SIS系统三重化与四重化的区别分析(从PLC角度分析).doc
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1、SIS系统三重化与四重化的区别分析(从PLC角度分析)常用安全PLC 的结构和性能【摘要】本文介绍了几种常见的安全PLC的结构和性能,然后对各种安全PLC的特性进行了归纳和总结。【关键词】安全PLC N选X系统 三重冗余 四重冗余 Abstract: The article analyses several popular safety PLCs architecture and performance. Finally, summarize their features.Key word: Safety PLC XooN TMR QMR 近几十年来,多起工业事故发生的原因可以追溯到计算机系统
2、的失效,引起了人员伤亡、设备损坏和环境污染。这些信息也唤醒了国家和公众对减少危险、建立安全工业流程的意识。为此,IEC制定了新的安全国际标准:IEC 61508/ 61511,也已经由工业组织合作制定完成,我国的相关标准也即将颁布。 为了帮助读者了解目前安全仪表系统(SIS)使用安全PLC实现电气/电子/可编程电子系统(E/E/PES)功能的情况,就常见的几种安全系统结构进行探讨,希望能对今后的系统选择有所借鉴和参考。1PLC 是一个逻辑解算器 一个安全系统的逻辑解算器是一种特殊类型的PLC,它具有独立的安全功能认证,但也有继电器逻辑或者固态逻辑的运算能力。逻辑解算器从传感器读入信号,执行事先
3、编制好的程序或者事先设计好的功能,用于防止或者减轻潜在的安全隐患,然后通过发送信号到执行器或最终元件采取行动。 逻辑解算器的设计有很多种,来满足不同的市场需求、应用和任务。我们下面将就比较典型的安全PLC的结构进行探讨。 2安全 PLC 的体系结构 当你构建一个安全系统时,可以有很多方式来安排安全系统部件。 有些安排考虑的是对成功操作有效性的最大化。(可靠性或可用性)。有些安排考虑的是防止特殊失效的发生(失效安全,失效危险)。 控制系统部件的不同安排可以从它们的体系结构中看出来。这节内容将介绍市场上几款常见的可编程电子系统(PES)的体系结构,了解它们的安全特性,以及在安全和关键控制的应用。它
4、们是已经在实践中存在的多种结构的代表, 真正现场使用的系统就是这些结构的不同组合。 下面的内容将用N选X (比如 2选 1) 的方式:XooN 来介绍系统。在每个类型中, X 代表需要执行安全功能的通道数,而 N 代表整个可用的通道数。. 2.11oo1 单通道系统 单控制器带有单个逻辑解算器和单个I/O 代表了一个最小化的系统,见下图 (图1)。这个系统没有提供冗余,也没有失效模式保护。电子电路可以失效安全(输出断电,回路开路) 或者失效危险(输出粘连或给电,短路)。这种安排方式是典型的非安全常规PLC系统结构。 图1:1oo1 结构 安全PLC的输入和常规PLC的输入接法也有区别,常规PL
5、C的输入通常接传感器的常开接点,而安全PLC的输入通常接传感器的常闭接点,用于提高输入信号的快速性和可靠性。有些安全PLC输入还具有“三态”功能,即“常开”、“常闭”和“断线”三个状态,而且通过“断线”来诊断输入传感器的回路是否断路,提高了输入信号的可靠性。 另外,有些安全PLC的输出和常规的PLC的输出也有区别。常规PLC输出信号之后,就和PLC本身失去了关联,也就是说输出后,比如说“接通”外部继电器,继电器本身最后到底通没通,PLC并不知道,这是因为没有外部设备的反馈所致。安全PLC具有所谓“线路检测”功能,即周期性的对输出回路发送短脉冲信号(毫秒级,并不让用电器导通)来检测回路是否断线,
6、从而提高了输出信号的可靠性。 2.21oo2 双通道系统 两个控制器并行处理和连线可以把单个PLC危险失效的影响降到最低 为了可靠断开系统,两个输出电路采用串行连接,以防止任何一个控制器在危险的方式下失效,造成系统失效危险。 1oo2 结构(图2)常用于两个独立逻辑解算器、并各自带有自己独立 I/O的场合。系统提供了较低的失效可能性,但它增加了失效安全断路的可能性。失效安全断开率的增加,有助于提高流程系统的停车和机器系统的停机能力。 图2:1oo2 结构 这种结构的输入方式有两种:一种为一个传感器接到两个输入点上(可以使用同一个模块的两个点,也可以使用两个模块的两个点,厂商推荐用户最好采用不同
7、机架上的两个不同模块的两个点);一种为两个传感器或者一个传感器的两个接点接到两个输入点,这样可以进一步提高输入信号的可靠性(传感器冗余)。 图中的结构为两个彼此独立的系统,在输出之前并没有对输入信号和运算结果进行表决,而有些系统对输入信号和逻辑结果要进行表决,然后输出。1oo2系统的表决机制也非常特别。当两个输入都为“0”或“1”信号时,自然没有问题。但如果出现一个为“0”、而一个为“1”,系统如何表决呢?答案是:取安全的值做为表决的结果!那么何谓安全值?答案是:要根据具体的应用进行设置。如果“0”为安全值,那么出现一个“0”和一个“1”时,就选择“0”,相当进行了一次3选2的表决。 下面再谈
8、谈输出的接线方式问题。一般来说也有两种接法,被称为:安全接法和冗余接法。所谓安全接法指得是:输出的两个通道进行串联后再接执行器,逻辑关系为“与”,也就是说:一个通道为“0”,负载就不得电,这样可以确保系统的安全性。所谓冗余接法指得是:输出的两个通道进行并联后再接执行器,逻辑关系为“或”,也就是说:一个通道为“1”,负载就可以获电,这样可以提高系统的容错能力。至于采用哪种接线要根据应用的要求来决定。如果是安全性系统,建议采用安全接法。如果是高可用性系统,建议采用冗余接法。 2.31oo1D 双通道系统 这种结构使用一个带有诊断能力的单一控制器通道,和第二个诊断通道利用串行连接构成输出回路。典型的
9、 1oo1D 结构见图3。1oo1D的“D”意思是诊断的含义,所以被称为一选一诊断系统,功能相当于一种二选一系统。因为这种系统的造价相对低廉,所以这种系统在安全应用中扮演了重要的角色。这种 1oo1D 结构由一个单一逻辑解算器和一个外部的监视时钟而构成,定时器的输出与逻辑解算器的输出进行串联接线。 在更先进的系统中,内置诊断控制一个独立串联输出,当系统检测出失效时,它会强制系统处于断开状态。诊断功能把检测到的一个危险失效转变成一个安全失效。图3:1oo1D 结构 1oo2D 结构包含两个独立的电路通道。输出电路可以使用不同类型的双重开关。比如固态开关提供了常规的控制器输出,而另一个继电器由内部
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