自控系統的安全管理

發表時間:2018-01-19 09:26:37    閱讀次數:3961

    摘要:本文介紹了如何把安全管理的理念、方法和工作流程運用到自動控制系統的設計和維護中,以提高自動控制系統的運行可靠性,降低生產安全事故的發生概率。
  關鍵詞:安全管理;PLC;可靠性;預測性維護

   1 概述

  安全管理是為實現安全生產而組織和使用人力、物力和財力等各種物質資源的過程。它利用計劃、組織、指揮、協調、控制等管理機能,控制來自自然界的、機械的、物質的不安全因素及人的不安全行為,避免發生傷亡事故,保證職工的生命安全和健康,保證生產順利進行。
  安全管理自控系統的應用就是把安全管理的理念、方法和工作流程滲透到自動控制系統的設計和維護中,通過完善,提高自動控制系統的運行可靠性,降低生產安全事故的發生幾率。
  自動控制系統實現的安全管理功能主要有:
  1、 自動檢測設備運行前的狀態,只有滿足安全條件,設備才能運行。
  2、 當機器設備本身出現危險,或由于人為原因而導致危險時,系統立即做出反應并輸出正確信號,使機器安全停車,以阻止危險的發生或事故的擴散。
  3、 實現機械人旁站功能,通過分析設備狀態變化趨勢,進行預報警和預測性維護提醒。
  4、 詳細記錄設備的狀態信息,供事故分析使用。

    2 使用工業安全控制設備進行自動控制系統建設

  要實現自動控制系統的安全管理功能,首先要保障系統的核心運行可靠。對生產運行安全性要求高的行業,如生產制造行業,應該使用安全控制設備進行自動控制系統的建設。安全控制設備包括了安全繼電器、安全PLC、安全檢測元件和安全控制線路。
  要使設備達到相應的安全等級就離不開必要的安全檢測元件和安全線路,常見的安全檢測元件有急停按鈕、雙手按鈕、安全門開關、安全光柵、安全地毯等。這些設備通過線路(一般是雙回路)連接到安全控制的核心,此核心不能使用普通的PLC,因為它不具備安全功能[3],而需要使用安全PLC。
  安全PLC具有獨立的安全功能認證,但也有繼電器邏輯或者固態邏輯的運算能力。安全PLC從傳感器讀入信號,執行事先編制好的程序或者事先設計好的功能,用于防止或者減輕潛在的安全隱患,然后通過發送信號到執行器或最終元件采取行動。
  常規PLC內部CPU的數量有一個或多個,用戶的程序通常就進行一次處理,多個CPU之間協作處理。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行一次,然后再把兩個結果放在一起進行比較,如果比較的結果是一致的,就輸出這個結果,如果是不一致的,選擇設定的安全結果輸出。安全PLC與常規PLC第一個不同是“冗余+比較”。安全PLC與常規PLC第二個的不同是“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。安全PLC的診斷和檢測比常規的PLC的檢測要多很多,硬件和軟件的設計更復雜。檢測和診斷的范圍也更廣范,更細致。
  常規PLC的輸入通常接傳感器的常開接點,而安全PLC的輸入通常接傳感器的常閉接點,用于提高輸入信號的快速性和可靠性。有些安全PLC輸入還具有"三態"功能,即"常開"、"常閉"和"斷線"三個狀態,而且通過"斷線"來診斷輸入傳感器的回路是否斷路,提高了輸入信號的可靠性。常規PLC輸出信號之后,就和PLC本身失去了關聯,如說"接通"外部繼電器,繼電器本身最后到底通沒通,PLC并不知道,這是因為沒有外部設備的反饋所致。安全PLC具有所謂"線路檢測"功能,即周期性的對輸出回路發送短脈沖信號(毫秒級,并不讓用電器導通)來檢測回路是否斷線,從而提高了輸出信號的可靠性。
  為達到安全控制的目的,安全控制系統能實現以下功能:
  a) 線路通斷檢測和防止短路功能。安全PLC系統應有線路通斷檢測和防止短路功能,使用雙回路的輸出控制,保證設備運行在預期狀態或防止在不滿足條件下運行。
  b) 確保強制斷開。安全回路能保證在不滿足條件的情況下強制斷開,以防止危險和事故擴散。
  c) 危險區域設定。通過安全門鎖、安全地毯和安全光柵行程指定的安全區域,一旦進入安全門或踏上安全地墊或穿越光柵,在安全控制的作用下設備能夠強制停機,保證生產人員的安全。
  d) 冗余功能。安全PLC和安全總線都具有冗余功能,確保在外界干擾下的安全性能不受影響。
  安全PLC的設計、制造和安裝的要求標準是非常高的。在項目的建設中,不能忽略這些標準,或者按低于這些高標準的方法執行。從職業和社會的角度來看,不按標準建設是靠不住的、不負責任的。


