安全繼電器、安全PLC
■ 安全輸出設(shè)備－ 接觸器、電磁閥、 AC 驅(qū)動(dòng)器
■ 互聯(lián)接線 － 電纜線連接、 光連接
圖 1 － 一個(gè)完整的安全系統(tǒng)由安全輸入設(shè)備、安全控制設(shè)備和安全輸出設(shè)備三部分組成
安全控制設(shè)備－ 安全繼電器
在一些低等或中等復(fù)雜程度的機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)中，安全繼電器是一種典型的安全功能執(zhí)行部件，作為“邏輯”子系統(tǒng)，安全繼電器執(zhí)行一些安全功能任務(wù)，包括：監(jiān)視安全傳感器的狀態(tài)，當(dāng)輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、安全繼電器本身發(fā)生了一個(gè)故障控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，安全繼電器能夠檢測(cè)出來(lái)，并且能有效防止安全繼電器重啟。安全繼電器執(zhí)行這些安全功能任務(wù)，其產(chǎn)品特性符合ISO 13849-1的要求。
關(guān)于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能特性，僅僅聲明是按照某種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是不夠的，還必須通過(guò)具有認(rèn)證資格、可以進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試。獲得認(rèn)證證書(shū)的安全繼電器是一種被鑒定的安全元器件，能實(shí)現(xiàn)ISO 13849-1最高性能標(biāo)準(zhǔn)的要求，能非常容易地被綜合應(yīng)用到安全功能系統(tǒng)中，最高可實(shí)現(xiàn)PL e的安全等級(jí)要求。在頒發(fā)認(rèn)證證書(shū)的過(guò)程中，安全繼電器的不同特性都被仔細(xì)考慮、評(píng)估和驗(yàn)證，以確認(rèn)是按照ISO 13849-1的要求設(shè)計(jì)。
安全繼電器的結(jié)構(gòu)
機(jī)器的安全功能是通過(guò)安全傳感器的命令信號(hào)或通過(guò)一個(gè)故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)，安全繼電器的任務(wù)就是處理其接收到的相應(yīng)信號(hào)，在機(jī)器危險(xiǎn)時(shí)，執(zhí)行一個(gè)立即關(guān)斷的安全命令。為了執(zhí)行這樣的安全功能，安全繼電器的內(nèi)部分為信號(hào)輸入部分，以及能夠處理輸入信號(hào)和輸出部分開(kāi)關(guān)或控制負(fù)載狀態(tài)的邏輯部分。
如果設(shè)計(jì)一個(gè)安全等級(jí)為4的安全繼電器，其需要被設(shè)計(jì)為冗余結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖2 安全等級(jí)為4的安全繼電器的冗余結(jié)構(gòu)，一個(gè)故障不會(huì)導(dǎo)致安全性的喪失！在下一個(gè)命令發(fā)生的時(shí)候或之前，
這個(gè)故障會(huì)被發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，累計(jì)故障也不會(huì)導(dǎo)致安全性的喪失 ！
■ 雙通道信號(hào)輸入部分－用于監(jiān)視與之相連的安全傳感器的狀態(tài)（急停按鈕、安全門(mén)、安全光柵等等）
■ 冗余的邏輯部分－負(fù)責(zé)監(jiān)視傳感器、負(fù)載和冗余繼電器（K1、K2）的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)
■ 輸出部分－由2個(gè)獨(dú)立的繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)達(dá)到冗余功能，其輸出雙通道用于控制兩個(gè)直接與負(fù)載相連的接觸器開(kāi)關(guān)
為了評(píng)估系統(tǒng)的性能等級(jí)PL，安全繼電器的結(jié)構(gòu)型式必須是ISO 13849-1中指定的5種結(jié)構(gòu)圖中的一種。下圖中這種指定的結(jié)構(gòu)型式對(duì)性能等級(jí)PL評(píng)估起了決定性的作用，當(dāng)發(fā)生單個(gè)故障時(shí)，系統(tǒng)的安全功能不會(huì)喪失。
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安全繼電器采用冗余結(jié)構(gòu)" src="/images/UploadFile/201322422451239.jpg" height="204" width="411"/>
圖3 ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)中安全等級(jí)4指定的結(jié)構(gòu)，安全繼電器采用冗余結(jié)構(gòu)，一個(gè)故障不會(huì)導(dǎo)致安全性的喪失！
