【摘要】本文介紹了常規(guī)PLC與安全PLC的很多不同點，然后通過安全PLC的CPU、I/O模塊舉例說明了它們不同的具體內容螺煞。
【關鍵詞】安全PLC 常規(guī)PLC 冗余 診斷 
      安全型可編程邏輯控制器（PLC）是為特殊用途的機器設備而設計的，用于關鍵型控制和安全型應用。這些控制器通常是安全儀表系統(tǒng)（SIS）的一部分碳胳，用在檢測具有潛在危險的流程工業(yè)環(huán)境中勇蝙。一旦檢測出危險，SIS的應用程序能自動作用挨约，把流程切換到安全狀態(tài)味混。談到這里，用戶可能會有一系列的問題：常規(guī)PLC已經成功地使用了這么多年了诫惭，與安全PLC相比有什么不同翁锡？為什么在關鍵型控制和安全型應用中，不能使用常規(guī)的PLC夕土？ 
一馆衔、綜述 
      一臺安全PLC采用了特殊的設計，能夠實現(xiàn)兩個重要目標： 
      1．系統(tǒng)不會失效（采用冗余的工作方式）怨绣，即使元件的失效不可避免角溃； 
      2．失效是在可預測的范圍內，一旦失效篮撑，系統(tǒng)將進入安全模式减细。 
      在設計安全PLC時，要考慮到很多因素电伐，需要很多的特殊設計顷床。比如：一臺安全PLC更強調內部診斷，結合硬件和軟件秆杰，可以讓設備隨時檢測自身工作狀態(tài)的不適锨圣；一臺安全PLC具有的軟件，要使用一系列的特殊技術过腰，能確保軟件的可靠性；一臺安全PLC具有冗余功能闯揪，即使一部分失效橄看，也能夠維持系統(tǒng)運行；一臺安全PLC還具有外加的安全機制避某，不允許通過數(shù)字通信接口隨便讀寫內部的數(shù)據(jù)硅跌。

      安全PLC與常規(guī)PLC的不同還在于：安全PLC需要得到第三方專業(yè)機構的安全認證，滿足苛刻的安全性和可靠性國際標準蚯垫。必須徹底地采用系統(tǒng)方法闲涕，來設計和測試安全PLC。德國的TUV專家和美國的FM專家會提供對安全PLC設計和測試過程的咳碰、第三方獨立的確認和驗證剖毯，

      特殊的電子線路，細致的診斷軟件分析教馆，再加上對所有可能失效進行測試的完整性設計逊谋，確保了安全PLC具有測定99％以上的內部元件潛在危險失效的能力擂达。一種失效模式、影響和診斷分析（FMEDA）方法一直指導著設計胶滋，這種方法會指出每個元件是怎樣引起系統(tǒng)失效板鬓，并且告訴你系統(tǒng)應該如何檢測這個失效。TUV的工程師會親自執(zhí)行失效測試究恤，把它作為他們認證過程的一個部分俭令。

      嚴格的國際標準軟件應用于安全PLC。這些標準需要特殊技術部宿，避免復雜性抄腔。更進一步的分析和測試，細致地檢查操作系統(tǒng)的任務交互操作窟赏。這種測試包括實時的交互操作妓柜，比如多任務（當使用時）和中斷。還需要進行一種特殊的診斷棕健，被稱為"程序流控制"和"數(shù)據(jù)確認"寸纠。程序流檢查能確保基本功能能按正確的順序執(zhí)行秕肚，數(shù)據(jù)確認使所有的關鍵數(shù)據(jù)在存儲器里進行冗余存儲帮课，并且在使用前進行有效性測試。在軟件開發(fā)過程中袭吗，一個安全PLC需要附加的軟件測試技術八泡。為了核實數(shù)據(jù)完整性檢查，必須執(zhí)行一系列"軟件失效注入"測試苏昨，也就是人為對程序進行故意破壞锚揍，來檢查PLC的響應是否運行在預計的安全方式。軟件的設計和測試帶有詳細的文件資料赘湾，這樣第三方的檢查員就能夠明白PLC的運行原理防养，而多數(shù)軟件開發(fā)沒有使用這種規(guī)范的操作流程，這也正好說明為什么眾多的垃圾軟件會出現(xiàn)那么多的臭蟲而無法發(fā)現(xiàn)了律逼。
二按辱、舉例 
      下面試通過施耐德電氣公司的一款安全PLC，來更具體地說明安全PLC與常規(guī)PLC的區(qū)別蛹头。
2.1 安全PLC與常規(guī)PLC的CPU的差別 
      常規(guī)PLC內部CPU的數(shù)量有一個或多個顿肺，它或它們的作用是：執(zhí)行用戶的程序、進行I/O的掃描和系統(tǒng)的診斷渣蜗。但用戶的程序通常就進行一次處理屠尊，多個CPU的功能是把程序中的邏輯運算、算數(shù)運算、通信功能等分擔實現(xiàn)知染，也就是協(xié)作處理肋僧。

