安全PLC在电气自动化中的应用
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时间：2017-10-07
1 安全PLC相关介绍
1.1 安全控制系统
安全控制系统包含安全输入信号（如紧急停止信号、安全限位信号和安全带信号等）、安全控制模块（如安全PLC）和被控安全输出元件（如安全接触器）三部分组成。安全PLC作为安全控制模块，需要对安全输入信号进行分析和处理，并最终控制安全输出元件。安全PLC工作更加可靠，其能够对安全输入信号进行处理，当安全输入信号出现问题时，也会及时采取相应的措施，进而避免发生安全事故。
1.2 安全PLC分类
安全PLC，分为独立可编程和集成安全控制器两种。其中独立可编程控制器是设计用来监控安全电路的状态，能够根据具体功能配置软件，其通常情况下用于小型安全控制器，是针对安全电路控制而设计的。集成安全控制器设计用于在一个平台内提供标准电气自动化控制和安全控制，通过可编程软件，允许在相同的编程环境中进行标准和安全功能的配置，它可以配合安全现场总线使用。
1.3 安全PLC特征
安全PLC的安全要求是在硬件上加入这些模块：冗余性控制、多样性控制、系统频繁且可靠的自笔者检测、CRC校检、安全认证功能模块。这些模块能够最大程度上避免出现安全问题。
2 安全PLC在电气自动化中的应用发展现状和趋势
现阶段，许多大型成套集控和群控系统已经开始使用安全PLC，国内的应用尤其是在玻璃、汽车制造和游乐设施等领域。笔者通过自己主导的一些项目并查阅资料，整理如下：
2.1 安全PLC应用于玻璃生产
玻璃生产行业PLC应用广泛，现在已经进行了PLC升级，已经大量应用笔者们所熟知的安全PLC。使用安全PLC后，工厂生产安全、绩效和盈利能力显著变化。
在玻璃生产中，安全PLC对于工厂自动化FA至关重要。随着技术的不断发展，以安全PLC为核心的安全控制系统促进了控制功能和安全性能的提高。但同时其对于控制方式和运行水平要求也随即提高。玻璃生产中工艺过程相对较为复杂，且控制参数繁多。安全PLC的使用能够符合新时期玻璃生产安全性能指标。
2.2 在汽车制造中安全PLC的应用
当前汽车制造产业规模不断扩大，自动化水平也不断提升，其涉及到自动化技术和产品、现场总线、运动控制等多项内容。作为重要的主力市场，汽车制造业的安全PLC应用成为安全PLC制造商重点角逐的市场。
汽车生产线包含四大工序：冲压、焊装、总装和涂装。每个工序都需要使用到安全PLC予以控制，所以可以说安全PLC是朝阳产业，体现对综合技术要求的最高FA行业。冲压期间除了机械手外，其余的都需要安全PLC。焊装车间主要是传输控制，一条生产线就要用到5-7个PLC，每一个小系统都需要用一个安全PLC予以控制，而在总装车间的安全PLC则是控制三种输送线：高架线、内饰线和总装线。
2.3 安全PLC在游乐设施中的应用及趋势
安全PLC的应用主要集中在游乐场的室内项目，以黑暗骑乘项目和飞行影院为主，迪士尼项目采用的安全控制器是以美国罗克韦尔独立可编程安全控制器为主，而国内的代表性乐园以万达项目为例，采用的安全控制器是以德国倍福集成安全控制器为主。虽然功能上二者没有区别，但罗克韦尔的安全控制器在大系统且安全系统相对独立的项目上具有明显的组网优势，而德国倍福安全控制器在安全控制功能相对分散的大系统项目上性价比优势明显。
安全PLC在游乐设施中开始被广泛应用，笔者在实际工作中深深体会到安全PLC的重要性。安全PLC具有较好的内控检测功能，能够实时时监测游乐设施运行中存在的风险项。游乐设施中特殊的电子线路、细致的诊断软件分析，加上有可能会失效的测试设计，都需要安全PLC来完成。
3 应用安全PLC过程中相关建议
安全PLC实际应用中依旧存在一些问题。针对这些问题，笔者根据自己的安全控制系统设计和调试经验给出了相应的建议，具体如下：
