机器的安全和保护――浅析自动化安全控制系统

德国皮尔磁工业自动化（上海）有限公司 产品经理 黄之炯

专业术语：安全控制系统；安全功能；安全控制模块；冗余多样性

•  引言
　　伴随自动化技术的不断发展、集成化规模不断增加，现代的机器设备的功能越来越复杂。与此同时，机器的安全性能也被人们越来越重视。机器的安全性就是指，在机器安全使用说明书规定的预订使用条件下执行其功能和在运输、安装、调整、拆卸和处理时不产生伤害或危害健康的能力。机器的安全和保护，主要是对人（如操作、调试和维修人员）身的安全和设备财产安全的保护。一台合格的机器，既要能够按照用户工艺要求执行其功能，又必须避免在复杂的运行和维修调试过程中引发的伤害事故、避免系统失控而导致的设备损坏事故。因此，对于一台带有一定风险和危险的机器，我们既需要一套动态地实现工艺要求的非安全控制系统，同时也需要一套静态的安全控制系统来保护人和机器的安全。

2 ．为何在安全控制系统中，需要使用特殊的安全控制模块来控制安全功能
　　安全控制系统必须提供一种高度可靠的安全保护手段，最大限度地避免机器的不安全状态、保护生产装置和人身安全，防止恶性事故的发生、减少损失。该系统在开车、停车、出现工艺扰动以及正常维护操作期间对机器设备提供安全保护。一旦当机器设备本身出现危险，或由于人为原因而导致危险时，系统立即做出反应并输出正确信号，使机器安全停车，以阻止危险的发生或事故的扩散。
　　 一套安全控制系统，由安全输入信号（即安全功能，如紧急停止信号、安全门信号等）、安全控制模块（如安全继电器、安全PLC）、和被控输出元件（如主接触器、阀等）三部分组成。
　　 在国内的不少具有安全要求的机器中，普通的继电器或者PLC 被广泛地做为控制模块对安全功能进行监控。从表面看来，这样的机器在一定条件下也能够保证安全性。但是，一旦当普通的继电器和PLC 由于自身缺陷或外界原因导致功能失效（如触电熔焊、电气短路、处理器紊乱等故障），就会丢失安全保护功能，引起事故的发生。
　　 而对于安全控制模块，由于其采用的冗余、多样的结构，加之以自我检测和监控、可靠电气元件、反馈回路等安全措施，保证在本身缺陷或外部故障的情况下，依然能够保证安全功能，并且可以及时的将故障检测出来。从而最大程度上的保证了整个安全控制系统的正常运行，保护了人和机器的安全。

3 ．机器的安全控制系统的要求
　　 一台机器，应该采用什么样的安全控制系统？使用较低级别的安全控制系统，则达不到安全要求；而采用过高级别的安全控制系统，则会导致机器设备成本的增加。因此，在设计一台机器之前，必须要对机器进行风险评估和风险评价，然后根据风险评估和风险评价的结果，采取一系列的措施来降低风险，把风险降低到可以接受的水平甚至是最低的水平，从而达到安全要求。所有的这些措施均可以参照相关安全标准和安全规范来实现。
　　 近些年来，随着机器的安全越来越被重视，世界上的各个组织或各个国家都制定了相关的安全标准和安全规范。欧盟，作为目前世界上最大的经济自由区，已经把对机器的安全要求上升到法律的高度――机械指令98/37/EC 。任何进入欧盟的机器，无论是新的或是二手的，都必须符合机械指令及其他相关指令的基本要求。
　　 CE 标志事欧盟官方颁布的、统一再工业产品上使用的强制性标志。CE 标志是一种产品合格标志，产品上施加有CE 标志，就证明该产品符合欧盟颁布的有关新方法指令的要求，并已经按规定对产品进行了合格评定。新方法指令主要是保障人身安全与健康、保障财产安全方面的要求，所以CE 标志是一种产品安全合格的标志，不具有商业意义。
　　 机械指令规定了基本安全与卫生要求，同时，又进一步规定了制造商可依据 标准 来达到指令所规定基本安全与卫生要求。标准为指令实施提供技术支撑，标准规定了实现指令基本要求的方法和措施。制造商要使其产品符合新方法指令所规定的基本要求，获得CE 认证，最好的方法就是按照标准来制造产品。常用的一些国家、欧洲和国际标准有：

EN 1050-1996 机械安全 风险评价

EN 292 -1 ：1991机器安全 基本概念与设计通则

EN 954-1机械安全 控制系统有关安全部件 第1 部分 设计通则

EN/IEC 60204机械安全 机械电气设备

EN/ISO 13894 机械的安全 控制系统有关的安全部件

EN/IEC 61508 主要涵盖了电气 / 电子 / 可编程电子系统的功能安全

EN 418紧急制动设备

EN 1088与保护装置有关的连锁装置 设计和选择原则

EN 12415机床 安全 小型数控车床和车削中心

EN 12417机床 安全 加工中心

EN 12478机床 安全 大型数控车床和车削中心

GB 5226.1-2002机械安全 机床电气设备 第1 部分：通用技术条件

4 ．安全控制模块
　　 在整个安全控制系统中，安全控制模块最为复杂。因为安全控制模块，既要采集安全输入信号，并且根据逻辑要求，进行安全的输出控制。安全控制模块不但在自身出现缺陷的情况下依然要能够保持高安全可靠性，同时也要能够检测安全输入信号和被控输出元件的故障，并及时做出合理的反应。在安全控制领域，常用的安全控制模块有安全继电器、安全可编程控制器、安全总线系统。

