解决选择合适安全控制器的复杂性

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

工业系统中的安全是一个关键而复杂的主题，因此为给定应用指定最佳安全控制器具有挑战性。其中考虑因素包括与安全控制器相关的众多国际标准的适用性，如国际电工委员会 （IEC） 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和国际标准组织 （ISO） 13849-1。

此外，还有多种通信协议可供选择，例如Safety over EtherCAT，也称为FailSafe over EtherCAT （FSoE），它结合了控制和安全功能。还有 Ethernet/IP、PROFIsafe 和 Modbus/TCP 工业以太网通信协议。此外，还可以选择独立或集成解决方案。一些平台具有安全级和非安全级输出的各种组合，一些平台具有固定功能，而另一些平台则可重新配置和扩展。

本文简要回顾了国际安全标准及其适用性。它还研究了各种通信协议的用途，然后深入研究了从桌面装配站到整个工厂的用例，用于固定功能、可重新配置和可扩展模型等安全控制器类型。本文介绍了使用邦纳工程、菲尼克斯电气、施耐德电气和[欧姆龙自动化产品的具体示例。

标准

电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全（E/E/PE 或 E/E/PES）或 IEC 61508 是适用于所有行业的基本功能安全标准。它包括应用、设计、部署和维护自动保护系统（称为安全相关系统）的方法。它基于这样一种理念，即任何与安全相关的系统都必须以本质上安全的方式发生故障。为了衡量功能安全设计的有效性，该标准定义了从 1 到 4 的安全完整性等级 （SIL），其中 SIL4 表示最高级别的风险降低，SIL1 表示最低级别。SIL的概念也适用于其他安全标准，但SIL的数量及其定义可能因操作环境的需要而异。

有许多基于 IEC 61508 的安全标准。与安全控制器相关的一些标准包括：

IEC 60947-5-1：2016，低压开关设备和控制设备 - 第 5-1 部分：控制电路设备和开关元件 - 机电控制电路设备，适用于特定类型的设备，包括：

• 手动控制开关，如按钮、脚踏开关、旋转开关等
• 电磁操作的控制开关，如延时或瞬时的继电器或接触器
• 机器中包含的限位开关
• 先导开关，如温度开关或压敏开关

IEC 62061：2021，机械安全 - 安全相关控制系统的功能安全是 IEC 61508 的机械相关版本。它规定了设计、集成和验证安全相关控制系统的要求。它适用于单独或组合使用以实现机器安全功能的机械相关安全控制系统、子系统和安全相关设备的系统级设计。

IEC 61810-3：2015，具有强制引导（机械连接）触点的继电器，是安全控制器的另一个重要标准。它描述了具有强制引导触点（也称为机械连接触点）的基本继电器的特殊要求和测试。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，这些特殊要求也适用。力导向继电器是许多安全继电器模块的基本组件。在 A 类安全继电器中，所有触点都是强制引导的。该标准要求，如果常开 （NO） 触点被焊接，则当线圈未通电时，所有常闭 （NC） 触点必须保持 0.5 mm 的最小开口（图 1）。

图 1：如果 NO（或 NC）触点焊接，则当线圈未通电时，所有 NC（或 NO）触点必须保持 0.5 mm 的最小距离。（图片来源：Omron Automation）

ISO 13849-1：2023，机械安全控制系统的安全相关部分，包括设计和集成控制系统安全相关部分 （SRP/CS） 及其子系统的指南，包括防护或联锁功能等机械措施，以及相关软件。它适用于高要求和连续运行模式下使用的电气、液压、气动和机械 SRP/CS。

回到IEC 61508，该标准还定义了安全相关通信的“黑色通道”。

黑色通道和通信协议

IEC 61508 仅提供了黑色通道的一般定义，并参考了现场总线应用的 IEC 61784-3 和铁路信号的 IEC 62280 等标准。黑通道通信的概念源自术语“黑匣子”。在黑信道通信中，网络是黑匣子，纯粹用作传输介质;通道是不安全的，安全由应用软件中的专用安全层负责。

黑色通道可以在任何标准网络上实现，例如以太网的各种实现，例如PROFIsafe或无线局域网（WLAN）技术。在黑通道应用中，假设主通信通道不够安全，无法进行与安全相关的通信，因此添加了一个额外的安全层来识别和消除任何通信错误（图 2）。

图 2：PROFIsafe 可用于实现黑通道通信的安全层。（图片来源：Phoenix Contact）

除了PROFIsafe之外，黑色通道还可以与其他协议一起实现，如通用工业协议安全（CIP安全）和FSoE。这些协议符合 IEC 61784-3：2021 标准，包括解决及时性、真实性、伪装和数据完整性错误的增强功能。

桌面安全

安全问题不仅限于大型或功能强大的机器;桌面装配站可能需要安全系统。在一种情况下，半自动桌面装配站用于制造电子元件。每个工位都有一个带非接触式安全开关的重型安全门、零件进给处的安全光幕和一个紧急停止按钮，以保护操作员免受半自动设备伤害。单功能安全继电器控制器可用于小型机器，例如台式装配站，以连接安全装置和机器，以提供安全的启动和停止功能。