3.1 提高安全PLC的抗干扰设计
安全PLC运行过程中容易受到强电磁的供给，由此会使得运算和通讯出现错误。所以，要强化安全PLC技术的抗强磁能力，确保即使在强磁状态下，安全PLC也能够开展精准的计算，以此来维护系统的安全、设施的安全。
技术人员设计电气系统时也要提高安全PLC的抗干扰能力，需从以下几个方面考虑：
首先，对下级控制回路做好屏蔽保护，特别是针对安装有变频器和伺服驱动器等大功率器件的系統。
1.1 安全控制系统
安全控制系统包含安全输入信号（如紧急停止信号、安全限位信号和安全带信号等）、安全控制模块（如安全PLC）和被控安全输出元件（如安全接触器）三部分组成。安全PLC作为安全控制模块，需要对安全输入信号进行分析和处理，并最终控制安全输出元件。安全PLC工作更加可靠，其能够对安全输入信号进行处理，当安全输入信号出现问题时，也会及时采取相应的措施，进而避免发生安全事故。
1.2 安全PLC分类
安全PLC，分为独立可编程和集成安全控制器两种。其中独立可编程控制器是设计用来监控安全电路的状态，能够根据具体功能配置软件，其通常情况下用于小型安全控制器，是针对安全电路控制而设计的。集成安全控制器设计用于在一个平台内提供标准电气自动化控制和安全控制，通过可编程软件，允许在相同的编程环境中进行标准和安全功能的配置，它可以配合安全现场总线使用。
1.3 安全PLC特征
安全PLC的安全要求是在硬件上加入这些模块：冗余性控制、多样性控制、系统频繁且可靠的自笔者检测、CRC校检、安全认证功能模块。这些模块能够最大程度上避免出现安全问题。
2 安全PLC在电气自动化中的应用发展现状和趋势
现阶段，许多大型成套集控和群控系统已经开始使用安全PLC，国内的应用尤其是在玻璃、汽车制造和游乐设施等领域。笔者通过自己主导的一些项目并查阅资料，整理如下：
2.1 安全PLC应用于玻璃生产
玻璃生产行业PLC应用广泛，现在已经进行了PLC升级，已经大量应用笔者们所熟知的安全PLC。使用安全PLC后，工厂生产安全、绩效和盈利能力显著变化。
在玻璃生产中，安全PLC对于工厂自动化FA至关重要。随着技术的不断发展，以安全PLC为核心的安全控制系统促进了控制功能和安全性能的提高。但同时其对于控制方式和运行水平要求也随即提高。玻璃生产中工艺过程相对较为复杂，且控制参数繁多。安全PLC的使用能够符合新时期玻璃生产安全性能指标。
2.2 在汽车制造中安全PLC的应用
当前汽车制造产业规模不断扩大，自动化水平也不断提升，其涉及到自动化技术和产品、现场总线、运动控制等多项内容。作为重要的主力市场，汽车制造业的安全PLC应用成为安全PLC制造商重点角逐的市场。
汽车生产线包含四大工序：冲压、焊装、总装和涂装。每个工序都需要使用到安全PLC予以控制，所以可以说安全PLC是朝阳产业，体现对综合技术要求的最高FA行业。冲压期间除了机械手外，其余的都需要安全PLC。焊装车间主要是传输控制，一条生产线就要用到5-7个PLC，每一个小系统都需要用一个安全PLC予以控制，而在总装车间的安全PLC则是控制三种输送线：高架线、内饰线和总装线。
2.3 安全PLC在游乐设施中的应用及趋势
安全PLC的应用主要集中在游乐场的室内项目，以黑暗骑乘项目和飞行影院为主，迪士尼项目采用的安全控制器是以美国罗克韦尔独立可编程安全控制器为主，而国内的代表性乐园以万达项目为例，采用的安全控制器是以德国倍福集成安全控制器为主。虽然功能上二者没有区别，但罗克韦尔的安全控制器在大系统且安全系统相对独立的项目上具有明显的组网优势，而德国倍福安全控制器在安全控制功能相对分散的大系统项目上性价比优势明显。
安全PLC在游乐设施中开始被广泛应用，笔者在实际工作中深深体会到安全PLC的重要性。安全PLC具有较好的内控检测功能，能够实时时监测游乐设施运行中存在的风险项。游乐设施中特殊的电子线路、细致的诊断软件分析，加上有可能会失效的测试设计，都需要安全PLC来完成。