圖一 安全PLC和安全光柵   

    3 對現有的自動控制系統進行安全完善的建議

  使用安全PLC安全性能高,但投資大,安裝的要求標準也高的,在普通行業較難推廣使用。因此,我依照安全理念和安全PLC的設計思想,提出以下的安全完善的建議。
  3.1 多種措施并舉,提高自動控制系統運行的可靠性。
  (1)采用分散和集中控制的系統架構。自動控制系統架構分為3層:信息層、控制層、設備層,各層間用總線方式進行通訊。信息層主要是工程師站和服務器等,進行信息的展示和數據儲存。控制層由大型PLC和專用的工業總線組成,負責生產數據的采集。設備層由多個小型PLC、變頻器、智能儀表、智能機械等組成,進行設備運行的控制。三層各自獨立,分擔相應職責,其中一層設備維修或故障時并不影響其他層設備的運行及穩定,盡可能的減少故障的擴散范圍。
  (2)實行雙通道系統。參照安全PLC的“冗余+比較”方式,我們可以利用控制層和設備層的PLC控制器實現兩路的“冗余+比較”,提高控制的可靠性。根據安全關注點的不同,采取不同的輸入、輸出和功能分配方式,可以實現成功操作有效性的最大化(可靠性或可用性),或防止特殊失效的發生(失效安全,失效危險)。輸出的接線有兩種接法,稱為冗余接法和安全接法。冗余接法指得是:輸出的兩個通道進行并聯后再接執行器,邏輯關系為"或",也就是說:一個通道為"1",負載就可以獲電,這樣可以提高系統的容錯能力,實現成功操作有效性的最大化。安全接法指得是:輸出的兩個通道進行串聯后再接執行器,邏輯關系為"與",也就是說:一個通道為"0",負載就不得電,這樣可以確保系統的安全性,防止特殊失效的發生。
(3)如果是安全性系統,建議采用安全接法。兩個控制器并行處理和物理連線把單個PLC危險失效的影響降到最低。系統提供了較低的失效可能性,增加了失效安全斷路的可能性。失效安全斷開率的增加,有助于提高流程系統的停車和機器系統的停機能力。


                                         

                                                       圖二 安全接法示意圖
    (4)總線網絡采用冗余結構,提高網絡數據傳輸的可靠性。現時較成熟的冗余網絡有工業以太網和ControlNet控制網。ControlNet網絡是一種高速確定性網絡,用于對時間有苛刻要求的應用場合的信息傳輸。它為對等通信提供實時控制和報文傳送服務,它作為控制器和I/O設備之間的一條高速通信鏈路,綜合了現有的各種網絡的能力。
  (5)加強通訊網絡防雷工作,在室外遠距離的網絡線路盡可能改造為光纖網絡。網絡的兩端都要安裝信號防雷器,并保證良好接地。
  (6)PLC的輸出輸入都加裝電氣隔離元件,如中間繼電器,防止外部干擾或沖擊信號串入控制器的輸入、輸出端口,引起控制器保護動作甚至損壞控制器。
  3.2 充分考慮安全管理的需求。
  在系統建設和改造的需求調研時要充分咨詢安全管理員的需求建議,把生產安全需要放在首位。要高質量地完成以工作:①按照安全管理的要求配置相應的安全檢測裝置,如急停按鈕、雙手按鈕、安全門開關、安全光柵、安全地墊等。②從生產安全的角度考慮設備控制所采取的控制方式,如是否需要兩路控制、選擇事故時即時停轉或是保證設備運行等。③按照安全管理的流程進行安全管理控制程序的編寫。④在控制程序中加強設備運行的互鎖、運行準備和停機允許的條件檢測的功能模塊。
  3.3 實現預測性維護。
  安全管理要從過去的事后檢驗把關為主,變為預防、改進為主,從管結果變為管因素,把影響安全問題的諸因素查出來。設備和自動控制系統的維護也要從過去的故障維護或定期維護為主,變為預測性維護。通過自動控制系統對在線運行設備狀態的監視、運行數據采集和分析,提出在線運行的設備是否要進行必要維護的建議。預測性維護最主要的效果是提高操作與維護人員的工作效率,也提高了設備的可靠性和生產的安全性。預測性維護的可預測性使問題在故障之前得到解決,而并非之后,和安全理念相符合的。

參考文獻:
  [1] 羅克韋爾公司. ControlNet系統概述[M]. Publication CNET-SO001A-ZH June 2003
  [2] 喬燦. 工業安全的計劃與期待. 今日自動化[J] 2009-5
  [3] 劉博. 安全繼電器及安全PLC在機床行業的應用. 今日自動化[J] 2009-5
  [3] 喬燦. 預測性維護-讓儀表維護恰到好處. 今日自動化[J] 2009-11
  [4] 喬燦. 預測性維護提高工廠穩定性. 今日自動化[J] 2009-11



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