      而安全PLC的CPU至少有兩個或多個，兩個CPU的功能是：分別對同一個用戶程序各自執(zhí)行一次控淡，然后再把兩個結果放在一起進行比較嫌吠，如果比較的結果是一致的，就輸出這個結果掺炭，如果是不一致的辫诅，選擇安全的結果輸出。由此看出涧狮，這才是安全PLC與常規(guī)PLC最大的不同：冗余＋比較炕矮。

2.2 安全PLC內部CPU的結構 
      安全PLC包含2個處理器，每個處理器在自己的存儲器區(qū)中刹越，執(zhí)行它們自己的安全邏輯堡它，然后在每個周期的結尾和對方的結果進行比較，每個處理器有它自己獨立的停機通道靡循，如果檢測到結果的不同或有失效成分衍醒，它能夠實現(xiàn)系統(tǒng)停機，切到安全狀態(tài)铣滥。這種雙處理結構被稱為內部的二選一結構父驮。

      下圖表示了這種安全PLC的內部結構：

      安全PLC通常都有兩個處理器，同時進行解碼和執(zhí)行肃萍。這種差異性提供了失效檢測的下列優(yōu)點：
?    兩個可執(zhí)行碼獨自生成涎瓜，編譯的差異性使得在代碼生成時，容易檢測系統(tǒng)失效股航。
?   兩個生成碼由不同的處理器執(zhí)行慈宾，因此，CPU能夠在代碼執(zhí)行時翠节，檢測出系統(tǒng)失效和PLC的隨機失效酗宋。
?   兩個獨立的存儲器區(qū)用于兩個處理器，因此秩冈，CPU能夠檢測出RAM的隨機失效，而這在每個掃描周期的全部RAM檢查時測不出來斥扛。 
      這里我們接著引出安全PLC與常規(guī)PLC第二個最大的不同：隨時＋步步進行診斷和檢測入问。這種檢測有的是通過自身信息進行的，稱為自檢稀颁；還有的通過對方的信息進行檢測芬失，稱為互檢。后面我們還會提到更多的檢測。

2.3 安全PLC CPU中的檢測 
      時鐘測量:在處理器電路中棱烂，有兩個不同的振蕩器交叉檢查它們的行為租漂，每個處理器使用一個時鐘檢查另外一個是否運行。如果在一個確定的周期里颊糜，檢測到對方沒有運行哩治，CPU就會進入安全狀態(tài)。固件每秒鐘會檢查兩個振蕩器的精度衬鱼。

      監(jiān)視時鐘：一個硬件和一個固件的監(jiān)視時鐘檢查PLC的活動和執(zhí)行用戶邏輯的執(zhí)行時間扫矾。這和常規(guī)的PLC系統(tǒng)是相同的。 
      序列檢查：序列檢查監(jiān)視CPU操作系統(tǒng)不同部分的執(zhí)行序机。 
      存儲器檢查：所有靜態(tài)存儲器區(qū)勘浇，包括Flash存儲器和RAM，使用循環(huán)冗余碼（CRC）進行檢測寥只，并且雙碼執(zhí)行劈咕。動態(tài)存儲器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護，周期性進行檢測冻找。在冷啟動時柏困，這些檢測重新進行初始化。

