安全型可編程邏輯控制器（PLC）是為特殊用途的機(jī)器設(shè)備而設(shè)計(jì)的，用于關(guān)鍵型控制和安全型應(yīng)用。這些控制器通常是安全儀表系統(tǒng)（SIS）的一部分，用在檢測(cè)具有潛在危險(xiǎn)的流程工業(yè)環(huán)境中。一旦檢測(cè)出危險(xiǎn)，SIS的應(yīng)用程序能自動(dòng)作用，把流程切換到安全狀態(tài)。談到這里，用戶可能會(huì)有一系列的問(wèn)題：常規(guī)PLC已經(jīng)成功地使用了這么多年了，與安全PLC相比有什么不同？為什么在關(guān)鍵型控制和安全型應(yīng)用中，不能使用常規(guī)的PLC？


一、綜述


一臺(tái)安全PLC采用了特殊的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)重要目標(biāo)：
1．系統(tǒng)不會(huì)失效（采用冗余的工作方式），即使元件的失效不可避免；
2．失效是在可預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)，一旦失效，系統(tǒng)將進(jìn)入安全模式。


在設(shè)計(jì)安全PLC時(shí)，要考慮到很多因素，需要很多的特殊設(shè)計(jì)。比如：一臺(tái)安全PLC更強(qiáng)調(diào)內(nèi)部診斷，結(jié)合硬件和軟件，可以讓設(shè)備隨時(shí)檢測(cè)自身工作狀態(tài)的不適；一臺(tái)安全PLC具有的軟件，要使用一系列的特殊技術(shù)，能確保軟件的可靠性；一臺(tái)安全PLC具有冗余功能，即使一部分失效，也能夠維持系統(tǒng)運(yùn)行；一臺(tái)安全PLC還具有外加的安全機(jī)制，不允許通過(guò)數(shù)字通信接口隨便讀寫(xiě)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。


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(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，滿足苛刻的安全性和可靠性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。必須徹底地采用系統(tǒng)方法，來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試安全PLC。德國(guó)的TUV專家和美國(guó)的FM專家會(huì)提供對(duì)安全PLC設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程的、第三方獨(dú)立的確認(rèn)和驗(yàn)證，


特殊的電子線路，細(xì)致的診斷軟件分析，再加上對(duì)所有可能失效進(jìn)行測(cè)試的完整性設(shè)計(jì)，確保了安全PLC具有測(cè)定99％以上的內(nèi)部元件潛在危險(xiǎn)失效的能力。一種失效模式、影響和診斷分析（FMEDA）方法一直指導(dǎo)著設(shè)計(jì)，這種方法會(huì)指出每個(gè)元件是怎樣引起系統(tǒng)失效，并且告訴你系統(tǒng)應(yīng)該如何檢測(cè)這個(gè)失效。TUV的工程師會(huì)親自執(zhí)行失效測(cè)試，把它作為他們認(rèn)證過(guò)程的一個(gè)部分。


嚴(yán)格的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)軟件應(yīng)用于安全PLC。這些標(biāo)準(zhǔn)需要特殊技術(shù)，避免復(fù)雜性。更進(jìn)一步的分析和測(cè)試，細(xì)致地檢查操作系統(tǒng)的任務(wù)交互操作。這種測(cè)試包括實(shí)時(shí)的交互操作，比如多任務(wù)（當(dāng)使用時(shí)）和中斷。還需要進(jìn)行一種特殊的診斷，被稱為“程序流控制”和“數(shù)據(jù)確認(rèn)”。程序流檢查能確保基本功能能按正確的順序執(zhí)行，數(shù)據(jù)確認(rèn)使所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器里進(jìn)行冗余存儲(chǔ)，并且在使用前進(jìn)行有效性測(cè)試。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)安全PLC需要附加的軟件測(cè)試技術(shù)。為了核實(shí)數(shù)據(jù)完整性檢查，必須執(zhí)行一系列“軟件失效注入”測(cè)試，也就是人為對(duì)程序進(jìn)行故意破壞，來(lái)檢查PLC的響應(yīng)是否運(yùn)行在預(yù)計(jì)的安全方式。軟件的設(shè)計(jì)和測(cè)試帶有詳細(xì)的文件資料，這樣第三方的檢查員就能夠明白PLC的運(yùn)行原理，而多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)沒(méi)有使用這種規(guī)范的操作流程，這也正好說(shuō)明為什么眾多的垃圾軟件會(huì)出現(xiàn)那么多的臭蟲(chóng)而無(wú)法發(fā)現(xiàn)了。


