作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業(yè)系統(tǒng)中的安全是一個(gè)關(guān)鍵而復(fù)雜的主題，因此為給定應(yīng)用指定最佳安全控制器具有挑戰(zhàn)性。其中考慮因素包括與安全控制器相關(guān)的眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的適用性，如國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 （ISO） 13849-1。

此外，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），它結(jié)合了控制和安全功能。還有 Ethernet/IP、PROFIsafe 和 Modbus/TCP 工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。此外，還可以選擇獨(dú)立或集成解決方案。一些平臺(tái)具有安全級(jí)和非安全級(jí)輸出的各種組合，一些平臺(tái)具有固定功能，而另一些平臺(tái)則可重新配置和擴(kuò)展。

本文簡(jiǎn)要回顧了國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)及其適用性。它還研究了各種通信協(xié)議的用途，然后深入研究了從桌面裝配站到整個(gè)工廠的用例，用于固定功能、可重新配置和可擴(kuò)展模型等安全控制器類(lèi)型。本文介紹了使用邦納工程、菲尼克斯電氣、施耐德電氣和[歐姆龍自動(dòng)化產(chǎn)品的具體示例。

標(biāo)準(zhǔn)

電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全（E/E/PE 或 E/E/PES）或 IEC 61508 是適用于所有行業(yè)的基本功能安全標(biāo)準(zhǔn)。它包括應(yīng)用、設(shè)計(jì)、部署和維護(hù)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（稱(chēng)為安全相關(guān)系統(tǒng)）的方法。它基于這樣一種理念，即任何與安全相關(guān)的系統(tǒng)都必須以本質(zhì)上安全的方式發(fā)生故障。為了衡量功能安全設(shè)計(jì)的有效性，該標(biāo)準(zhǔn)定義了從 1 到 4 的安全完整性等級(jí) （SIL），其中 SIL4 表示最高級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)降低，SIL1 表示最低級(jí)別。SIL的概念也適用于其他安全標(biāo)準(zhǔn)，但SIL的數(shù)量及其定義可能因操作環(huán)境的需要而異。

有許多基于 IEC 61508 的安全標(biāo)準(zhǔn)。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：控制電路設(shè)備和開(kāi)關(guān)元件 - 機(jī)電控制電路設(shè)備，適用于特定類(lèi)型的設(shè)備，包括：

• 手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，如按鈕、腳踏開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)等
• 電磁操作的控制開(kāi)關(guān)，如延時(shí)或瞬時(shí)的繼電器或接觸器
• 機(jī)器中包含的限位開(kāi)關(guān)
• 先導(dǎo)開(kāi)關(guān)，如溫度開(kāi)關(guān)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)的功能安全是 IEC 61508 的機(jī)械相關(guān)版本。它規(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。它適用于單獨(dú)或組合使用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器安全功能的機(jī)械相關(guān)安全控制系統(tǒng)、子系統(tǒng)和安全相關(guān)設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

IEC 61810-3：2015，具有強(qiáng)制引導(dǎo)（機(jī)械連接）觸點(diǎn)的繼電器，是安全控制器的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。它描述了具有強(qiáng)制引導(dǎo)觸點(diǎn)（也稱(chēng)為機(jī)械連接觸點(diǎn)）的基本繼電器的特殊要求和測(cè)試。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。力導(dǎo)向繼電器是許多安全繼電器模塊的基本組件。在 A 類(lèi)安全繼電器中，所有觸點(diǎn)都是強(qiáng)制引導(dǎo)的。該標(biāo)準(zhǔn)要求，如果常開(kāi) （NO） 觸點(diǎn)被焊接，則當(dāng)線圈未通電時(shí)，所有常閉 （NC） 觸點(diǎn)必須保持 0.5 mm 的最小開(kāi)口（圖 1）。

圖 1：如果 NO（或 NC）觸點(diǎn)焊接，則當(dāng)線圈未通電時(shí)，所有 NC（或 NO）觸點(diǎn)必須保持 0.5 mm 的最小距離。（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)部分，包括設(shè)計(jì)和集成控制系統(tǒng)安全相關(guān)部分 （SRP/CS） 及其子系統(tǒng)的指南，包括防護(hù)或聯(lián)鎖功能等機(jī)械措施，以及相關(guān)軟件。它適用于高要求和連續(xù)運(yùn)行模式下使用的電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械 SRP/CS。

