常用安全PLC的结构和性能.docx

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1、常用平安PLC的结构和性能【摘要】本文介绍了儿种常见的平安PLC的结构和性能，然后对各种平安PLC的特性进行了归纳和总结。Abstract: The article analyses several popular safety PLC,s architecture andperformance. 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缘由可以追溯到计算机系统的失效，引起了人员伤亡、设施损坏和环境污染。这些信息也唤醒了我国和公众对削减危急、建立平安工业流程的意识。为此，

2、IEC制定了新的平安国际标准：IEC 61508/61511,也已经由工业组织合作制定完成，我们我国的相关标准也即将颁布。为了关心读者了解目前平安仪表系统（SIS）使用平安PLC实现电气/电子/可编程电子系统（E/E/PES）功能的状况，就常见的几种平安系统结构进行研讨，盼望能对今后的系统选择有所借鉴和参考。1 . PLC是一个规律解算器一个平安系统的规律解算器是一种特殊类型的PLC,它具有独立的平安功能认证，但也有继电器规律或者固态规律的运算力量。规律解算器从传感器读入信号，执行事先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平安隐患，然后通过发送信号到执行器或最终元件实行行动。

3、规律解算器的设计有许多种，来满意不同的市场需求、应用和任务。我们下面将就比较典型的平安PLC的结构进行研讨。2 .平安PLC的体系结构当你构建一个平安系统时，可以有许多方式来支配平安系统部件。有些支配考虑的是对胜利操作有效性的最大化。（牢靠性或可用性）。有些支配考虑的是防止特殊失效的发生（失效平安，失效危急）。掌握系统部件的不同支配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曳壬系统（PES）的体系结构，了解它们的平安特性,以及在平安和关键掌握的应用。它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

4、：XooN来介绍系统。在每个类型中，X代表需要执行平安功能的通道数，而N代表整个可用的通道数。.2.1. 1oo1单通道系统单掌握器带有单个规律解算器和单个I/O代表了一个最小化的系统，见下图（图1）。这个系统没有供应冗余，也没有失效模式爱护。电子电路可以失效平安（输出断电，回路开路）或者失效危急（输出粘连或给电,短路）。这种支配方式是典型的非平安一常规PLC系统结构。IP地址:121.8.245.13图1： 1oo1结构平安PLC的输入和常规PLC的输入接法也有区分，常规PLC的输入通常接传感器的常开接点，而平安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牢靠性。有些平安P

5、LC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，提高了输入信号的牢靠性。止匕外，有些平安PLC的输出和常规的PLC的输出也有区分。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，继电器本身最终究竟通没通,PLC并不知道，这是由于没有外部设施的反馈所致。平安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，从而提高了输出信号的牢靠性。2.2. 1oo2双通道系统两个掌握器并行处理和连线可以把单个PLC危急失效的影响降到最低

6、为了牢靠断开系统，两个输出电路采纳串行连接，以防止任何一个掌握器在危急的方式下失效，造成系统失效危急。1oo2结构（图2）常用于两个独立规律解算器、并各自带有自己独立I/O的场合。系统供应了较低的失效可能性，但它增加了失效平安断路的可能性。失效平安断开率的增加，有助于提高流程系统的停车和机器系统的停机力量。IP地址:121.8.245.13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，厂商推举用户最好采纳不同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

7、一步提高输入信号的牢靠性（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规律结果要进行表决，然后输出。1oo2系统的表决机制也特别特殊。当两个输入都为“0”或“1”信号时，自然没有问题。但假如消失一个为“0”、而一个为“1，系统如何表决呢？答案是：取平安的值做为表决的结果！那么何谓平安值？答案是：要依据详细的应用进行设置。假如“0”为平安值，那么消失一个0”和一个“1”时，就选择“0”，相当进行了一次3选2的表决。下面再谈谈输出的接线方式问题。一般来说也有两种接法，被称为：平安接法和冗余接法。所谓平安接法指得是：输出的两个通道

8、进行串联后再接执行器,规律关系为“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平安性。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，规律关系为“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力量。至于采纳哪种接线要依据应用的要求来打算。假如是平安性系统，建议采纳平安接法。假如是高可用性系统，建议采纳冗余接法。2.3. 1oo1D双通道系统这种结构使用一个带有诊断力量的单一掌握器通道，和其次个诊断通道采用串行连接构成输出回路。典型的1oo1D结构见图3。11D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。由

9、于这种系统的造价相对低廉，所以这种系统在平安应用中扮演了重要的角色。这种1oo1D结构由一个单一规律解算器和一个外部的监视时钟而构成，定时器的输出与规律解算器的输出进行串联接线。在更先进的系统中，内置诊断掌握一个独立串联输出，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急失效转变成一个平安失效。IP地址:121.8.245.13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。比如冏态开关供应了常规的掌握器输出，而另一个继电器由内部诊断掌握,供应了其次个常开接点开关。假如在输出通道检测到一个潜在的危急失效，继电番触点就会断

