作者：Jeff Shepard

　　工業(yè)系統(tǒng)的安全性是一個既重要又復雜的問題，因此在為特定應用指定最合適的安全控制器時，總是面臨著諸多挑戰(zhàn)。有關安全控制器的國際標準非常多，例如國際電工委員會 (IEC) 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 以及國際標準化組織 (ISO) 13849-1，而這些標準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，還可以選擇獨立式或集成式解決方案。部分平臺具有不同的安全等級和非安全等級輸出組合，有些采用固定功能，有些則可重新配置和可擴展。

　　本文簡要回顧了國際安全標準及其適用性。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安全控制器(如固定功能、可重新配置和可擴展的型號)的使用案例，這些器件適用于從臺式裝配站到整個工廠等不同的應用。文中介紹了使用 Banner Engineering、Phoenix Contact、Schneider Electric 和 Omron Automation 產(chǎn)品的具體示例。

　　標準

　　IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)(E/E/PE 或 E/E/PES)的功能安全》是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標準。其中包括應用、設計、部署和維護自動保護系統(tǒng)(也稱為安全相關系統(tǒng))的方法。該標準的理論依據(jù)是，任何與安全相關的系統(tǒng)都必須以可預測的方式發(fā)生故障，從而確保本質安全性。為了衡量功能安全設計的有效性，該標準定義了 1 至 4 級的安全完整性等級 (SIL)，其中 SIL4 表示最高風險降低水平，SIL1 表示最低風險降低水平。其他安全標準也運用了 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 的安全標準有很多。與安全控制器相關的一些標準包括：

　　IEC 60947-5-1:2016《低壓開關設備和控制設備 — 第 5-1 部分：控制電路電器和開關元件 — 機電式控制電路電器》，適用于以下特定類型的器件：

　　手動控制開關，例如按鈕、腳踏開關、旋轉開關等

　　電磁控制開關，例如延時或瞬時繼電器或接觸器

　　機器中的位置開關

　　輔助開關，例如感溫或壓敏開關

　　IEC 62061:2021《機械安全 — 安全相關控制系統(tǒng)的功能安全》，這是 IEC 61508 的機械相關版本。其中規(guī)定了設計、集成和驗證安全相關控制系統(tǒng)的要求。它適用于與機械相關的安全控制系統(tǒng)、子系統(tǒng)和安全相關器件的系統(tǒng)級設計，它們可單獨使用，也可組合使用，以實現(xiàn)機械安全功能。

　　IEC 61810-3:2015《帶強制導向(機械連接)觸頭的繼電器》，這是安全控制器的另一項重要標準。其中規(guī)定了對帶有強制導向觸頭(也稱為機械連接觸頭)的基本型繼電器的特殊要求和測試。除 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。強制導向繼電器是許多安全繼電器模塊的基本元器件。在 A 類安全繼電器中，所有觸頭均采用強制導向結構。該標準規(guī)定，如果某個常開 (NO) 觸頭發(fā)生熔接，所有常閉 (NC) 觸頭在線圈不通電時必須保持最小 0.5 mm 的開口(圖 1)。

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

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

　　現(xiàn)在，我們再回到 IEC 61508，該標準還定義了安全相關通信的“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)場總線應用)和 IEC 62280(鐵路信號)等標準。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)絡是黑盒子，僅用作傳輸介質;該通道并不安全，安全問題由應用軟件中的專用安全層負責。

　　黑色通道可以在任何標準網(wǎng)絡上實現(xiàn)，例如采用 PROFIsafe 或無線局域網(wǎng) (WLAN) 等技術的各種以太網(wǎng)實現(xiàn)場景。在黑色通道應用中，假設主通信通道的安全性不足以進行安全相關通信，因此需要增加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 可用于為黑色通道通信實現(xiàn)安全層。(圖片來源：Phoenix Contact)

　　除 PROFIsafe 外，黑色通道還可以通過其他協(xié)議來實現(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，包括解決及時性、真實性、偽裝和數(shù)據(jù)完整性錯誤的增強功能。

　　臺式設備的安全性

　　安全問題并非局限于大型或功能強大的機器，臺式裝配站也需要安全系統(tǒng)。在某個案例中，工廠使用半自動臺式裝配站來制造電子元器件。每個裝配站都配有帶非接觸式安全開關的重型安全門、元器件進料處的安全光幕和緊急停止按鈕，以保護操作員免受半自動設備的傷害。在像臺式裝配站這樣的小型機器上，可使用單一功能安全繼電器控制器來連接安全器件和機器，以提供安全啟動和停止功能。