回到IEC 61508，該標(biāo)準(zhǔn)還定義了安全相關(guān)通信的“黑色通道”。

黑色通道和通信協(xié)議

IEC 61508 僅提供了黑色通道的一般定義，并參考了現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的 IEC 61784-3 和鐵路信號(hào)的 IEC 62280 等標(biāo)準(zhǔn)。黑通道通信的概念源自術(shù)語(yǔ)“黑匣子”。在黑信道通信中，網(wǎng)絡(luò)是黑匣子，純粹用作傳輸介質(zhì);通道是不安全的，安全由應(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)，例如以太網(wǎng)的各種實(shí)現(xiàn)，例如PROFIsafe或無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)。在黑通道應(yīng)用中，假設(shè)主通信通道不夠安全，無(wú)法進(jìn)行與安全相關(guān)的通信，因此添加了一個(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 可用于實(shí)現(xiàn)黑通道通信的安全層。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact）

除了PROFIsafe之外，黑色通道還可以與其他協(xié)議一起實(shí)現(xiàn)，如通用工業(yè)協(xié)議安全（CIP安全）和FSoE。這些協(xié)議符合 IEC 61784-3：2021 標(biāo)準(zhǔn)，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。

桌面安全

安全問(wèn)題不僅限于大型或功能強(qiáng)大的機(jī)器;桌面裝配站可能需要安全系統(tǒng)。在一種情況下，半自動(dòng)桌面裝配站用于制造電子元件。每個(gè)工位都有一個(gè)帶非接觸式安全開(kāi)關(guān)的重型安全門(mén)、零件進(jìn)給處的安全光幕和一個(gè)緊急停止按鈕，以保護(hù)操作員免受半自動(dòng)設(shè)備傷害。單功能安全繼電器控制器可用于小型機(jī)器，例如臺(tái)式裝配站，以連接安全裝置和機(jī)器，以提供安全的啟動(dòng)和停止功能。

在本例中，Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器 SC10-2ROE型號(hào)安裝在每個(gè)桌面裝配站的機(jī)柜中（圖 3）。該安全控制器將多個(gè)安全繼電器模塊的功能組合到一個(gè)設(shè)備中，簡(jiǎn)化了接線并減少了安裝所需的空間。除了支持小型機(jī)器的安全外，這些控制器還非常適合在擁擠的控制柜中使用。即使是像SC10系列這樣的小型安全控制器，也可以具有廣泛的功能：

• 串聯(lián)診斷 （ISD） 可以連接多達(dá) 70 個(gè)安全設(shè)備。ISD 提供可通過(guò)人機(jī)界面 （HMI）、PLC 或類(lèi)似設(shè)備訪問(wèn)的每個(gè)安全設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)和性能數(shù)據(jù)，使用戶能夠?qū)C(jī)器安全系統(tǒng)進(jìn)行故障排除、防止故障并減少停機(jī)時(shí)間。
• 基于圖標(biāo)的拖放式編程在 PC 上運(yùn)行，簡(jiǎn)化了設(shè)置和設(shè)備管理。
• 外部存儲(chǔ)卡可用于配置設(shè)備，而無(wú)需連接到 PC，從而加快配置更改速度。
• 10 個(gè)輸入，其中 4 個(gè)可設(shè)置為非安全輸出。自動(dòng)終端優(yōu)化 （ATO） 功能可用于將輸入總數(shù)增加到 14 個(gè)。
• 兩個(gè) 6 A 安全繼電器輸出帶有三組 NO 獨(dú)立控制觸點(diǎn)。
• 能夠執(zhí)行兩種功能停止類(lèi)型：
  • 類(lèi)別 0 是不受控制的停止，立即斷電。
  • 類(lèi)別 1 是在斷電前延遲的受控停止。在機(jī)器需要制動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力的情況下，延遲停止可能會(huì)有所幫助。
• 支持 Ethernet/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協(xié)議。