二、舉例


下面試通過(guò)某公司的一款安全PLC，來(lái)更具體地說(shuō)明安全PLC與常規(guī)PLC的區(qū)別。


2．1安全PLC與常規(guī)PLC的CPU的差別


常規(guī)PLC內(nèi)部CPU的數(shù)量有一個(gè)或多個(gè)，它或它們的作用是：執(zhí)行用戶的程序、進(jìn)行I/O的掃描和系統(tǒng)的診斷。但用戶的程序通常就進(jìn)行一次處理，多個(gè)CPU的功能是把程序中的邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算、通信功能等分擔(dān)實(shí)現(xiàn)，也就是協(xié)作處理。


而安全PLC的CPU至少有兩個(gè)或多個(gè)，兩個(gè)CPU的功能是：分別對(duì)同一個(gè)用戶程序各自執(zhí)行一次，然后再把兩個(gè)結(jié)果放在一起進(jìn)行比較，如果比較的結(jié)果是一致的，就輸出這個(gè)結(jié)果，如果是不一致的，選擇安全的結(jié)果輸出。由此看出，這才是安全PLC與常規(guī)PLC最大的不同：冗余＋比較。


2．2安全PLC內(nèi)部CPU的結(jié)構(gòu)


安全PLC包含2個(gè)處理器，每個(gè)處理器在自己的存儲(chǔ)器區(qū)中，執(zhí)行它們自己的安全邏輯，然后在每個(gè)周期的結(jié)尾和對(duì)方的結(jié)果進(jìn)行比較，每個(gè)處理器有它自己獨(dú)立的停機(jī)通道，如果檢測(cè)到結(jié)果的不同或有失效成分，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)停機(jī)，切到安全狀態(tài)。這種雙處理結(jié)構(gòu)被稱為內(nèi)部的二選一結(jié)構(gòu)。


下圖表示了這種安全PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：










安全PLC通常都有兩個(gè)處理器，同時(shí)進(jìn)行解碼和執(zhí)行。這種差異性提供了失效檢測(cè)的下列優(yōu)點(diǎn)：
◎兩個(gè)可執(zhí)行碼獨(dú)自生成，編譯的差異性使得在代碼生成時(shí)，容易檢測(cè)系統(tǒng)失效。
◎兩個(gè)生成碼由不同的處理器執(zhí)行，因此，CPU能夠在代碼執(zhí)行時(shí)，檢測(cè)出系統(tǒng)失效和PLC的隨機(jī)失效。
◎兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器區(qū)用于兩個(gè)處理器，因此，CPU能夠檢測(cè)出RAM的隨機(jī)失效，而這在每個(gè)掃描周期的全部RAM檢查時(shí)測(cè)不出來(lái)。


這里我們接著引出安全PLC與常規(guī)PLC第二個(gè)最大的不同：隨時(shí)＋步步進(jìn)行診斷和檢測(cè)。這種檢測(cè)有的是通過(guò)自身信息進(jìn)行的，稱為自檢；還有的通過(guò)對(duì)方的信息進(jìn)行檢測(cè)，稱為互檢。后面我們還會(huì)提到更多的檢測(cè)。


2.3安全PLCCPU中的檢測(cè)


時(shí)鐘測(cè)量:在處理器電路中，有兩個(gè)不同的振蕩器交叉檢查它們的行為，每個(gè)處理器使用一個(gè)時(shí)鐘檢查另外一個(gè)是否運(yùn)行。如果在一個(gè)確定的周期里，檢測(cè)到對(duì)方?jīng)]有運(yùn)行，CPU就會(huì)進(jìn)入安全狀態(tài)。固件每秒鐘會(huì)檢查兩個(gè)振蕩器的精度。


監(jiān)視時(shí)鐘：一個(gè)硬件和一個(gè)固件的監(jiān)視時(shí)鐘檢查PLC的活動(dòng)和執(zhí)行用戶邏輯的執(zhí)行時(shí)間。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。


存儲(chǔ)器檢查：所有靜態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)，包括Flash存儲(chǔ)器和RAM，使用循環(huán)冗余碼（CRC）進(jìn)行檢測(cè)，并且雙碼執(zhí)行。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護(hù)，周期性進(jìn)行檢測(cè)。在冷啟動(dòng)時(shí)，這些檢測(cè)重新進(jìn)行初始化。


從上面的分析可以看出，安全PLC的診斷和檢測(cè)比常規(guī)的PLC的檢測(cè)要多很多，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)，硬件和軟件的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。當(dāng)然，檢測(cè)和診斷的范圍也更廣范，更細(xì)致。


2．4安全PLCI/O診斷概述


上面我們對(duì)安全PLC的CPU的情況進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，下面我們?cè)賮?lái)看看安全輸入/輸出模塊的情況。


所有安全I(xiàn)/O模塊都要執(zhí)行以下兩個(gè)診斷功能：
◎更多的系統(tǒng)層面的診斷，包括了：RAM測(cè)試、ROM測(cè)試、以及
◎根據(jù)模塊的類型不同，現(xiàn)場(chǎng)層面的診斷，


