解決選擇合適安全控制器的復雜性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

工業系統中的安全是一個關鍵而復雜的主題，因此為給定應用指定最佳安全控制器具有挑戰性。其中考慮因素包括與安全控制器相關的眾多國際標準的適用性，如國際電工委員會 （IEC） 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和國際標準組織 （ISO） 13849-1。

此外，還有多種通信協議可供選擇，例如Safety over EtherCAT，也稱為FailSafe over EtherCAT （FSoE），它結合了控制和安全功能。還有 Ethernet/IP、PROFIsafe 和 Modbus/TCP 工業以太網通信協議。此外，還可以選擇獨立或集成解決方案。一些平臺具有安全級和非安全級輸出的各種組合，一些平臺具有固定功能，而另一些平臺則可重新配置和擴展。

本文簡要回顧了國際安全標準及其適用性。它還研究了各種通信協議的用途，然后深入研究了從桌面裝配站到整個工廠的用例，用于固定功能、可重新配置和可擴展模型等安全控制器類型。本文介紹了使用邦納工程、菲尼克斯電氣、施耐德電氣和[歐姆龍自動化產品的具體示例。

標準

電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全（E/E/PE 或 E/E/PES）或 IEC 61508 是適用于所有行業的基本功能安全標準。它包括應用、設計、部署和維護自動保護系統（稱為安全相關系統）的方法。它基于這樣一種理念，即任何與安全相關的系統都必須以本質上安全的方式發生故障。為了衡量功能安全設計的有效性，該標準定義了從 1 到 4 的安全完整性等級 （SIL），其中 SIL4 表示最高級別的風險降低，SIL1 表示最低級別。SIL的概念也適用于其他安全標準，但SIL的數量及其定義可能因操作環境的需要而異。

有許多基于 IEC 61508 的安全標準。與安全控制器相關的一些標準包括：

IEC 60947-5-1：2016，低壓開關設備和控制設備 - 第 5-1 部分：控制電路設備和開關元件 - 機電控制電路設備，適用于特定類型的設備，包括：

• 手動控制開關，如按鈕、腳踏開關、旋轉開關等
• 電磁操作的控制開關，如延時或瞬時的繼電器或接觸器
• 機器中包含的限位開關
• 先導開關，如溫度開關或壓敏開關

IEC 62061：2021，機械安全 - 安全相關控制系統的功能安全是 IEC 61508 的機械相關版本。它規定了設計、集成和驗證安全相關控制系統的要求。它適用于單獨或組合使用以實現機器安全功能的機械相關安全控制系統、子系統和安全相關設備的系統級設計。

IEC 61810-3：2015，具有強制引導（機械連接）觸點的繼電器，是安全控制器的另一個重要標準。它描述了具有強制引導觸點（也稱為機械連接觸點）的基本繼電器的特殊要求和測試。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。力導向繼電器是許多安全繼電器模塊的基本組件。在 A 類安全繼電器中，所有觸點都是強制引導的。該標準要求，如果常開 （NO） 觸點被焊接，則當線圈未通電時，所有常閉 （NC） 觸點必須保持 0.5 mm 的最小開口（圖 1）。

圖 1：如果 NO（或 NC）觸點焊接，則當線圈未通電時，所有 NC（或 NO）觸點必須保持 0.5 mm 的最小距離。（圖片來源：Omron Automation）

ISO 13849-1：2023，機械安全控制系統的安全相關部分，包括設計和集成控制系統安全相關部分 （SRP/CS） 及其子系統的指南，包括防護或聯鎖功能等機械措施，以及相關軟件。它適用于高要求和連續運行模式下使用的電氣、液壓、氣動和機械 SRP/CS。

回到IEC 61508，該標準還定義了安全相關通信的“黑色通道”。

黑色通道和通信協議

IEC 61508 僅提供了黑色通道的一般定義，并參考了現場總線應用的 IEC 61784-3 和鐵路信號的 IEC 62280 等標準。黑通道通信的概念源自術語“黑匣子”。在黑信道通信中，網絡是黑匣子，純粹用作傳輸介質;通道是不安全的，安全由應用軟件中的專用安全層負責。

黑色通道可以在任何標準網絡上實現，例如以太網的各種實現，例如PROFIsafe或無線局域網（WLAN）技術。在黑通道應用中，假設主通信通道不夠安全，無法進行與安全相關的通信，因此添加了一個額外的安全層來識別和消除任何通信錯誤（圖 2）。

圖 2：PROFIsafe 可用于實現黑通道通信的安全層。（圖片來源：Phoenix Contact）

除了PROFIsafe之外，黑色通道還可以與其他協議一起實現，如通用工業協議安全（CIP安全）和FSoE。這些協議符合 IEC 61784-3：2021 標準，包括解決及時性、真實性、偽裝和數據完整性錯誤的增強功能。

桌面安全

安全問題不僅限于大型或功能強大的機器;桌面裝配站可能需要安全系統。在一種情況下，半自動桌面裝配站用于制造電子元件。每個工位都有一個帶非接觸式安全開關的重型安全門、零件進給處的安全光幕和一個緊急停止按鈕，以保護操作員免受半自動設備傷害。單功能安全繼電器控制器可用于小型機器，例如臺式裝配站，以連接安全裝置和機器，以提供安全的啟動和停止功能。