      從上面的分析可以看出梦迂，安全PLC的診斷和檢測比常規(guī)的PLC的檢測要多很多肚轴，所以相對來說，硬件和軟件的設計更復雜豫阻。當然稠还，檢測和診斷的范圍也更廣范，更細致苍糠。

2.4 安全PLC I/O診斷概述 
      上面我們對安全PLC的CPU的情況進行了一個簡單的分析叁丧，下面我們再來看看安全輸入/輸出模塊的情況。 
      所有安全I/O模塊都要執(zhí)行以下兩個診斷功能：
?   更多的系統(tǒng)層面的診斷岳瞭，包括了：RAM測試拥娄、ROM測試、以及
?   根據(jù)模塊的類型不同瞳筏，現(xiàn)場層面的診斷稚瘾， 
      下面的表格列出了安全I/O模塊的現(xiàn)場診斷情況：

      還有，安全PLC要對安全CPU和安全I/O之間的通信進行診斷姚炕，比如使用CRC校驗摊欠。因此，不僅要檢查接收的數(shù)據(jù)是否等于發(fā)送的數(shù)據(jù)柱宦，而且要檢查數(shù)據(jù)變化些椒。為了解決擾動問題播瞳，比如EMC的影響，它可能瞬間破壞你的數(shù)據(jù)免糕，所以你需要對每個模塊赢乓，配置一個很大的連續(xù)CRC錯誤診斷。

      上電時診斷：在上電時堵沈，I/O模塊執(zhí)行擴展的自檢程序子钱，如果測試出現(xiàn)錯誤，模塊被認為不健康烂锤，輸入輸出全部置為0暴遂。 
      運行時的診斷：在系統(tǒng)運行時，I/O模塊執(zhí)行自檢程序架暗，輸入模塊檢驗是否能夠從傳感器讀取整個范圍的數(shù)據(jù)粘伊，輸出模塊對它們的開關執(zhí)行脈沖測試，周期小于1ms约粒，在數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出模塊惠翼，上電自檢失效和模塊沒有接到外部的24V電源時，模塊不工作侨直。

      過壓診斷：因為電子元件支摹，從理論上說，電源電壓超過了最大值時靠婴，它們不應該工作代郊，所以I/O模塊必須對來自背板的電源電壓進行監(jiān)視。 
      下表描述了對電源電壓的監(jiān)視：

2.5 安全PLC的安全模擬量輸入模塊

      接地斷線檢測：安全模擬量輸入模塊具有監(jiān)視接地失效（漏電流）的功能杀餐。外接線一端通常要連接到中性地干发，在接地端子與中性地之間可以接入一個分流電阻（比如250歐姆），那么模擬量輸入的漏電流就可以通過這個電阻上的電壓史翘，檢測出來枉长。

      內部診斷：現(xiàn)場側包括了8個隔離獨立的輸入通道，每個輸入具有2個相同的電路構成琼讽，每個電路的微處理器通過驅動它的模擬量－數(shù)字量轉換器必峰、再經過隔離器得到輸入值。另外钻蹬，當進行診斷時吼蚁，微處理器還驅動它的數(shù)字量－模擬量轉換器并且把它置成高阻抗（非干涉）或者低阻抗，強迫做為模擬量－數(shù)字量轉換器的輸入问欠。

      模擬量輸入模塊執(zhí)行：
?   短期間的自檢肝匆。使用常規(guī)的、周期的差異值檢測溅潜，判斷內部是否失效术唬。
?   長期間的自檢。使用每個通道的健康狀態(tài)來核實內部是否失效墅瑟。 
      現(xiàn)場電源監(jiān)督：沒有電源監(jiān)督避扎，這個功能由模擬量－數(shù)字量轉換器檢測期間，對模擬量－數(shù)字量轉換器和數(shù)字量－模擬量轉換器提供的根據(jù)它們電源電壓的值來實現(xiàn)枪素。