　　紧凑型安全继电器可以用于控制单一安全功能，适用于小型的安全控制系统。其安全输出通常有继电器触点输出或晶体管输出。无论采用何种形式的输出结构，安全继电器都能够保证至少2个通道进行输出的控制。在一个输出通道出现故障的情况下，另外一个冗余的通道依然能够保证安全继电器的安全功能，并且及时检测出故障通道。

　　安全可编程控制器适用于中、大型的安全控制系统。安全可编程控制器的CPU采用冗余的多处理器结构。各个处理器之间相互监控，一旦出现不一致，立刻使控制器处于安全状态，并且发出报警信息；同时，安全可编程控制器对内部的RAM ，EPROM ，输入输出寄存器等元件进行实时监控，并且采用特殊的测试脉冲对输入信号和输出被控元件进行检测，一旦出现任何不安全隐患，控制器立刻切换至安全保护状态。

　　安全总线系统则适用于大型、离散式的安全控制系统。其原理是在现有工业现场总线的基础上，采用了一系列的时间检测、地址检测、连接检测和CRC冗余校验等措施，达到高的安全等级。

5 ．安全控制系统的应用

　　德国Pilz 作为安全控制方面的专家，有着数十年安全控制产品研发、生产的经验。产品包括安全控制技术、监控技术、操作和监视技术、安全传感器、安全信号等，可以提供一个全面的安全解决方案。

　　以一台机床为例，其安全功能通常有紧急停止按钮、安全门、操作模式选择、安全光栅、双手按钮、安全阀、安全速度监控等。这些安全功能之间有着复杂的、相互联锁的逻辑关系。如果采用紧凑型安全继电器，则会有接线繁琐、成本较高、诊断困难的缺点。而采用安全可编程控制器，成本较高。对于这种应用，Pilz 推出了 PNOZmulti 模块化的安全继电器。

　　PNOZmulti 由一个PNOZ m0 （1/2）p 基础模块和若干个扩展模块组成。基础模块可单独使用，包括20个可连接急停按钮、安全门、双手控制器等所有安全功能的输入点；4个2A容量的半导体安全输出；2个继电器安全输出；一个辅助非安全输出以及4个测试脉冲输出。可以使用扩展模块来达到增加输入输出点、速度监视、现场总线连接的功能。通过基础模块上的RS232 接口可以直接向PNOZmulti 写入程序，或使用读卡器向SIM 智能卡写入程序后插入PNOZmulti 运行。

　　PNOZmulti 有以下的特点：

模块化的结构，使用灵活

　　PNOZmulti 已经有3个版本的基础模块，PNOZm0p 、PNOZm1p PNOZm2p PNOZm0p 不可扩展输入输出模块，但可以扩展通讯模块。PNOZm1p 可以扩展输入输出模块和通讯模块；PNOZm2p 是专为压机开发的基础模块。

可编程，操作简单易懂，无需特殊的编程知识

　　PNOZmulti 采用图形配置工具PNOZmulti Configurator 进行编程，从而达到多配置而少配线。PNOZmulti Configurator 有多种语言版本，包括有中文 ， 德语 , 英语 , 西班牙语 , 法语 , 意大利语 , 日语。通过PNOZmutli Configurator ，只需要使用鼠标拖拉，就可以迅速完成一个安全电路，缩短了设计和开发周期。每一个基础模块需要使用一块SIM 卡，用于存放程序。可以通过两种方式将程序下载至基础模块。可以通过读卡器，将程序下载至SIM 卡；可以通过串行电缆和基础模块上的RS232 串口，将程序下载至基础模块。此配置工具的最新版本为5.0.0 。

强大的诊断功能

可以通过以下方式进行故障诊断：

•  每一输入输出点都带有LED 指示灯

•  可以通过串行电缆和基础模块上的RS232 串口，执行动态程序显示功能，用于故障诊断和设备调试

•  可以通过故障堆栈信息，迅速判断故障

•  可以通过诊断字，判断各个功能块的状态

•  可以与PMImicro Diag 配合使用，通过人机界面，获得可视化的诊断信息

可进行安全速度监控

　　PNOZmulti 可以扩展PNOZms1p 或PNOZms2p ，通过增量型编码器或接近开关，进行安全速度监控，根据欧洲标准可以达到安全等级3 级 。可以通过PNOZmsi1p...PNOZmsi4p 适配器，用于连接 Siemens 或 Haidenhain 的驱动，以获得增量型编码器的信号。

可控制普通标准功能

　　PNOZmulti 可以控制普通标准功能。通过PNOZmi2p 和PNOZmc1p ，可以控制普通标准功能，诸如起动按钮、复位按钮，或进行状态信号输出；可以通过普通标准总线，如Profibus 、DeviceNet 、CANopen 、CC-Link 进行非安全状态信息的通讯。

6 ．总结

　　对于机器的安全和保护不仅有利于生产者的人身安全，也有利于企业的持续发展，提高机器设备的整体竞争力，它是每个企业家和设计者必须考虑的具有较大社会效益的行为。虽然目前安全控制技术在国内还处于起步阶段，但是我们相信，通过国家标准的相继出台和认真贯彻实施、安全理念和安全技术越来越被人们广为重视和接受，对于我国制造业的可持续发展，提升国产产品在国际上的竞争能力，将起到举足轻重的作用。