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮各種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及包括黑色通道通信在內(nèi)的通信協(xié)議。而這僅僅是個(gè)開(kāi)始;這些安全開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，有的適用于小型系統(tǒng)(如臺(tái)式裝配操作)，有的適用于食品和飲料加工及物料搬運(yùn)行業(yè)中的硬接線裝置，還有的適用于需要可配置或可擴(kuò)展解決方案的系統(tǒng)，而且相關(guān)器件進(jìn)行優(yōu)化后，可支持整個(gè)工廠的可擴(kuò)展解決方案。