作者：Jeff Shepard

　　工業系統中的安全是一個關鍵且復雜的主題，因此為給定應用指定最佳安全控制器具有挑戰性。其中考慮因素包括與安全控制器相關的眾多國際標準的適用性，例如國際電工委員會 (IEC) 60947-5-1、61508-1/2/3、61810-3、62061 和國際標準組織 (ISO) 13849- 1.

　　還有多種通信協議可供選擇，例如 Safety over EtherCAT，也稱為 FailSafe over EtherCAT (FSoE)，它結合了控制和安全功能。還有Ethernet/IP、PROFIsafe 和Modbus/TCP 工業以太網通信協議。此外，還可以選擇獨立或集成解決方案。一些平臺具有安全級和非安全級輸出的各種組合，一些具有固定功能，而另一些則可重新配置和擴展。

　　本文簡要回顧了國際安全標準及其適用性。它還檢查了各種通信協議的使用，然后深入研究從桌面裝配站到整個工廠等安全控制器類型(如固定功能、可重新配置和可擴展模型)的用例。它提供了使用Banner Engineering、Phoenix Contact、Schneider Electric和Omron Automation 產品的具體示例。

　　標準

　　電氣/電子/可編程電子安全相關系統(E/E/PE或E/E/PES)的功能安全，或IEC 61508，是適用于所有行業的基本功能安全標準。它包括應用、設計、部署和維護自動保護系統(稱為安全相關系統)的方法。它基于這樣的理念：任何與安全相關的系統都必須以本質上安全的可預測方式發生故障。為了衡量功能安全設計的有效性，該標準定義了從 1 到 4 的安全完整性級別 (SIL)，其中 SIL4 表示風險降低的最 高級別，SIL1 表示風險降低的最低級別。 SIL 的概念也應用于其他安全標準，但 SIL 的數量及其定義可能會根據操作環境的需要而有所不同。

　　基于 IEC 61508 的安全標準有很多。與安全控制器相關的一些標準包括：

　　IEC 60947-5-1:2016，低壓開關設備和控制設備 - 第 5-1 部分：控制電路裝置和開關元件 - 機電控制電路裝置，適用于特定類型的裝置，包括：

　　手動控制開關，如按鈕、腳踏開關、旋轉開關等

　　延時或瞬時的電磁操作控制開關，如繼電器或接觸器

　　機器中包含的位置開關

　　先導開關，如溫度或壓力敏感開關

　　IEC 62061:2021，機械安全 - 安全相關控制系統的功能安全是 IEC 61508 的機械相關版本。它規定了設計、集成和驗證安全相關控制系統的要求。它適用于單獨或組合使用以實現機器安全功能的機械相關安全控制系統、子系統和安全相關設備的系統級設計。

　　IEC 61810-3:2015，具有強制引導(機械連接)觸點的繼電器，是安全控制器的另一個重要標準。它描述了帶有強制引導觸點(也稱為機械連接觸點)的基本繼電器的特殊要求和測試。除了 IEC 61810-1 的一般要求外，這些特殊要求也適用。力引導繼電器是許多安全繼電器模塊的基本組件。在A級安全繼電器中，所有觸點都是強制引導的。該標準要求，如果常開 (NO) 觸點被焊接，則所有常閉 (NC) 觸點在線圈未通電時必須保持最小 0.5 毫米的開口(圖 1)。

　　圖 1：如果常開(或常閉)觸點被焊接，則當線圈未通電時，所有常閉(或常閉)觸點必須保持 0.5 毫米的最小距離。 (圖片來源：歐姆龍自動化)

　　ISO 13849-1:2023，機械安全控制系統的安全相關部分，包括設計和集成控制系統 (SRP/CS) 及其子系統的安全相關部分的指南，包括防護或聯鎖功能等機械措施，以及相關軟件。它適用于高要求和連續操作模式中使用的電氣、液壓、氣動和機械 SRP/CS。

　　回到IEC 61508，該標準還定義了安全相關通信的“黑色通道”。

　　黑色通道和通信協議

　　IEC 61508 僅提供黑色通道的一般定義，并引用了現場總線應用的 IEC 61784-3 和鐵路信號的 IEC 62280 等標準。黑色通道通信的概念源自術語“黑匣子”。黑色通道通信中，網絡就是黑匣子，純粹作為傳輸介質;該通道不安全，安全性由應用軟件中的專用安全層負責。

　　黑色通道可以在任何標準網絡上實現，例如 PROFIsafe 或無線局域網 (WLAN) 技術等以太網的各種實現。在黑色通道應用中，假設主要通信通道對于安全相關通信來說不夠安全，并且添加了額外的安全層來識別和消除任何通信錯誤(圖 2)。

　　圖 2：PROFIsafe 可用于實現黑色通道通信的安全層。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　除了 PROFIsafe 之外，黑色通道還可以通過其他協議來實現，例如通用工業協議安全(CIP 安全)和 FSoE。這些協議符合 IEC 61784-3:2021，包括解決及時性、真實性、偽裝和數據完整性錯誤的增強功能。

　　桌面安全

　　安全問題不僅限于大型或功能強大的機器;桌面裝配站可能需要安全系統。在一種情況下，半自動桌面裝配站用于制造電子元件。每個工作站都有一個帶有非接觸式安全開關的重型安全門、零件進給處的安全光幕以及一個緊急停止按鈕，以保護操作員免受半自動設備的傷害。單功能安全繼電器控制器可用于像此桌面裝配站這樣的小型機器，以連接安全裝置和機器，以提供安全啟動和停止功能。