　　在此案例中，每個臺式裝配站的機柜中都安裝了一個來自 Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器，型號為 SC10-2ROE(圖 3)。這款安全控制器集多個安全繼電器模塊的功能于一體，布線更簡單，安裝所需的空間也更小。除了為小型機器提供安全支持外，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 70 個安全器件。通過人機界面 (HMI)、可編程邏輯控制器 (PLC) 或類似設備，ISD 可提供每個安全器件的詳細狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，使用戶能夠對機器安全系統(tǒng)進行故障排除、預防故障發(fā)生并減少停機時間。

　　基于圖標的拖放式編程工具可在 PC 上運行，簡化了設置和器件管理。

　　外置存儲卡可用于配置器件，無需連接 PC，加快了配置更改速度。

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

　　提供兩個 6 A 安全繼電器輸出，分別帶有三組獨立控制的 NO 觸頭。

　　能夠執(zhí)行兩種功能性停止：

　　0 類是不受控的停止，即立即切斷電源。

　　1 類是受控的停止，即延遲斷電。在機器制動裝置需要動力的情況下，延遲停止很有用。

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

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

　　生產(chǎn)線的可擴展安全性

　　就復雜性而言，除了臺式裝配設備，在整個工廠的裝配線上也可以實現(xiàn)集成安全性。例如，Omron Automation 的 Sysmac NX102 控制器就集成了多種開放式工業(yè)協(xié)議，如 EtherNET 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，可將高速安全集成到需要縮短周期時間的生產(chǎn)線的機器控制中。此外，Omron 的 NX 集成式安全控制器已通過 SIL3 認證，并具有 FSoE 連接功能。NX-SL5 控制器(如 NX-SL5500 型)可同時進行基于 EtherCAT 的 FSoE 通信和基于 Ethernet/IP 的 CIP Safety 通信，從而實現(xiàn)高速同步運動、機對機控制或利用 CIP Safety 與遠程設備通信等應用(圖 4)。

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

　　可配置和可擴展

　　Phoenix Contact 的 PSRmodular 安全系統(tǒng)適用于需要可配置和可擴展安全解決方案的情況。該系統(tǒng)既可針對只有三個安全功能的小型應用進行配置，也可針對多達 160 個 I/O 的大型系統(tǒng)進行配置。它具有各種安全功能，例如用于監(jiān)測 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號的模擬模塊、用于監(jiān)測接近開關運動的模塊以及各類運動編碼器。安全繼電器模塊中安裝的繼電器采用強制導向觸頭(圖 5)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)一系列安全功能，包括：

　　電敏保護設備

　　緊急停止

　　監(jiān)測安全門等可移動防護裝置

　　雙手控制器件

　　零速監(jiān)測和速度監(jiān)測

　　圖 5：帶有強制導向觸頭的 PSRmodular 系統(tǒng)安全繼電器模塊。(圖片來源：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 I/O 和保護功能的擴展模塊(如 1104884 型)。這些模塊可通過軟件進行配置，系統(tǒng)也可使用 PSR-TBUS DIN 導軌連接進行擴展。

　　簡單到中等復雜程度機器的安全性

　　Schneider Electric 的 Harmony 安全模塊專為簡單到中等復雜程度的機器而設計，例如食品和飲料加工、起重、物料搬運和包裝行業(yè)中使用的機器。這些模塊分為兩個系列(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單應用以及通常需要采用現(xiàn)場總線技術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。(圖片來源：Schneider Electric)

　　XPSBAT 基本安全模塊(如 XPSBAT12A1AP)用于監(jiān)測緊急停止電路，并提供 0 類和 1 類控制選項。0 類可實現(xiàn)瞬時停止，而 1 類可實現(xiàn)延遲停止，延遲時間可在 0 到 15 分鐘(900 秒)的范圍內進行調整。

　　XPSUAK 通用安全模塊(如 XPSUAK12AP 型)也可實現(xiàn) 0 類和 1 類關斷。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

　　由機械防護開關和 RFID 安全開關等保護裝置激活的開關

　　光幕

　　4 線感應墊

　　總結

　　在為工業(yè)系統(tǒng)選擇安全開關時，需要考慮各種國際標準以及包括黑色通道通信在內的通信協(xié)議。而這僅僅是個開始;這些安全開關經(jīng)過優(yōu)化，有的適用于小型系統(tǒng)(如臺式裝配操作)，有的適用于食品和飲料加工及物料搬運行業(yè)中的硬接線裝置，還有的適用于需要可配置或可擴展解決方案的系統(tǒng)，而且相關器件進行優(yōu)化后，可支持整個工廠的可擴展解決方案。