在本例中，Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器 SC10-2ROE型號安裝在每個桌面裝配站的機柜中（圖 3）。該安全控制器將多個安全繼電器模塊的功能組合到一個設備中，簡化了接線并減少了安裝所需的空間。除了支持小型機器的安全外，這些控制器還非常適合在擁擠的控制柜中使用。即使是像SC10系列這樣的小型安全控制器，也可以具有廣泛的功能：

• 串聯診斷 （ISD） 可以連接多達 70 個安全設備。ISD 提供可通過人機界面 （HMI）、PLC 或類似設備訪問的每個安全設備的詳細狀態和性能數據，使用戶能夠對機器安全系統進行故障排除、防止故障并減少停機時間。
• 基于圖標的拖放式編程在 PC 上運行，簡化了設置和設備管理。
• 外部存儲卡可用于配置設備，而無需連接到 PC，從而加快配置更改速度。
• 10 個輸入，其中 4 個可設置為非安全輸出。自動終端優化 （ATO） 功能可用于將輸入總數增加到 14 個。
• 兩個 6 A 安全繼電器輸出帶有三組 NO 獨立控制觸點。
• 能夠執行兩種功能停止類型：
  • 類別 0 是不受控制的停止，立即斷電。
  • 類別 1 是在斷電前延遲的受控停止。在機器需要制動機構動力的情況下，延遲停止可能會有所幫助。
• 支持 Ethernet/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協議。

跨生產線的可擴展安全性

在桌面裝配的復雜性范圍的另一端，集成安全可以在整個工廠的裝配線中實現。例如，Omron Automation 的 [Sysmac NX102 控制器]集成了多種開放式工業協議，如以太網 I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。[NX102-1020]型自動化控制器包括三個通信端口，它可以將高速安全集成到需要快速循環時間的生產線中的機器控制中。此外，Omron 的 [NX 集成安全控制器]通過了 SIL3 認證，并具有 FSoE 連接功能。NX-SL5 控制器（如 NX-SL5500 型號）可以同時通過 EtherCAT 和 Ethernet/IP 上的 CIP Safety 進行 FSoE 通信，從而支持涉及高速同步運動、機器對機器控制或利用 CIP Safety 與遠程設備通信的應用（圖 4）。

圖 4：Omron 的 NX 集成安全控制器可以同時通信 FSoE 和 CIP 安全，從而在裝配線上實現集成安全。（圖片來源：Omron Automation）

可配置和擴展

當環境需要可配置和可擴展的安全解決方案時，菲尼克斯電氣提供PSRmodulal安全系統。該系統可以配置為只有三個安全功能的小型應用和具有多達 160 個 I/O 的大型系統。該系統包括各種安全功能，例如用于監控 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號的模擬模塊、用于接近開關運動監控的模塊以及各種類型的運動編碼器。安裝在安全繼電器模塊中的繼電器具有強制導向觸點（圖 5）。該系統可以實現一系列安全功能，包括：

• 電敏保護設備
• 緊急停止
• 監控安全門等可移動防護裝置
• 雙手控制裝置
• 零速監控和速度監控

PSR模塊化安全系統由幾個基本模塊組成，這些模塊具有核心功能，如[1104981]型，以及用于增強I/O和保護功能的擴展模塊，如[1104884]型。這些模塊可通過軟件進行配置，系統可通過PSR-TBUS DIN導軌連接進行擴展。

簡單到中等復雜度機器的安全性

施耐德電氣的 [Harmony 安全模塊]專為簡單到中等復雜度的機器而設計，例如用于食品和飲料加工、起重、物料搬運和包裝的機器。它們分為兩個系列（圖 6）：

• Harmony XPS Basic 為使用硬接線安全模塊的應用提供優化的解決方案。
• Harmony XPS Universal 將硬接線安全模塊的簡單應用與通常需要現場總線技術才能實現的各種信息相結合。

XPSBAT 基本安全模塊（如 [XPSBAT12A1AP]）用于監控急停電路，并提供 0 類和 1 類控制選項。類別 0 實現瞬時停止，而類別 1 實現延遲停止，延遲可在 0 到 15 分鐘（900 秒）之間調節。

XPSUAK 通用安全模塊（如 [XPSUAK12AP]型）也可以實現 0 類和 1 類關機。這些安全模塊可以與更廣泛的安全設備連接，包括：

• 急停電路
• 由機械防護開關和 RFID 安全開關等保護裝置激活的開關
• 光幕
• 4 線傳感墊

結論

在為工業系統選擇安全開關時，需要考慮廣泛的國際標準以及通信協議，包括黑通道通信。但這僅僅是個開始;有針對小型系統（如桌面裝配操作）優化的安全開關，適用于食品和飲料加工和物料搬運中的硬接線安裝，適用于需要可配置或可擴展解決方案的系統，以及經過優化以支持整個工廠的可擴展解決方案的設備。