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，用在檢測具有潛在危險的流程工業(yè)環(huán)境中。一旦檢測出危險，SIS的應用程序能自動作用，把流程切換到安全狀態(tài)。談到這里，用戶可能會有一系列的問題：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？為什么在關鍵型控制和安全型應用中，不能使用常規(guī)的PLC？


一、綜述


一臺安全PLC采用了特殊的設計，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個重要目標：
1．系統(tǒng)不會失效（采用冗余的工作方式），即使元件的失效不可避免；
2．失效是在可預測的范圍內(nèi)，一旦失效，系統(tǒng)將進入安全模式。


在設計安全PLC時，要考慮到很多因素，需要很多的特殊設計。比如：一臺安全PLC更強調(diào)內(nèi)部診斷，結(jié)合硬件和軟件，可以讓設備隨時檢測自身工作狀態(tài)的不適；一臺安全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)運行；一臺安全PLC還具有外加的安全機制，不允許通過數(shù)字通信接口隨便讀寫內(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)機構(gòu)的安全認證，滿足苛刻的安全性和可靠性國際標準。必須徹底地采用系統(tǒng)方法，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、第三方獨立的確認和驗證，


特殊的電子線路，細致的診斷軟件分析，再加上對所有可能失效進行測試的完整性設計，確保了安全PLC具有測定99％以上的內(nèi)部元件潛在危險失效的能力。一種失效模式、影響和診斷分析（FMEDA）方法一直指導著設計，這種方法會指出每個元件是怎樣引起系統(tǒng)失效，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，把它作為他們認證過程的一個部分。


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(shù)，避免復雜性。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。這種測試包括實時的交互操作，比如多任務（當使用時）和中斷。還需要進行一種特殊的診斷，被稱為“程序流控制”和“數(shù)據(jù)確認”。程序流檢查能確�；�本功能能按正確的順序執(zhí)行，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，并且在使用前進行有效性測試。在軟件開發(fā)過程中，一個安全PLC需要附加的軟件測試技術(shù)。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，也就是人為對程序進行故意破壞，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，這樣第三方的檢查員就能夠明白PLC的運行原理，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。


二、舉例


下面試通過某公司的一款安全PLC，來更具體地說明安全PLC與常規(guī)PLC的區(qū)別。


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)量有一個或多個，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。但用戶的程序通常就進行一次處理，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)，也就是協(xié)作處理。


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，然后再把兩個結(jié)果放在一起進行比較，如果比較的結(jié)果是一致的，就輸出這個結(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個處理器，每個處理器在自己的存儲器區(qū)中，執(zhí)行它們自己的安全邏輯，然后在每個周期的結(jié)尾和對方的結(jié)果進行比較，每個處理器有它自己獨立的停機通道，如果檢測到結(jié)果的不同或有失效成分，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)停機，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通常都有兩個處理器，同時進行解碼和執(zhí)行。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，編譯的差異性使得在代碼生成時，容易檢測系統(tǒng)失效。
◎兩個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，檢測出系統(tǒng)失效和PLC的隨機失效。
◎兩個獨立的存儲器區(qū)用于兩個處理器，因此，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。


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。這種檢測有的是通過自身信息進行的，稱為自檢；還有的通過對方的信息進行檢測，稱為互檢。后面我們還會提到更多的檢測。


2.3安全PLCCPU中的檢測


時鐘測量:在處理器電路中，有兩個不同的振蕩器交叉檢查它們的行為，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，檢測到對方?jīng)]有運行，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。


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。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。


存儲器檢查：所有靜態(tài)存儲器區(qū)，包括Flash存儲器和RAM，使用循環(huán)冗余碼（CRC）進行檢測，并且雙碼執(zhí)行。動態(tài)存儲器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護，周期性進行檢測。在冷啟動時，這些檢測重新進行初始化。


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


2．4安全PLCI/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，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，包括了：RAM測試、ROM測試、以及
◎根據(jù)模塊的類型不同，現(xiàn)場層面的診斷，


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，比如使用CRC校驗。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。為了解決擾動問題，比如EMC的影響，它可能瞬間破壞你的數(shù)據(jù)，所以你需要對每個模塊，配置一個很大的連續(xù)CRC錯誤診斷。


上電時診斷：在上電時，I/O模塊執(zhí)行擴展的自檢程序，如果測試出現(xiàn)錯誤，模塊被認為不健康，輸入輸出全部置為0。


運行時的診斷：在系統(tǒng)運行時，I/O模塊執(zhí)行自檢程序，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)，輸出模塊對它們的開關執(zhí)行脈沖測試，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有接到外部的24V電源時，模塊不工作。


過壓診斷：因為電子元件，從理論上說，電源電壓超過了最大值時，它們不應該工作，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：










電源監(jiān)視
來自背板總線的電壓，理論上的最大值為18.5V。有兩個過壓檢測器，每個處理器系統(tǒng)有一個。每個監(jiān)測器能夠處理可能出現(xiàn)的過壓，用斷開電源開關和觸發(fā)復位塊的方法。復位塊用于管理電源的接通和斷開，并且停止兩個處理器運行。如果背板電源電壓還在升高，限制器塊會對電子元件提供保護。
在現(xiàn)場側(cè)的電源信息，由直流-到-直流的轉(zhuǎn)換器生成。有兩個過壓和欠壓監(jiān)測器，每個處理器系統(tǒng)有一個。如果兩個隔離的直流-到-直流轉(zhuǎn)換器生成一個電源到現(xiàn)場側(cè)電子元件的失效信號，監(jiān)測器通過隔離器發(fā)送失效信號至處理器。

在運行時，當一個現(xiàn)場的輸入電源電壓達到60V。有2個過壓和欠壓監(jiān)測器，每個處理器系統(tǒng)提供1個，以同樣方式監(jiān)視直流-到-直流轉(zhuǎn)換器。一旦失效，監(jiān)測器會發(fā)出失效信號，對用戶邏輯的狀態(tài)位設置，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。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，檢測出來。











內(nèi)部診斷：現(xiàn)場側(cè)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(gòu)成，每個電路的微處理器通過驅(qū)動它的模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器、再經(jīng)過隔離器得到輸入值。另外，當進行診斷時，微處理器還驅(qū)動它的數(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，判斷內(nèi)部是否失效。
◎長期間的自檢。使用每個通道的健康狀態(tài)來核實內(nèi)部是否失效。


現(xiàn)場電源監(jiān)督：沒有電源監(jiān)督，這個功能由模擬量－數(shù)字量轉(zhuǎn)換器檢測期間，對模擬量－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實現(xiàn)。