3 应用安全PLC过程中相关建议
安全PLC实际应用中依旧存在一些问题。针对这些问题，笔者根据自己的安全控制系统设计和调试经验给出了相应的建议，具体如下：
3.1 提高安全PLC的抗干扰设计
安全PLC运行过程中容易受到强电磁的供给，由此会使得运算和通讯出现错误。所以，要强化安全PLC技术的抗强磁能力，确保即使在强磁状态下，安全PLC也能够开展精准的计算，以此来维护系统的安全、设施的安全。
技术人员设计电气系统时也要提高安全PLC的抗干扰能力，需从以下几个方面考虑：
首先，对下级控制回路做好屏蔽保护，特别是针对安装有变频器和伺服驱动器等大功率器件的系統。
其次，降低环境噪声对测试电路的影响，控制房的位置要远离变压器房和强电间。
最后，降低公共接地、变频器、电磁阀以及不明脉冲对安全PLC的干扰，并对下级设备进行隔离防护。通过安装UPS隔离电源、单独接地、滤波器和安全栅等，降低干扰源对安全PLC系统的电磁干扰，减小关键安全系统部件监控失效的风险。
3.2 充分运用安全PLC的安全性能
根据安全PLC高可靠性等特点，并加上计算机强大的数据处理能力，对两者进行有效的结合，以此保证系统正常运行后面的故障监控。不仅如此，安全PLC和电子显示屏的结合，能够有效发挥安全平台的监控能力，促进人机的有效互动，便捷操作。外部安全传感器和安全PLC的逻辑互锁能够对操作安全性予以提升，当前游乐设施中就需要安全PLC系统来降低存在的操作风险和故障风险。因为游乐场人流量大，且大部分以有效儿童为主，要想确保其安全，实现这些目标，就需要高度重视安全PLC系统的设计和应用。
充分运用安全PLC的安全性能，当前安全PLC中的安全系统程序和标准功能程序都可以在冗余的CPU中同时运行，这有效简化了复杂的应用过程。不需要单独的配置安全控制器，就能够精准编辑相应的功能块，且根据相通的线路来维持安全和标准数据的通讯，只需要管理好安全总线，有效减少了相应的安装费用，而这也是普通PLC所无法比拟的。
3.3 提高安全PLC技术人员的专业能力
随着安全PLC系统的不断进化，即使是不同厂家的安全PLC也会有不同的编程语言，国内以梯形图（LD）编程的技术人员居多，国外的工程师则以结构化文本（ST）编程居多，安全PLC更多是以安全功能块的形式进行编程和调用，因此这就需要专业的技术人员对安全功能块进行系统性学习和应用调试。
不仅如此安全PLC的操作人员还应当学习相应的系统安全理论知识，如安全评估、安全设计和安全检查。实践上也需要具备工厂电工的强电知识、电路方面的弱电知识等等。所以，安全PLC技术人员必须能够从电气自动化系统安全完整性的角度去设计，同时还要了解安全PLC所涉及的外围元器件的安全性能等级。
当前系统集成型的制造企业对引进和培养电气自动化安全方面的专业设计人才還不够重视，这个问题会让企业在培养和积累核心竞争力中落后，无法培养引领行业前进的人才。开发专业技术需要积累相应的经验，企业会因为大量非专业人才进入到专业技术领域而面临巨大的风险。
4 结束语
笔者经过多年在大型游乐设施领域主导安全控制系统设计工作，很清楚安全PLC系统最早用于冶金等传统高危行业，但是当前在游乐设施系统中其已经具有不可撼动的地位。安全PLC系统的发展，能够有效维护工业生产系统的安全，能够为游乐设施的安全性保驾护航。对于有着安全性能等级要求的设备，不是仅采用了该安全性能等级的安全PLC就能达到。设计团队需要系统的从安全评估、安全设计直至安全检查的安全设计流程，才能够完成一个高水准、符合安全要求的电气自动化项目。
参考文献：
[1]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].清华大学出版社，2005.