2.6 安全PLC的安全數(shù)字量輸入模塊

      內部診斷：每個輸入通道使用一個公共輸入電路和2個獨立獲取鏈路咬跷，每個微處理器驅動一個數(shù)字輸入串行器（DIS）來實現(xiàn)對輸入信息的采樣。另外芹倔，微處理器還驅動一個數(shù)字輸入還原器（DID）演避，再驅動診斷功能塊進行診斷，實現(xiàn)還原數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)的同步比較威脯。

      輸入通道錯誤檢測：數(shù)字量輸入監(jiān)視現(xiàn)場側電源偶咸，利用外部接線來進行漏電流的檢測，最小的漏電流是1mA跨略，如果沒有漏電流殊泼，就代表外部電路出現(xiàn)開路故障，在干接點的情況下烁犀，在接點兩端并聯(lián)一個10k
      的上拉電阻码日，用于外部線路的斷線檢測。每個輸入電路都配置了開關视搏，周期地強制為1或0审孽，用于檢測電路是否健康。每個輸入電路獨立進行檢測浑娜，如果發(fā)現(xiàn)問題就對診斷位置1佑力，聲明通道處于非健康狀態(tài)。

2.7 安全PLC的安全數(shù)字量輸出模塊

      內部診斷：為了檢查開關是否能夠斷開與閉合棚愤，要在輸出模塊（在模塊內部電路搓萧，插入周期性的診斷循環(huán)）進行一個脈沖測試。 
      診斷序列包括：
?   更改開關命令宛畦，這個時間非常短瘸洛，不會影響執(zhí)行器，最大不超過1ms次和；
?   核實測試結果反肋，并且
?   恢復正確的開關命令。 
      電源監(jiān)視：每個輸出電路包括兩個串聯(lián)的開關踏施，有兩個處理器分別進行控制石蔗。
      第一個微處理器使用數(shù)字量輸出還原器（DOD）驅動它的開關，而第二個微處理器則在還原器之后驅動它的開關徒锄。在每個周期里轮拼，兩個微處理器系統(tǒng)的中點電壓要與一個閥值進行比較羹卷，然后還要交換它們的如果，評估中點的狀態(tài)才延，診斷開關的狀態(tài)淀胞。如果在一個通道中檢查到出錯的行為，那么立即停機陈园，并且設置診斷位两军，通知CPU。
三湘志、小結 
      通過前面兩個章節(jié)的介紹备秋，了解了安全PLC和常規(guī)PLC的基本不同點，實際上還有象：外部傳感器接線方式的不同羽抒、內部操作系統(tǒng)的不同聂祈、軟件功能塊的設置不同、軟件編制的要求不同蝶锋、以及安全通信協(xié)議的規(guī)范不同等曹动，有機會再與讀者進行交流。

      當然牲览，安全PLC和常規(guī)PLC還有很多相似之處墓陈，比如說：兩者都具有執(zhí)行邏輯和算數(shù)計算的能力；兩者都具有典型的輸入和輸出（I/O）模塊第献，提供解釋來自流程傳感器信號和執(zhí)行控制到最終元件的能力贡必；兩者都是采用掃描輸入，然后進行計算庸毫，最后寫到輸出仔拟；兩者都具有典型的數(shù)字通信接口。但常規(guī)PLC不是基于容錯和失效安全而設計的飒赃，這是兩者的最基本的不同利花。

      由于很多用戶發(fā)現(xiàn)常規(guī)的PLC不能用于關鍵應用的保護，因此產生了對安全PLC的需求载佳。對安全PLC的設計炒事、制造和安裝的要求標準是非常高的。如果在項目的設施中蔫慧，忽略這些標準仁吟，或者按低于這些高標準的方法執(zhí)行，從職業(yè)和社會的角度來看脯阔，都是靠不住的夏捣、不負責任

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡分享摇值，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責贵筹，也不構成任何其他建議垃批。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳翼毡，對此類作品本站僅提供交流平臺伞让，不為其版權負責。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻鹰柄、圖片、文字如涉及作品版權問題菲恢，請第一時間告知擎融，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權并按國家標準支付稿酬或立即刪除內容，以保證您的權益锁孟！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn彬祖。