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安全PLC與普通PLC的區(qū)別
安全PLC與普通PLC的區(qū)別
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(yīng)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(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
一臺安全PLC采用了特殊的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個重要目標(biāo)：
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(yù)測的范圍內(nèi)，一旦失效,，系統(tǒng)將進(jìn)入安全模式,。
在設(shè)計安全PLC時，要考慮到很多因素,，需要很多的特殊設(shè)計,。比如：一臺安全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(yùn)行,；一臺安全PLC還具有外加的安全機(jī)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(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證,，滿足苛刻的安全性和可靠性國際標(biāo)準(zhǔn),。必須*地采用系統(tǒng)方法，來設(shè)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(shè)計和測試過程的,、第三方獨(dú)立的確認(rèn)和驗證，
特殊的電子線路,，細(xì)致的診斷軟件分析,，再加上對所有可能失效進(jìn)行測試的完整性設(shè)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(dǎo)著設(shè)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(yīng)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(rèn)證過程的一個部分,。
嚴(yán)格的國際標(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)一步的分析和測試，細(xì)致地檢查操作系統(tǒng)的任務(wù)交互操作,。這種測試包括實時的交互操作,，比如多任務(wù)（當(dāng)使用時）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)在存儲器里進(jìn)行冗余存儲,，并且在使用前進(jìn)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(jìn)行故意破壞,，來檢查PLC的響應(yīng)是否運(yùn)行在預(yù)計的安全方式,。軟件的設(shè)計和測試帶有詳細(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(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(jìn)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(jìn)行比較，每個處理器有它自己獨(dú)立的停機(jī)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(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通常都有兩個處理器，同時進(jìn)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(diǎn)：
?◎兩個可執(zhí)行碼獨(dú)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(jī)失效,。
?◎兩個獨(dú)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(jī)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(jìn)行診斷和檢測。這種檢測有的是通過自身信息進(jìn)行的,，稱為自檢,；還有的通過對方的信息進(jìn)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(yùn)行,。如果在一個確定的周期里，檢測到對方?jīng)]有運(yùn)行,，CPU就會進(jìn)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(jìn)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(hù),，周期性進(jìn)行檢測。在冷啟動時,，這些檢測重新進(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(shè)計更復(fù)雜,。當(dāng)然,，檢測和診斷的范圍也更廣范,，更細(xì)致。
2．4安全PLCI/O診斷概述
上面我們對安全PLC的CPU的情況進(jìn)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(xiàn)/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,，
還有,，安全PLC要對安全CPU和安全I(xiàn)/O之間的通信進(jìn)行診斷，比如使用CRC校驗,。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(kuò)展的自檢程序,，如果測試出現(xiàn)錯誤，模塊被認(rèn)為不健康,，輸入輸出全部置為0,。
運(yùn)行時的診斷：在系統(tǒng)運(yùn)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(guān)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(yīng)該工作,，所以I/O模塊必須對來自背板的電源電壓進(jìn)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(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，并且停止兩個處理器運(yùn)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(hù)。
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(yùn)行時,，當(dāng)一個現(xiàn)場的輸入電源電壓達(dá)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(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(dú)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(dāng)進(jìn)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(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,，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),。
2．6安全PLC的安全數(shù)字量輸入模塊
內(nèi)部診斷：每個輸入通道使用一個公共輸入電路和2個獨(dú)立獲取鏈路,，每個微處理器驅(qū)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,，微處理器還驅(qū)動一個數(shù)字輸入還原器（DID）,，再驅(qū)動診斷功能塊進(jìn)行診斷，實現(xiàn)還原數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)的同步比較,。
輸入通道錯誤檢測：數(shù)字量輸入監(jiān)視現(xiàn)場側(cè)電源,，利用外部接線來進(jìn)行漏電流的檢測，最小的漏電流是1mA,，如果沒有漏電流,，就代表外部電路出現(xiàn)開路故障，在干接點(diǎn)的情況下,，在接點(diǎn)兩端并聯(lián)一個10k?的上拉電阻,，用于外部線路的斷線檢測。每個輸入電路都配置了開關(guān),，周期地強(qiáng)制為1或0,，用于檢測電路是否健康。每個輸入電路獨(dú)立進(jìn)行檢測,，如果發(fā)現(xiàn)問題就對診斷位置1,，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(nèi)部診斷：為了檢查開關(guān)是否能夠斷開與閉合,，要在輸出模塊（在模塊內(nèi)部電路,，插入周期性的診斷循環(huán)）進(jìn)行一個脈沖測試。
診斷序列包括：
?◎更改開關(guān)命令,，這個時間非常短,，不會影響執(zhí)行器，最大不超過1ms,；
?◎核實測試結(jié)果,，并且
?◎恢復(fù)正確的開關(guān)命令。
電源監(jiān)視：每個輸出電路包括兩個串聯(lián)的開關(guān),，有兩個處理器分別進(jìn)行控制,。