[2]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].化学工业出版社，2004.
[3]廖常初.PLC基础及应用[M].机械工业出版社，2003.
[4]李丹.关于电气设备自动化控制中PLC技术的应用分析[J].科技创新与应用，2016（33）：132.
最后，降低公共接地、变频器、电磁阀以及不明脉冲对安全PLC的干扰，并对下级设备进行隔离防护。通过安装UPS隔离电源、单独接地、滤波器和安全栅等，降低干扰源对安全PLC系统的电磁干扰，减小关键安全系统部件监控失效的风险。
3.2 充分运用安全PLC的安全性能
根据安全PLC高可靠性等特点，并加上计算机强大的数据处理能力，对两者进行有效的结合，以此保证系统正常运行后面的故障监控。不仅如此，安全PLC和电子显示屏的结合，能够有效发挥安全平台的监控能力，促进人机的有效互动，便捷操作。外部安全传感器和安全PLC的逻辑互锁能够对操作安全性予以提升，当前游乐设施中就需要安全PLC系统来降低存在的操作风险和故障风险。因为游乐场人流量大，且大部分以有效儿童为主，要想确保其安全，实现这些目标，就需要高度重视安全PLC系统的设计和应用。
充分运用安全PLC的安全性能，当前安全PLC中的安全系统程序和标准功能程序都可以在冗余的CPU中同时运行，这有效简化了复杂的应用过程。不需要单独的配置安全控制器，就能够精准编辑相应的功能块，且根据相通的线路来维持安全和标准数据的通讯，只需要管理好安全总线，有效减少了相应的安装费用，而这也是普通PLC所无法比拟的。
3.3 提高安全PLC技术人员的专业能力
随着安全PLC系统的不断进化，即使是不同厂家的安全PLC也会有不同的编程语言，国内以梯形图（LD）编程的技术人员居多，国外的工程师则以结构化文本（ST）编程居多，安全PLC更多是以安全功能块的形式进行编程和调用，因此这就需要专业的技术人员对安全功能块进行系统性学习和应用调试。
不仅如此安全PLC的操作人员还应当学习相应的系统安全理论知识，如安全评估、安全设计和安全检查。实践上也需要具备工厂电工的强电知识、电路方面的弱电知识等等。所以，安全PLC技术人员必须能够从电气自动化系统安全完整性的角度去设计，同时还要了解安全PLC所涉及的外围元器件的安全性能等级。
当前系统集成型的制造企业对引进和培养电气自动化安全方面的专业设计人才還不够重视，这个问题会让企业在培养和积累核心竞争力中落后，无法培养引领行业前进的人才。开发专业技术需要积累相应的经验，企业会因为大量非专业人才进入到专业技术领域而面临巨大的风险。
4 结束语
笔者经过多年在大型游乐设施领域主导安全控制系统设计工作，很清楚安全PLC系统最早用于冶金等传统高危行业，但是当前在游乐设施系统中其已经具有不可撼动的地位。安全PLC系统的发展，能够有效维护工业生产系统的安全，能够为游乐设施的安全性保驾护航。对于有着安全性能等级要求的设备，不是仅采用了该安全性能等级的安全PLC就能达到。设计团队需要系统的从安全评估、安全设计直至安全检查的安全设计流程，才能够完成一个高水准、符合安全要求的电气自动化项目。
参考文献：
[1]孙振强.可编程控制器原理及应用教程[M].清华大学出版社，2005.
[2]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].化学工业出版社，2004.
[3]廖常初.PLC基础及应用[M].机械工业出版社，2003.
[4]李丹.关于电气设备自动化控制中PLC技术的应用分析[J].科技创新与应用，2016（33）：132.
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