10、开，使输出回路断电，确保执行器处于平安状态。双重电路通道可以使用不同类型的触点实现1oo1D结构，比如两个常开点，或者一个常开点加一个常闭点等。后缀“D”反映了系统在每个通道中，具有更广泛和更细致的自诊断力量。其次个停机路径，就是由这个自诊断系统，运用高级的“依据参考”的方法进行系统诊断。下面是标准的1oo1D结构的特性： 单一掌握器; 单一 I/O子系统，带有爱护输出和“失效接通”和“失效断开”的诊断输出选择； 冗余电源； 冗余通信总线； 诊断率99.5%。2.4. 2oo3三通道系统假如在一些掌握系统的应用中,根本不允许失效模式的消失，那么三选二系统是一种最牢靠的选择。当要防止两种失效模式

11、的消失时，系统的结构变的特别简单。一种既可以容忍，平安，失效，又可以容忍“危急”失效的结构设计就是三选二结构（三个单元中选择两个相同的结果用于平安功能，图4） o这种带有三个掌握器单元的结构供应了即有平安性又有高可用性的系统。这种系统被称为TMR （三重模块冗余）系统。每个掌握器单元的输出通道带有两个输出点。把三个掌握器各自的两个输出点连接成“表决”电路，用表决的结果来打算真正的输出信号。输出的结果取决于“多数”的意见。当一条电路中有两个输出点接通时，输出负载将被激活。当一条电路中有两个输出点断开时，输出负载将被断电。IP地址:121.8.245.13图4： 2oo3结构在上图的输出接线中，没

12、有直接把三个输出的接点简洁地串联后，接到执行器。假如这样接的话，那就是纯粹的平安接法，而不考虑容错问题了。图中采纳的是:两两输出接点先进行串联一平安接法，然后把三种可能的串联组合再并联起来一冗余接法。所以把这种系统称为：兼顾了平安性和高可用性的系统。一个TMR系统通常由三个同样的CPU组成，通常运行同一个应用程序（特殊状况下，有些系统有意要运行不同的应用程序，这里暂且不争论）。每个CPU连接到同样的输入和输出子系统。每个CPU接受全部的输出并执行表决,打算:开关量输入和选择中间量的模拟量输入。每个输入可以是一个传感器、两个传感器或者三个传感器,这取决于应用的要求。每个扫描周期，每个输入设施往C

13、PU传送一次数据，由于传感器是广播方式传送输入数据，所以同样的输入传给全部的CPo每个CPU接收了表决输入数据以后，再执行应用程序。每个CPU是各自独立地、非同步地运行，并且不共享它们的输入/输出数据，从而避开了一个CPU的错误数据影响其他CPU的数据存储器。每个CPU执行相同的应用程序，处理输入数据，然后建立新的输出数据。通过输出模块和现场表决接线，把输出数据传送至输出设施。保证一个TMR系统可以正常运行的另一个重要内容是TMR软件。TMR软件供应系统配置工具和系统软件功能。还有专为TMR应用预备的文件夹，TMR系统软件掌握输入表决、特殊的TMR存储器映射、诊断信息、周期性自检、和PLC子系

14、统的其他操作特性。2.5. 1oo2D带诊断的双通道系统1oo2D结构有两重的1oo1D系统，并联接线，并有额外的掌握线路，供应了 1oo2平安功能。图5表示了 1oo2D的结构。1oo2D设计成既能容忍平安失效，又能容忍危急失效的系统。基于诊断和结合2。02的可用性与1oo2的平安性的执行,它可以有效的进行自我重新配置。这种结构特别依靠诊断，因此不同厂商在详细实现时，有不同的解决方案。现在,这种结构取代了许多2oo3系统，由于它降低了系统成本，并且在平安性和可用性的性能相差无几。盗图IP地址:1218245.13图5： 1oo2D结构1oo2D结构供应了完全的系统容错，与11D系统供应了相同

15、的基本特性，但增加了掌握器和I/O系统的全部冗余。1oo2D结构供应了最高级别的平安性和可用性。为了实现全部的容错，把基于1oo1D的结构进行并联，1oo2D也被称为“四重化”结构。在检测到第一个关键失效时，系统会走向（降级）1oo1D模式,但不停机。这时可以对系统进行在线维护，直到系统恢复成12D结构。12D结构削减了硬件的数量，特殊是相对于标准的TMR系统，同时供应了一个并行的带有爱护的输出。系统的一方面在线诊断关键失效（输入/处理器/输出），另一方面维持掌握和系统有效状态。这种结构的性能在平安牢靠性和可用性两方面，都要优于常规的双PLC和TMR系统。这种结构还有规避外部公共因素影响的优点。不像其他平安系统，有些1oo2D结构的两边能够安装在不同机柜内的不同机架上，使系统暴露于恶劣现场环境的可能性最小化，削减比如机柜温度或者其他物理参数对系统的影响。2.6. 2oo4D四重化系统为了在系统消失问题后，系统可以降级到12D的系统连续运行，一些厂商在市场上