下面的表格列出了安全I(xiàn)/O模塊的現(xiàn)場(chǎng)診斷情況：













還有，安全PLC要對(duì)安全CPU和安全I(xiàn)/O之間的通信進(jìn)行診斷，比如使用CRC校驗(yàn)。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)，而且要檢查數(shù)據(jù)變化。為了解決擾動(dòng)問(wèn)題，比如EMC的影響，它可能瞬間破壞你的數(shù)據(jù)，所以你需要對(duì)每個(gè)模塊，配置一個(gè)很大的連續(xù)CRC錯(cuò)誤診斷。


上電時(shí)診斷：在上電時(shí)，I/O模塊執(zhí)行擴(kuò)展的自檢程序，如果測(cè)試出現(xiàn)錯(cuò)誤，模塊被認(rèn)為不健康，輸入輸出全部置為0。


運(yùn)行時(shí)的診斷：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，I/O模塊執(zhí)行自檢程序，輸入模塊檢驗(yàn)是否能夠從傳感器讀取整個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，輸出模塊對(duì)它們的開(kāi)關(guān)執(zhí)行脈沖測(cè)試，周期小于1ms，在數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出模塊，上電自檢失效和模塊沒(méi)有接到外部的24V電源時(shí)，模塊不工作。


過(guò)壓診斷：因?yàn)殡娮釉�件，從理論上說(shuō)，電源電壓超過(guò)了最大值時(shí)，它們不應(yīng)該工作，所以I/O模塊必須對(duì)來(lái)自背板的電源電壓進(jìn)行監(jiān)視。


下表描述了對(duì)電源電壓的監(jiān)視：










電源監(jiān)視
來(lái)自背板總線的電壓，理論上的最大值為18.5V。有兩個(gè)過(guò)壓檢測(cè)器，每個(gè)處理器系統(tǒng)有一個(gè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)器能夠處理可能出現(xiàn)的過(guò)壓，用斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)和觸發(fā)復(fù)位塊的方法。復(fù)位塊用于管理電源的接通和斷開(kāi)，并且停止兩個(gè)處理器運(yùn)行。如果背板電源電壓還在升高，限制器塊會(huì)對(duì)電子元件提供保護(hù)。
在現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的電源信息，由直流-到-直流的轉(zhuǎn)換器生成。有兩個(gè)過(guò)壓和欠壓監(jiān)測(cè)器，每個(gè)處理器系統(tǒng)有一個(gè)。如果兩個(gè)隔離的直流-到-直流轉(zhuǎn)換器生成一個(gè)電源到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電子元件的失效信號(hào)，監(jiān)測(cè)器通過(guò)隔離器發(fā)送失效信號(hào)至處理器。

在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的輸入電源電壓達(dá)到60V。有2個(gè)過(guò)壓和欠壓監(jiān)測(cè)器，每個(gè)處理器系統(tǒng)提供1個(gè)，以同樣方式監(jiān)視直流-到-直流轉(zhuǎn)換器。一旦失效，監(jiān)測(cè)器會(huì)發(fā)出失效信號(hào)，對(duì)用戶邏輯的狀態(tài)位設(shè)置，警告系統(tǒng)可能出現(xiàn)了輸入不一致。





2．5安全PLC的安全模擬量輸入模塊


接地?cái)嗑�檢測(cè)：安全模擬量輸入模塊具有監(jiān)視接地失效（漏電流）的功能。外接線一端通常要連接到中性地，在接地端子與中性地之間可以接入一個(gè)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(guò)這個(gè)電阻上的電壓，檢測(cè)出來(lái)。











內(nèi)部診斷：現(xiàn)場(chǎng)側(cè)包括了8個(gè)隔離獨(dú)立的輸入通道，每個(gè)輸入具有2個(gè)相同的電路構(gòu)成，每個(gè)電路的微處理器通過(guò)驅(qū)動(dòng)它的模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器、再經(jīng)過(guò)隔離器得到輸入值。另外，當(dāng)進(jìn)行診斷時(shí)，微處理器還驅(qū)動(dòng)它的數(shù)字量－模擬量轉(zhuǎn)換器并且把它置成高阻抗（非干涉）或者低阻抗，強(qiáng)迫做為模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器的輸入。


模擬量輸入模塊執(zhí)行：
◎短期間的自檢。使用常規(guī)的、周期的差異值檢測(cè)，判斷內(nèi)部是否失效。
◎長(zhǎng)期間的自檢。使用每個(gè)通道的健康狀態(tài)來(lái)核實(shí)內(nèi)部是否失效。


現(xiàn)場(chǎng)電源監(jiān)督：沒(méi)有電源監(jiān)督，這個(gè)功能由模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器檢測(cè)期間，對(duì)模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器和數(shù)字量－模擬量轉(zhuǎn)換器提供的根據(jù)它們電源電壓的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。