安全控制系統(tǒng)概述
1、安全控制系統(tǒng)的地位和作用
我們從權(quán)威的IEC61508 和IEC61511 標(biāo)準(zhǔn)入手來(lái)討論安全控制系統(tǒng)的概念。IEC61508 基本上是面向安全控制系統(tǒng)的制造和供應(yīng)商的，如Honeywell 的SM就獲得了該標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證；IEC61511 則是面向流程工業(yè)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者、集成者以及用戶的，為IEC61508 在石化等過(guò)程工業(yè)的應(yīng)用提供了一個(gè)操作性更強(qiáng)、更易于理解的版本。先來(lái)看IEC61511。下圖是該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過(guò)程工業(yè)控制和安全管理的一個(gè)分層描述。它的內(nèi)核是工藝流程或生產(chǎn)裝置，首先要建立基本過(guò)程控制系統(tǒng)（Basic Process ControlSystems）對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行控制，比如DCS 或以前的由常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng)。它的外面是安全防護(hù)層（Prevention），這其中就包括了安全儀表控制系統(tǒng)（Safety InstrumentedControl Systems），即我們常說(shuō)的ESD 安全系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)定義為“它是由傳感器、邏輯解算單元和最終控制元件組成的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程的預(yù)定條件受到?jīng)_擊時(shí)，自動(dòng)地將其置于安全狀態(tài)”。這些預(yù)定條件包括壓力高限、溫度高限等工藝參數(shù)。安全儀表檢測(cè)出潛在的危險(xiǎn)工藝狀態(tài)，通過(guò)組態(tài)的聯(lián)鎖邏輯控制現(xiàn)場(chǎng)電磁閥等的切斷或?qū)?，保護(hù)工業(yè)設(shè)備和人員的安全；下一層是減災(zāi)（Mitigation），它也包括了安全儀表控制系統(tǒng)，即火災(zāi)和可燃?xì)怏w安全控制系統(tǒng)。再外層就是消防等緊急響應(yīng)系統(tǒng)等。
將安全功能和常規(guī)控制功能用不同的控制器來(lái)完成有很多方面的考慮，主要有三點(diǎn)：故障獨(dú)立：如果控制系統(tǒng)故障，這時(shí)恰恰需要安全系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置的安全做出保障。如果把它們的功能用同一套控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，就可能同時(shí)喪失控制功能。安全可靠（Security）：常規(guī)控制系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)經(jīng)常地改變控制因素，比如改變控制參數(shù)，改變控制模式，以及改變控制方案等等。從安全可靠性來(lái)說(shuō)，其要求并不是十分嚴(yán)格。而對(duì)安全系統(tǒng)則不然，改變?cè)O(shè)定值，改變控制邏輯可能有嚴(yán)格限制，必須遵循特定的審批制度，得到授權(quán)才能進(jìn)行。
對(duì)控制器的安全要求：用于安全系統(tǒng)的控制器有特殊的性能指標(biāo)要求，比如其
診斷能力要在95%以上，獲得認(rèn)證的故障安全（Fail-safe）響應(yīng)能力，特定的
軟件錯(cuò)誤檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)和故障容錯(cuò)要求等等。這種特殊的安全性和可靠
性的性能指標(biāo)是一般控制系統(tǒng)不具備的或者說(shuō)不需要的。
2、安全控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
安全控制器和常規(guī)的PLC 有相似之處，它們都能完成邏輯和數(shù)學(xué)計(jì)算，都有輸入輸出卡件，對(duì)輸入信號(hào)掃描并按照特定的控制邏輯驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)最終控制元件，也都有數(shù)字通訊端口。但是常規(guī)的PLC 從設(shè)計(jì)上并不具備故障容錯(cuò)和故障安全的性能，這是它們的最基本區(qū)別。簡(jiǎn)要?dú)w納安全控制系統(tǒng)的幾個(gè)特點(diǎn)：
它要達(dá)到兩個(gè)重要目標(biāo)：
l 要有極高的安全性（Safety）和有效性（Availability），即使出現(xiàn)故障，也要用冗余等措施使系統(tǒng)工作正常。
l 故障只能是以可預(yù)見的、安全方式出現(xiàn)。
著重內(nèi)部診斷，將硬件和軟件相結(jié)合，檢測(cè)出系統(tǒng)本身的異常操作，檢測(cè)出99%以上內(nèi)部元器件的潛在危險(xiǎn)故障；要采用一系列特殊的技術(shù)保證軟件的可靠性；冗余配置，即使部件出現(xiàn)故障時(shí)也要保持正常操作；對(duì)通過(guò)數(shù)字通訊端口的任何讀寫要有非常高的安全可靠保證。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用故障模式、影響和診斷分析（Failure Modes, Effects andDiagnostic Analysis，F(xiàn)MEDA），研究、測(cè)試系統(tǒng)中的每個(gè)部件會(huì)出現(xiàn)怎樣的故障，以及系統(tǒng)怎樣檢測(cè)出這些故障。
要通過(guò)第三方的權(quán)威認(rèn)證，比如TüV 認(rèn)證，以便滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全和可靠性的嚴(yán)格要求。
