作者：Jeff Shepard

　　工业系统中的安全是一个关键且复杂的主题，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，例如国际电工委员会 (IEC) 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和国际标准组织 (ISO) 13849- 1.

　　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，一些具有固定功能，而另一些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。它还检查了各种通信协议的使用，然后深入研究从桌面装配站到整个工厂等安全控制器类型(如固定功能、可重新配置和可扩展模型)的用例。它提供了使用Banner Engineering、Phoenix Contact、Schneider Electric和Omron Automation 产品的具体示例。

　　标准

　　电气/电子/可编程电子安全相关系统(E/E/PE或E/E/PES)的功能安全，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。它基于这样的理念：任何与安全相关的系统都必须以本质上安全的可预测方式发生故障。为了衡量功能安全设计的有效性，该标准定义了从 1 到 4 的安全完整性级别 (SIL)，其中 SIL4 表示风险降低的最 高级别，SIL1 表示风险降低的最低级别。 SIL 的概念也应用于其他安全标准，但 SIL 的数量及其定义可能会根据操作环境的需要而有所不同。

　　基于 IEC 61508 的安全标准有很多。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：控制电路装置和开关元件 - 机电控制电路装置，适用于特定类型的装置，包括：

　　手动控制开关，如按钮、脚踏开关、旋转开关等

　　延时或瞬时的电磁操作控制开关，如继电器或接触器

　　机器中包含的位置开关

　　先导开关，如温度或压力敏感开关

　　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。它描述了带有强制引导触点(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。力引导继电器是许多安全继电器模块的基本组件。在A级安全继电器中，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，则所有常闭 (NC) 触点在线圈未通电时必须保持最小 0.5 毫米的开口(图 1)。

　　图 1：如果常开(或常闭)触点被焊接，则当线圈未通电时，所有常闭(或常闭)触点必须保持 0.5 毫米的最小距离。 (图片来源：欧姆龙自动化)

　　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 (SRP/CS) 及其子系统的安全相关部分的指南，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操作模式中使用的电气、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 仅提供黑色通道的一般定义，并引用了现场总线应用的 IEC 61784-3 和铁路信号的 IEC 62280 等标准。黑色通道通信的概念源自术语“黑匣子”。黑色通道通信中，网络就是黑匣子，纯粹作为传输介质;该通道不安全，安全性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 PROFIsafe 或无线局域网 (WLAN) 技术等以太网的各种实现。在黑色通道应用中，假设主要通信通道对于安全相关通信来说不够安全，并且添加了额外的安全层来识别和消除任何通信错误(图 2)。

　　图 2：PROFIsafe 可用于实现黑色通道通信的安全层。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　除了 PROFIsafe 之外，黑色通道还可以通过其他协议来实现，例如通用工业协议安全(CIP 安全)和 FSoE。这些协议符合 IEC 61784-3:2021，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。每个工作站都有一个带有非接触式安全开关的重型安全门、零件进给处的安全光幕以及一个紧急停止按钮，以保护操作员免受半自动设备的伤害。单功能安全继电器控制器可用于像此桌面装配站这样的小型机器，以连接安全装置和机器，以提供安全启动和停止功能。

　　在本例中，Banner Engineering 的SC10 系列安全控制器中的SC10-2ROE型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所需的安装空间。除了支持小型机器的安全性之外，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多种功能：

　　系列诊断 (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。

　　可以使用外部存储卡来配置设备，而无需连接到 PC，从而加快配置更改速度。

　　十个输入，其中四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至 14 个。

　　两个 6 A 安全继电器输出配有三组独立控制的常开触点。

　　能够执行两种功能停止类型：

　　0 类是不受控制的停止，立即断电。

　　类别 1 是在断电之前有延迟的受控停止。当机器需要动力用于制动机构时，延迟停止会很有帮助。

　　支持以太网/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信协议。

　　图 3：该桌面装配站包括一个 SC10-2ROE 型安全控制器(装配站下方的黄色设备)。 (图片来源：邦纳工程)

　　跨生产线的可扩展安全性

　　在桌面装配复杂性的另一端，可以在整个工厂的装配线上实施集成安全性。例如， Omron Automation 的Sysmac NX102 控制器集成了多种开放式工业协议，如 EtherNET 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，欧姆龙的NX 集成安全控制器已通过 SIL3 认证，并包含 FSoE 连接。 NX-SL5 控制器，如型号NX-SL5500可以同时通过 EtherCAT 进行 FSoE 通信，并通过以太网/IP 进行 CIP Safety 通信，从而实现涉及高速同步运动、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进行 FSoE 和 CIP 安全通信，以实现跨装配线的集成安全。 (图片来源：欧姆龙自动化)

　　可配置和可扩展

　　当情况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PSRmodular安全系统。该系统可针对仅具有三个安全功能的小型应用和具有多达 160 个 I/O 的大型系统进行配置。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引导触点(图 5)。该系统可以实现一系列安全功能，包括：

　　电敏防护用品

　　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

　　图 5：具有强制引导触点的 PSRmodular 系统安全继电器模块。 (图片来源：菲尼克斯电气)

　　PSRmodular 安全系统由多个具有核心功能的基本模块(如型号1104981)和用于增强 I/O 和保护功能的扩展模块(如型号1104884 )组成。这些模块可通过软件进行配置，并且系统可使用 PSR-TBUS DIN 导轨连接进行扩展。

　　简单到中等复杂机器的安全性

　　施耐德电气的Harmony 安全模块专为简单到中等复杂的机器而设计，例如食品和饮料加工、起重、物料搬运和包装中使用的机器。它们分为两个系列(图 6)：

　　Harmony XPS Basic 为使用硬连线安全模块的应用提供了优化的解决方案。

　　Harmony XPS Universal 将硬连线安全模块的简单应用与通常需要现场总线技术来实现的各种消息相结合。

　　图 6：Harmony XPS Basic 和 Universal 安全继电器非常适合轻松管理单一安全功能。 (图片来源：施耐德电气)

　　XPSBAT 基本安全模块(如XPSBAT12A1AP)用于监控紧急停止电路，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，延迟可调范围为 0 至 15 分钟(900 秒)。

　　XPSUAK 通用安全模块(例如XPSUAK12AP型)还可以实现 0 类和 1 类停机。这些安全模块可以与更广泛的安全设备连接，包括：

　　紧急停止电路

　　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，需要考虑多种国际标准以及通信协议，包括黑色通道通信。但这只是开始;有针对桌面装配操作等小型系统、食品和饮料加工和材料处理中的硬连线安装、需要可配置或可扩展解决方案的系统以及为支持整个工厂的可扩展解决方案而优化的设备的安全开关。