　　在本例中，Banner Engineering 的SC10 系列安全控制器中的SC10-2ROE型安裝在每個桌面裝配站的機柜中(圖 3)。該安全控制器將多個安全繼電器模塊的功能組合到一個設備中，簡化了接線并減少了所需的安裝空間。除了支持小型機器的安全性之外，這些控制器還非常適合在擁擠的控制柜中使用。即使是像 SC10 系列這樣的小型安全控制器也可以具有多種功能：

　　系列診斷 (ISD) 可以連接多達 70 個安全設備。 ISD 提供可通過人機界面 (HMI)、PLC 或類似設備訪問的每個安全設備的詳細狀態和性能數據，使用戶能夠對機器安全系統進行故障排除、防止故障并減少停機時間。

　　基于圖標的拖放式編程在 PC 上運行，簡化了設置和設備管理。

　　可以使用外部存儲卡來配置設備，而無需連接到 PC，從而加快配置更改速度。

　　十個輸入，其中四個可設置為非安全輸出。自動終端優化(ATO)功能可用于將輸入總數增加至 14 個。

　　兩個 6 A 安全繼電器輸出配有三組獨立控制的常開觸點。

　　能夠執行兩種功能停止類型：

　　0 類是不受控制的停止，立即斷電。

　　類別 1 是在斷電之前有延遲的受控停止。當機器需要動力用于制動機構時，延遲停止會很有幫助。

　　支持以太網/IP、PROFINET 和 Modbus/TCP 通信協議。

　　圖 3：該桌面裝配站包括一個 SC10-2ROE 型安全控制器(裝配站下方的黃色設備)。 (圖片來源：邦納工程)

　　跨生產線的可擴展安全性

　　在桌面裝配復雜性的另一端，可以在整個工廠的裝配線上實施集成安全性。例如， Omron Automation 的Sysmac NX102 控制器集成了多種開放式工業協議，如 EtherNET I/P、EtherCAT、IO-Link 和 CIP Safety。NX102-1020型自動化控制器包括三個通信端口，它可以將高速安全集成到需要快速循環時間的生產線中的機器控制中。此外，歐姆龍的NX 集成安全控制器已通過 SIL3 認證，并包含 FSoE 連接。 NX-SL5 控制器，如型號NX-SL5500可以同時通過 EtherCAT 進行 FSoE 通信，并通過以太網/IP 進行 CIP Safety 通信，從而實現涉及高速同步運動、機器對機器控制或利用 CIP Safety 與遠程設備通信的應用(圖 4)。

　　圖 4：Omron 的 NX 集成安全控制器可以同時進行 FSoE 和 CIP 安全通信，以實現跨裝配線的集成安全。 (圖片來源：歐姆龍自動化)

　　可配置和可擴展

　　當情況需要可配置和可擴展的安全解決方案時，菲尼克斯電氣提供PSRmodular安全系統。該系統可針對僅具有三個安全功能的小型應用和具有多達 160 個 I/O 的大型系統進行配置。該系統包括各種安全功能，例如用于監控 0 至 20 mA 或 0 至 10 V 信號的模擬模塊、用于接近開關運動監控的模塊以及各種類型的運動編碼器。安裝在安全繼電器模塊中的繼電器具有強制引導觸點(圖 5)。該系統可以實現一系列安全功能，包括：

　　電敏防護用品

　　緊急停止

　　監控安全門等可移動防護裝置

　　雙手控制裝置

　　零速監控和速度監控

　　圖 5：具有強制引導觸點的 PSRmodular 系統安全繼電器模塊。 (圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　PSRmodular 安全系統由多個具有核心功能的基本模塊(如型號1104981)和用于增強 I/O 和保護功能的擴展模塊(如型號1104884 )組成。這些模塊可通過軟件進行配置，并且系統可使用 PSR-TBUS DIN 導軌連接進行擴展。

　　簡單到中等復雜機器的安全性

　　施耐德電氣的Harmony 安全模塊專為簡單到中等復雜的機器而設計，例如食品和飲料加工、起重、物料搬運和包裝中使用的機器。它們分為兩個系列(圖 6)：

　　Harmony XPS Basic 為使用硬連線安全模塊的應用提供了優化的解決方案。

　　Harmony XPS Universal 將硬連線安全模塊的簡單應用與通常需要現場總線技術來實現的各種消息相結合。

　　圖 6：Harmony XPS Basic 和 Universal 安全繼電器非常適合輕松管理單一安全功能。 (圖片來源：施耐德電氣)

　　XPSBAT 基本安全模塊(如XPSBAT12A1AP)用于監控緊急停止電路，并提供 0 類和 1 類控制選項。類別 0 實現瞬時停止，而類別 1 實現延遲停止，延遲可調范圍為 0 至 15 分鐘(900 秒)。

　　XPSUAK 通用安全模塊(例如XPSUAK12AP型)還可以實現 0 類和 1 類停機。這些安全模塊可以與更廣泛的安全設備連接，包括：

　　緊急停止電路

　　由機械防護開關和 RFID 安全開關等保護裝置激活的開關

　　光幕

　　4 線傳感墊

　　結論

　　在為工業系統選擇安全開關時，需要考慮多種國際標準以及通信協議，包括黑色通道通信。但這只是開始;有針對桌面裝配操作等小型系統、食品和飲料加工和材料處理中的硬連線安裝、需要可配置或可擴展解決方案的系統以及為支持整個工廠的可擴展解決方案而優化的設備的安全開關。