在本例中，Banner Engineering 的 SC10 系列安全控制器 SC10-2ROE型号安装在每个桌面装配站的机柜中（图 3）。该安全控制器将多个安全继电器模块的功能组合到一个设备中，简化了接线并减少了安装所需的空间。除了支持小型机器的安全外，这些控制器还非常适合在拥挤的控制柜中使用。即使是像SC10系列这样的小型安全控制器，也可以具有广泛的功能：

• 串联诊断 （ISD） 可以连接多达 70 个安全设备。ISD 提供可通过人机界面 （HMI）、PLC 或类似设备访问的每个安全设备的详细状态和性能数据，使用户能够对机器安全系统进行故障排除、防止故障并减少停机时间。
• 基于图标的拖放式编程在 PC 上运行，简化了设置和设备管理。
• 外部存储卡可用于配置设备，而无需连接到 PC，从而加快配置更改速度。
• 10 个输入，其中 4 个可设置为非安全输出。自动终端优化 （ATO） 功能可用于将输入总数增加到 14 个。
• 两个 6 A 安全继电器输出带有三组 NO 独立控制触点。
• 能够执行两种功能停止类型：
  • 类别 0 是不受控制的停止，立即断电。
  • 类别 1 是在断电前延迟的受控停止。在机器需要制动机构动力的情况下，延迟停止可能会有所帮助。
• 支持 Ethernet/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信协议。

跨生产线的可扩展安全性

在桌面装配的复杂性范围的另一端，集成安全可以在整个工厂的装配线中实现。例如，Omron Automation 的 [Sysmac NX102 控制器]集成了多种开放式工业协议，如以太网 I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。[NX102-1020]型自动化控制器包括三个通信端口，它可以将高速安全集成到需要快速循环时间的生产线中的机器控制中。此外，Omron 的 [NX 集成安全控制器]通过了 SIL3 认证，并具有 FSoE 连接功能。NX-SL5 控制器（如 NX-SL5500 型号）可以同时通过 EtherCAT 和 Ethernet/IP 上的 CIP Safety 进行 FSoE 通信，从而支持涉及高速同步运动、机器对机器控制或利用 CIP Safety 与远程设备通信的应用（图 4）。

图 4：Omron 的 NX 集成安全控制器可以同时通信 FSoE 和 CIP 安全，从而在装配线上实现集成安全。（图片来源：Omron Automation）

可配置和扩展

当环境需要可配置和可扩展的安全解决方案时，菲尼克斯电气提供PSRmodulal安全系统。该系统可以配置为只有三个安全功能的小型应用和具有多达 160 个 I/O 的大型系统。该系统包括各种安全功能，例如用于监控 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信号的模拟模块、用于接近开关运动监控的模块以及各种类型的运动编码器。安装在安全继电器模块中的继电器具有强制导向触点（图 5）。该系统可以实现一系列安全功能，包括：

• 电敏保护设备
• 紧急停止
• 监控安全门等可移动防护装置
• 双手控制装置
• 零速监控和速度监控

PSR模块化安全系统由几个基本模块组成，这些模块具有核心功能，如[1104981]型，以及用于增强I/O和保护功能的扩展模块，如[1104884]型。这些模块可通过软件进行配置，系统可通过PSR-TBUS DIN导轨连接进行扩展。

简单到中等复杂度机器的安全性

施耐德电气的 [Harmony 安全模块]专为简单到中等复杂度的机器而设计，例如用于食品和饮料加工、起重、物料搬运和包装的机器。它们分为两个系列（图 6）：

• Harmony XPS Basic 为使用硬接线安全模块的应用提供优化的解决方案。
• Harmony XPS Universal 将硬接线安全模块的简单应用与通常需要现场总线技术才能实现的各种信息相结合。

XPSBAT 基本安全模块（如 [XPSBAT12A1AP]）用于监控急停电路，并提供 0 类和 1 类控制选项。类别 0 实现瞬时停止，而类别 1 实现延迟停止，延迟可在 0 到 15 分钟（900 秒）之间调节。

XPSUAK 通用安全模块（如 [XPSUAK12AP]型）也可以实现 0 类和 1 类关机。这些安全模块可以与更广泛的安全设备连接，包括：

• 急停电路
• 由机械防护开关和 RFID 安全开关等保护装置激活的开关
• 光幕
• 4 线传感垫

结论

在为工业系统选择安全开关时，需要考虑广泛的国际标准以及通信协议，包括黑通道通信。但这仅仅是个开始;有针对小型系统（如桌面装配操作）优化的安全开关，适用于食品和饮料加工和物料搬运中的硬接线安装，适用于需要可配置或可扩展解决方案的系统，以及经过优化以支持整个工厂的可扩展解决方案的设备。