值得一提的是，安全等級(jí)為4的安全繼電器滿足所有安全等級(jí)的要求控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，是最高的安全等級(jí)。不僅4級(jí)安全等級(jí)是雙通道冗余結(jié)構(gòu)，3級(jí)安全等級(jí)同樣也是雙通道冗余結(jié)構(gòu)，兩者的區(qū)別取決于外部回路接線的不同。
平均無(wú)危險(xiǎn)故障時(shí)間
MTTFd 值描述了安全繼電器發(fā)生一個(gè)危險(xiǎn)故障預(yù)測(cè)的平均操作時(shí)間，ISO 13849-1中考慮的此值是針對(duì)單通道。而對(duì)于冗余雙通道，有一個(gè)公式用于計(jì)算相聯(lián)系統(tǒng)的MTTFd值，通過(guò)單個(gè)MTTFd值可以計(jì)算系統(tǒng)的MTTFd值。
按照定義，安全繼電器是一個(gè)開(kāi)關(guān)單元，既包含電氣零部件，也包含機(jī)械零部件，因此有2個(gè)值用于評(píng)估單通道的MTTFd值。對(duì)于電氣零部件，可以參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)附件表格中提供的，正常操作條件下典型的和最壞情況時(shí)的MTTFd值。而對(duì)于繼電器的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，其生命周期是有限的開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，因
此，在實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備安全功能的應(yīng)用中，影響繼電器的MTTFd值最主要的因數(shù)是繼電器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率。
因此，在評(píng)估時(shí)，需要一些實(shí)際應(yīng)用情況參數(shù)，以便計(jì)算真實(shí)的MTTFd值：
校正系數(shù)
B10d－發(fā)生10％危險(xiǎn)故障概率時(shí)，安全繼電器平均動(dòng)作的次數(shù)
nop－安全繼電器平均動(dòng)作的次數(shù)/年
hop－安全繼電器平均工作小時(shí) /天
dop－安全繼電器平均工作天數(shù)/年
Tcycle－安全繼電器兩次連續(xù)動(dòng)作周期之間的平均間隔時(shí)間(以s為時(shí)間單位)
例如：一個(gè)安全繼電器，在大負(fù)載情況下，其B10d為400000，假設(shè)其一年365天，一天24小時(shí)都在工作，且每隔10分鐘開(kāi)關(guān)動(dòng)作一次，其機(jī)械的MTTFd值，按照公式：
MTTFd(電氣的) = 1000 年
一旦安全繼電器電氣和機(jī)械MTTFd值確定，一種所謂的零部件計(jì)算方法將用于評(píng)估整個(gè)通道的MTTFd 值，每個(gè)MTTFd值的倒數(shù)相加，其和是整個(gè)通道的MTTFd值的倒數(shù)，以年為單位。
所以安全繼電器的MTTFd＝70.7 年
評(píng)估出每個(gè)通道的MTTFd值，整個(gè)系統(tǒng)的MTTFd值也能計(jì)算出來(lái)，小些的值是整個(gè)系統(tǒng)的MTTFd值。對(duì)于安全等級(jí)為4，MTTFd值“高”意味著MTTFd值必須介于30~100年之間。
系統(tǒng)故障診斷覆蓋
DC值是故障檢測(cè)率或與安全相關(guān)的診斷效率，DC值是危險(xiǎn)故障檢測(cè)率和整個(gè)系統(tǒng)危險(xiǎn)故障率的比值，通常以百分比的形式出現(xiàn)，分成4種等級(jí)：無(wú)、低、中、高。
安全繼電器內(nèi)所使用的繼電器元件的觸點(diǎn)是強(qiáng)制操作（機(jī)械聯(lián)動(dòng)），參見(jiàn)EN 50205標(biāo)準(zhǔn)。其特點(diǎn)：常開(kāi)觸點(diǎn)（NO）和常閉觸點(diǎn)（NC）不可能同時(shí)處于同一個(gè)位置狀態(tài)，此特點(diǎn)有利于診斷開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的位置狀態(tài)。例如：在4級(jí)安全等級(jí)應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)觸點(diǎn)發(fā)生粘連時(shí)，通過(guò)檢測(cè)與之機(jī)械聯(lián)動(dòng)的常閉觸點(diǎn)（NC）的狀態(tài)，在重啟時(shí)，安全功能有效，防止安全繼電器重新啟動(dòng)。依照DC ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)附件E的要求，一個(gè)具有可靠監(jiān)視功能的安全繼電器具有很高的DC分值，達(dá)到99％。如何獲得DC值？ 通常由供應(yīng)商提供。
冗余結(jié)構(gòu)共因故障