3、標(biāo)準(zhǔn)PLC 故障分析及SM系統(tǒng)輸出電路的特點(diǎn)
下面我們通過(guò)故障模式、影響和診斷分析（FMEDA），看一看常規(guī)PLC 的典型輸出電路的故障，以及SM是如何避免這些故障的。下是PLC 的輸出電路和可能的故障。
l 輸出短路故障
當(dāng)晶體管的集電極和發(fā)射極短路時(shí)，相當(dāng)于+24VDC 電源直接接到負(fù)載上，也就是說(shuō)負(fù)載仍處于帶電狀態(tài)。對(duì)于這種不會(huì)導(dǎo)致正常為帶電狀態(tài)的輸出失電的故障，稱為“被動(dòng)”故障（Passive fault）。由于無(wú)法使輸出失電從而進(jìn)入安全狀態(tài)，因此它是“危險(xiǎn)的”（Dangerous）。“被動(dòng)”故障影響安全但不影響有效性，歸類為導(dǎo)致危險(xiǎn)故障（FailTo Danger，F(xiàn)TD）。
l 輸出斷路故障
當(dāng)晶體管的發(fā)射極輸出斷路時(shí)，負(fù)載失電。對(duì)于這種導(dǎo)致正常為帶電狀態(tài)的輸出失電的故障，稱為“主動(dòng)”故障（Active fault）。由于它使輸出失電從而進(jìn)入安全狀態(tài)，因此它是“安全的”?！爸鲃?dòng)”故障不影響安全但影響有效性，歸類為導(dǎo)致?lián)p失故障（FailTo Nuisance，F(xiàn)TN）。
安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造要瞄準(zhǔn)這樣的目標(biāo)：
①零“被動(dòng)”故障（FTD）；
②避免太多的“主動(dòng)”故障（FTN）影響有效性。
基本的安全準(zhǔn)則是：“在操作運(yùn)行的任何時(shí)間周期內(nèi)，單一故障的存在不能影響安全”?；谶@樣的標(biāo)準(zhǔn)，SM的DO 輸出電路如下圖所示。它將兩個(gè)電路串聯(lián)在一起，同時(shí)這兩個(gè)電路的狀態(tài)（STATUS）被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦其中的一個(gè)電路出現(xiàn)了前述的短路故障，另一個(gè)電路仍然能夠切斷輸出，也就使FTD 故障降為零。當(dāng)我們將輸出電路冗余配置時(shí)，如下圖所示，就更大地提高了系統(tǒng)的有效性。
SM系統(tǒng)硬件介紹
1、主處理器FS-QPP-0001
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FS-QPP-0001 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作溫度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存儲(chǔ)溫度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相對(duì)濕度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
電源 | 24 V電源電壓 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V電源電流 | max. 25 mA | |
5 V電源電壓 | 5 Vdc± 5% | |
5 V電源電流 | max 1.2 A | |
輸出電源電壓 | 15 — 31 Vdc | |
輸出電阻 | 約1.1 K | |
SD輸入 | 電壓（高） | 15 — 32 Vdc |
電壓（低） | < 4 V（反向極性保護(hù)） | |
輸入電流 | 約8mA 24 Vdc | |
物理 | 尺寸 H×W×D | 176×88.5×212mm 6.93×3.48×8.35in |
重量 | 1.3 kg |
2、 接口模塊FC-USI-0001
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FC-USI-0001 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作溫度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存儲(chǔ)溫度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相對(duì)濕度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
電源 | 5 V電源電壓 | 5 Vdc±5% |
5 V電源電流 | max1.2A | |
物理 | 尺寸 H×W×D | 176×35.2×212mm 6.93×1.4×8.35in |
重量 | 0.7 kg |
3、 電池模塊FC-BKM-0001
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FS-QPP-0001 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作溫度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存儲(chǔ)溫度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相對(duì)濕度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
電源 | 24 V電源電壓 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V電源電流 | max. 20 mA（從每個(gè)24伏直流電）typ .7 mA（24伏直流負(fù)載分擔(dān)） | |
5VR電壓 | 5 Vdc± 10% | |
5VR電流 | max. 10 mA | |
輸出電壓 | 14 — 31 Vdc | |
輸出電阻 | 約2×1.1 k（并聯(lián)） | |
輸入 | 電壓（高） | 14 — 35 Vdc |
電壓（低） | < 7 Vdc（反向極性保護(hù)） | |