跨生產(chǎn)線的可擴(kuò)展安全性

在桌面裝配的復(fù)雜性范圍的另一端，集成安全可以在整個(gè)工廠的裝配線中實(shí)現(xiàn)。例如，Omron Automation 的 [Sysmac NX102 控制器]集成了多種開(kāi)放式工業(yè)協(xié)議，如以太網(wǎng) 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，它可以將高速安全集成到需要快速循環(huán)時(shí)間的生產(chǎn)線中的機(jī)器控制中。此外，Omron 的 [NX 集成安全控制器]通過(guò)了 SIL3 認(rèn)證，并具有 FSoE 連接功能。NX-SL5 控制器（如 NX-SL5500 型號(hào)）可以同時(shí)通過(guò) EtherCAT 和 Ethernet/IP 上的 CIP Safety 進(jìn)行 FSoE 通信，從而支持涉及高速同步運(yùn)動(dòng)、機(jī)器對(duì)機(jī)器控制或利用 CIP Safety 與遠(yuǎn)程設(shè)備通信的應(yīng)用（圖 4）。

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

可配置和擴(kuò)展

當(dāng)環(huán)境需要可配置和可擴(kuò)展的安全解決方案時(shí)，菲尼克斯電氣提供PSRmodulal安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以配置為只有三個(gè)安全功能的小型應(yīng)用和具有多達(dá) 160 個(gè) I/O 的大型系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括各種安全功能，例如用于監(jiān)控 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號(hào)的模擬模塊、用于接近開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)監(jiān)控的模塊以及各種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)編碼器。安裝在安全繼電器模塊中的繼電器具有強(qiáng)制導(dǎo)向觸點(diǎn)（圖 5）。該系統(tǒng)可以實(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)控安全門(mén)等可移動(dòng)防護(hù)裝置
• 雙手控制裝置
• 零速監(jiān)控和速度監(jiān)控

PSR模塊化安全系統(tǒng)由幾個(gè)基本模塊組成，這些模塊具有核心功能，如[1104981]型，以及用于增強(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)可通過(guò)PSR-TBUS DIN導(dǎo)軌連接進(jìn)行擴(kuò)展。

簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜度機(jī)器的安全性

施耐德電氣的 [Harmony 安全模塊]專(zhuān)為簡(jiǎn)單到中等復(fù)雜度的機(jī)器而設(shè)計(jì)，例如用于食品和飲料加工、起重、物料搬運(yùn)和包裝的機(jī)器。它們分為兩個(gè)系列（圖 6）：

• Harmony XPS Basic 為使用硬接線安全模塊的應(yīng)用提供優(yōu)化的解決方案。
• Harmony XPS Universal 將硬接線安全模塊的簡(jiǎn)單應(yīng)用與通常需要現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的各種信息相結(jié)合。

XPSBAT 基本安全模塊（如 [XPSBAT12A1AP]）用于監(jiān)控急停電路，并提供 0 類(lèi)和 1 類(lèi)控制選項(xiàng)。類(lèi)別 0 實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)停止，而類(lèi)別 1 實(shí)現(xiàn)延遲停止，延遲可在 0 到 15 分鐘（900 秒）之間調(diào)節(jié)。

XPSUAK 通用安全模塊（如 [XPSUAK12AP]型）也可以實(shí)現(xiàn) 0 類(lèi)和 1 類(lèi)關(guān)機(jī)。這些安全模塊可以與更廣泛的安全設(shè)備連接，包括：

• 急停電路
• 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 線傳感墊

結(jié)論

在為工業(yè)系統(tǒng)選擇安全開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮廣泛的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及通信協(xié)議，包括黑通道通信。但這僅僅是個(gè)開(kāi)始;有針對(duì)小型系統(tǒng)（如桌面裝配操作）優(yōu)化的安全開(kāi)關(guān)，適用于食品和飲料加工和物料搬運(yùn)中的硬接線安裝，適用于需要可配置或可擴(kuò)展解決方案的系統(tǒng)，以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化以支持整個(gè)工廠的可擴(kuò)展解決方案的設(shè)備。