評(píng)估PL的最后一個(gè)衡量參數(shù)是否是采取措施，降低由于一個(gè)共同的原因?qū)е?級(jí)安全等級(jí)冗余雙通道故障（所謂的共因故障CCF）。共同的原因?qū)е氯哂嘟Y(jié)構(gòu)雙通道故障，能通過(guò)在產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、環(huán)境特性中沒(méi)有考慮到的本質(zhì)設(shè)計(jì)避免，例如：強(qiáng)電磁干擾或高溫。該參數(shù)常常以數(shù)值表示。對(duì)于不同的產(chǎn)品，生產(chǎn)制造商應(yīng)該給出采用其產(chǎn)品和相應(yīng)的預(yù)防措施可獲得的結(jié)果。如果供應(yīng)商不能提供，可依據(jù)產(chǎn)品制造符合的標(biāo)準(zhǔn)和采用的方法，在IS013849-1標(biāo)準(zhǔn)中查找。
為了保證采取的措施可以有效地抗擊單個(gè)故障源的影響，針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，ISO 13849-1標(biāo)準(zhǔn)列出了一些具體進(jìn)行定量評(píng)估的方法，包括和分值直接相關(guān)聯(lián)的措施。通常要求該值要超過(guò)65分，才表示該系統(tǒng)采取的控制措施在預(yù)防共因故障方面符合要求。一個(gè)依照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、采用冗余結(jié)構(gòu)、經(jīng)過(guò)測(cè)試的安全繼電器的典型值是80分。
表 1 － 安全繼電器設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，為抗擊CCF采取的措施
型式測(cè)試證書(shū)
詳細(xì)的證明結(jié)果是型式測(cè)試證書(shū)，證書(shū)詳細(xì)描述了被測(cè)試的產(chǎn)品，包括產(chǎn)品的型號(hào)或版本，以及產(chǎn)品在進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試時(shí)所引用的不同標(biāo)準(zhǔn)，在安全功能應(yīng)用方面，關(guān)于產(chǎn)品應(yīng)用的注釋。
型式測(cè)試證書(shū)提供給產(chǎn)品使用者產(chǎn)品有效的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，在功能性安全標(biāo)準(zhǔn)方面產(chǎn)品遵守的采取的，此標(biāo)準(zhǔn)和EU機(jī)械指令相協(xié)調(diào)，基于證明，產(chǎn)品文檔將舉例說(shuō)明安全繼電器達(dá)到的PL等級(jí)，同時(shí)，還應(yīng)該提供MTTFd 值和DC值。
目前，作為專(zhuān)業(yè)的安全繼電器生產(chǎn)廠家，PSR菲尼克斯安全繼電器在全球已經(jīng)得到了大量應(yīng)用控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，例如：金屬加工、塑料機(jī)械、塑膠機(jī)械、玻璃機(jī)械、電梯行業(yè)、風(fēng)電行業(yè)、冶金行業(yè)、石化行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)、物流行業(yè)等等。
2009年12月，新標(biāo)準(zhǔn)ISO 13849-1將正式取代EN 954-1。機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要重新確認(rèn)安全控制功能的設(shè)計(jì)，以便確認(rèn)系統(tǒng)是否按照新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，是否滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)安全功能定量的要求，操作人員本質(zhì)健康的要求，以及EU機(jī)械指令的安全要求。新標(biāo)準(zhǔn)采用了不同的方法考慮或評(píng)估，在安全功能應(yīng)用中一個(gè)危險(xiǎn)故障發(fā)生的概率。
在一些低等或中等復(fù)雜程度的機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)中，安全繼電器是一種典型的安全功能執(zhí)行部件，其產(chǎn)品特性符合ISO 13849-1的要求。作為安全產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，如果想取得有關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)和功能特性認(rèn)證證書(shū)，必須通過(guò)具有認(rèn)證資格、可以進(jìn)行認(rèn)證測(cè)試機(jī)構(gòu)的測(cè)試。 獲得認(rèn)證證書(shū)的安全繼電器是一種被鑒定的安全元器件，能實(shí)現(xiàn)ISO 13849-1最高性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。