輸入電流 | 2.3 mA at 24 Vdc | |
輸入濾波器（IN1） | typ. 0.1 ms | |
輸入濾波器（IN2 & IN3） | typ. 10 ms | |
電池 | 材料 | 鋰亞硫酰氯 |
電壓 | 標(biāo)稱3.6 V | |
容量 | ＞2Ah | |
尺寸 | AA | |
操作溫度 | – 20°C — +85°C ( – 4°F — +185°F) | |
物理 | 尺寸H × W × D | 176 × 35.2 × 212 mm 6.93 × 1.4 × 8.35 in |
重量 | 500克 |
4、 供電模塊FC-PSU-240516
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FC-PSU-240516 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作溫度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存儲(chǔ)溫度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相對(duì)濕度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
電源 | 24 V電源電壓 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V電源電流 |
< 6 A at 24 Vin (16 A load) | |
浪涌電流 | < 5 A at 24 Vin | |
5 v_load | min. 0.5 A max. 16 A | |
5 vr_load | max. (16 A — 5V_load) | |
保持時(shí)間 | ＜1ms | |
物理 | 尺寸H × W × D | 176 × 35.2 × 212 mm 6.93 × 1.4 × 8.35 in |
重量 | 0,85 kg |
5、 230VAC/24VDC 45A系統(tǒng)電源FC-PSU-UNI2450
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FC-PSU-UNI2450 |
認(rèn)證 | CE，TUV， UL，CSA | |
電源 | 電源要求 | 110 - 240 VAC（范圍：93 — 253 Vac） |
無(wú)負(fù)載功耗 | 13W | |
輸入頻率范圍 | 47 – 63HZ | |
物理 | 物理尺寸 |
420.5 × 140 × 90 mm (W × H × D) |
重量 | 5.7kg（12.5磅）包括索套 | |
環(huán)境 | 環(huán)境溫度 | – 25°C — +85°C ( – 13°F — +185°F) |
操作溫度 | – 5°C — +70°C (23°F — +158°F) | |
輸入 | 浪涌電流 | < 15 A |
輸出 | 輸出電壓 | 25 Vdc或28 Vdc |
紋波和噪聲 | < 40 mVpp | |
輸出電流（25V） | 48 A – 5°C — +50°C (23°F — +122°F) | |
輸出電流（28V） | 43 A – 5°C — +50°C (23°F — +122°F) | |
額定輸出電流 | 開始50°C (122°F): 30 W/°C | |
保持時(shí)間 | 100ms（滿負(fù)載） | |
輸出電壓設(shè)置 | 25 Vdc |
6、模擬量輸入模塊FS-SAI-1620m
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FC-PSU-240516 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空間要求 | 4TE，3HE（= 4HP，3U） | |
電源 | 電源要求 |
5 Vdc, 35 mA |
輸入 | 輸入通道 | 16 |
輸入范圍 | 0 - 4.1 V | |
輸入阻抗 | > 1M | |
A / D轉(zhuǎn)換器 | 12-bit | |
轉(zhuǎn)換器誤差 | ±1 LSB | |
模塊誤差 | ＜0.25% | |
高低限 | ± 36 Vdc | |
信號(hào)范圍 | 0-4.1V |
7、 數(shù)字輸入模塊FS-SDI-1624
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FS-SDI-1624 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空間要求 | 4 TE, 3 HE (= 4 HP, 3U) | |
電源 | 電源要求 | 5 Vdc, 8 mA
24dc ext. 110 mA(電流輸入) |
紋波含量（5 VDC） | < 0.5 Vp-p (0 — 360 Hz) | |
輸入 | 輸入通道 | 16 |
最大輸入電壓 | 36Vdc | |
輸入電流 | 7 mA 24 Vdc | |
Input HIGH | > 15 VDC | |
Input LOW | ＜9 VDC（I＜2 mA） | |
輸入延遲 | 通常為10ms | |
輸出 | 最大輸出 | 450 mA |
最大負(fù)載電容 | 32 μF | |
電壓降 | < 1.5 V 450 mA |
8、 數(shù)字輸出模塊FS-SDO-0824
技術(shù)數(shù)據(jù)
基本 | 型號(hào) | FS-SDO-0824 |
認(rèn)證 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空間要求 | 4 TE, 3 HE (= 4 HP, 3U) | |
電源 | 電源要求 |
5 Vdc, 25 mA |
輸出 | 輸入通道 | 8 |
輸出規(guī)格 | 24 Vdc的固態(tài)源，短路保護(hù) | |
最大電流 | 550 mA | |
最大負(fù)載 | 120mA（2.9 W） | |
最大負(fù)荷容量 | 1μF | |
電壓降 | < 2.0 Vdc at 500 mA | |
截止電流 | < 0.1 mA | |
看門狗輸入電流 | 8 mA |
天津英聯(lián)石油
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