基于故障安全型PLC快速装车控制系统的研究

刘辉 刘猛 倪文婧

【摘要】故障安全型PLC系统具有完善的测试手段或采取有效措施来保证其安全性，当检测到系统故障尤其是危险故障时能使系统回到安全状态，为满足快速定量装车控制系统的安全要求，研究设计了基于故障安全型PLC的快速定量装车控制系统，以提高系统的自动控制水平和安全可靠性。

【关键词】故障安全型；快速定量装车系统；自动控制

在所有工业领域，保证人员、设备、生产及环境安全的措施是必不可少的。随着科学技术的进步，用于安全控制的PLC系统的开发、研制进一步标准化、系列化，安全PLC系统便成为安全防护系统首选的控制设备，安全PLC系统已广泛用于安全防护系统。随着目前国内能源的紧张状况持续，煤炭需求矛盾突出，快速定量装车系统分别在煤矿生产的关键环节-提升系统、外运运输系统中起着重要作用，目前快速定量装车控制系统中还一般使用普通PLC作为控制器，虽然能满足正常的生产要求，但在长期使用中的安全可靠性和工作可靠性还可进一步改善，在快速定量装车控制系统中采用安全PLC作为控制系统的核心符合目前煤炭安全生产的需求。

1.故障安全型PLC分析

常规PLC用于工业生产及过程控制，然而原则上常规PLC因其安全性不能得到保证不能用于安全系统或只能用于安全要求等级极低（RC1-2）的场合。这是因为常规PLC系统本身没有采取安全措施，确切地说它不是按照相应安全标准生产的满足一定安全等级要求的安全仪表产品。主要表现在：

（l）系统不是按故障安全型设计的，且存在许多危险故障，即系统内部元件故障时其输出状态不能保证系统回到预定的安全状态；

（2）系统没有为安全目的而设置的自诊断功能，即没有能力检测到系统本身所有故障，也没有能力使检测到的故障失效。因此，常规PLC不能满足安全系统对其控制单元的安全性要求。

常规PLC内部CPU的数量有一个或多个，它或它们的作用是：执行用户的程序、进行I/O的扫描和系统的诊断。但用户的程序通常就进行一次处理，多个CPU的功能是把程序中的逻辑运算、算数运算、通信功能等分担实现，也就是协作处理。

而安全PLC的CPU至少有两个或多个。两个CPU的功能是：分别对同一个用户程序各自执行一次，然后再把两个结果放在一起进行比较，如果比较的结果是一致的，就输出这个结果，如果是不一致的，选择安全的结果输出。由此看出，这才是安全PLC与常规PLC最大的不同：冗余+比较。

图1表示了这种安全PLC的内部结构。

安全PLC通常都有两个处理器，同时进行解码和执行。这种差异性提供了失效检测的下列优点：两个可执行码独自生成，编译的差异性使得在代码生成时，容易检测系统失效；两个生成码由不同的处理器执行，因此，CPU能够在代码执行时，检测出系统失效和PLC的随机失效。安全PLC与常规PLC第二个最大的不同：随时一步步进行诊断和检测.称为自检；还有的通过对方的信息进行检测，称为互检。自动化产品公司意识到可靠的安全控制系统具有很大的价值，纷纷推出各自用于安全系统的安全PLC系统，并逐步发展完善。

2.基于故障安全型PLC控制系统方案设计

2.1 快速定量装车控制系统的安全要求

快速定量装车系统属于断续工作方式，每天的工作时间取决于火车皮的进出时间要求。故快速定量装车控制系统安全要求属于低要求操作模式的安全完整性水平，作为使用安全PLC的初步尝试，确定快速定量装车控制系统安全要求为SIL1。

2.2 安全PLC产品选型

目前市场上的主流安全PLC主要有Siemens公司的S7-400F/FH系列、AB公司的Guard-logix系列、Pilz公司的PSS3000系列、ABB公司的Safeguard 400，其它还有Fanuc的GMR系列、HIMA公司的H41/H51q、YOKOGAWA公司的Prosafe-PLC等。以上安全PLC均通过了TUV认证机构的IEC61508评估。考虑到Siemens公司产品的通用性等特点，确定采用Siemens公司的S7-400F/FH系列作为快速定量装车控制系统的PLC。

2.3 控制系统硬件设计

（1）AS414FH系统控制CPUAS414FH带有用于100个过程对象的SIMATIC PCS7 AS运行授权和S7 F系统RT授权；包含2个CPU414-4H，各带2个集成接口（MPI/DP主站和DP主站），2个2.8M RAM（程序和数据各1.4M）。

（2）IM153-2高性能接口模块用于将分站信号模块通过Prof ibus-DP接口连接到主站上，实现远程监控功能。

（3）SM326F DI数字输入模块故障安全型数字量输入模块在应用过程中硬件组态地址应与实际拨码地址相一致，确保模块的唯一性。根据信号的重要程度，可将2个SM326F DI模块设置为相互冗余。如果其中一个模块出现故障，系统自动切换至与其相冗余的另一模块继续工作，体现了故障安全型系统的特点。

（4）SM326F DO数字输出模块故障安全型数字量输出模块与故障安全型数字输入模块类似，其多了一项功能，即当控制系统故障不能正常运行时，SM326F DO數字量输出通道可以强制回到之前预设的安全状态，确保整个系统不会对人员造成伤害，不会对环境造成污染。

（5）Pro fibus OLMProf ibus现场总线多数使用RS485进行串口通信，为了增加传输距离，可以将电缆转换为光纤进行通信，OLM模块实现了Prof ibus光电转换的功能。

2.4 控制系统软件设计

按照西门子SIMATIC PCS7的系统配置规则，对照快速装车系统的控制系统要求，将系统配置为一个自动化站（AS）、两个操作员站（OS）。两个装车楼各配一个操作员站，自动化站为两个装车楼共用。快速装车系统工厂视图如下：

控制系统分别控制2个装车站，每个装车控制系统根据功能要求分为操作台信号处理、调车功能块、降尘功能块、配料功能块、卸料功能块以及液压功能块。控制系统将计算机软件监控系统设置为工程师站和操作员站混合使用。以WinCC为软件平台，开发具有过程画面的实现与操作、过程分析、过程诊断、过程文档等功能的监控系统，实现整个控制系统的人机交互功能。

3.小结

在快速定量装车系统中的控制系统中采用故障安全型PLC，该控制系统能够检测到快速定量装车系统的系统故障能使装车系统回到安全状态，可以满足快速定量装车工艺的要求，运行良好，满足快速装车系统的使用要求。

参考文献

[1]郭海涛，安全系统的安全完整性水平及其选择[J]].化工自动化及仪表，2006.

[2]华镕，常规PLC与安全PLC的区别[J].仪器仪表标准化与计量，2007.

[3]席启明，张广军，张新.快速装车系统中精确定量配仓控制技术的研究[J].制造业自动化，2007.

作者简介：刘辉（1978—），男，天地科技股份有限公司工程师，主要研究方向：电力电子及自动化控制。