Biztonsági PLC vs. Standard PLC: Mérnöki útmutató

Ez az írás a biztonság alapelveinek mélyreható elemzését nyújtja. PLC-kA hagyományos PLC-kkel való többdimenziós összehasonlítás révén bemutatja azok egyedi elrendezési alapelveit, beleértve a redundanciát, a diverzitást és az öndiagnózist.

Átfogó táblázatok és adatelemzés segítségével világossá tesszük, hogy miért nem plusz kiadás a biztonsági PLC kiválasztása létfontosságú alkalmazásokhoz, hanem létfontosságú „biztonsági öv” befektetés az alkalmazottak, az eszközök és a termelés folytonosságának biztosítása érdekében.

Az automatizálás korában valóban „biztonságban” vagyunk?

A 4.0 szektor és az intelligens gyártási hullám előretörésével a PLC a modern gyártóüzemi automatizálási rendszerek alapjává vált. Az alapvető gyártósori vezérléstől az összetett robotikai együttműködésig a PLC-k hatékonyságukkal és rugalmasságukkal a világ termelésének pulzusát mozgatják.

Mindazonáltal, amikor egy vezérlőrendszer váratlanul meghibásodik, a következmények még a vártnál is súlyosabbak lehetnek – a költséges berendezéskárosodásoktól és a termelés leállásától kezdve a visszafordíthatatlan munkavállalói sérülésekig.

Ez egy kulcsfontosságú kérdést vet fel az élvonalban: képes-e a PLC, amelyre támaszkodunk, megbízhatóan biztonságos állapotba hozni a rendszert, amikor fenyegetés történik?

Pontosan itt mutatkozik meg a különbség a hagyományos PLC és a biztonsági PLC között. Sokan a biztonsági PLC-t csupán „megbízhatóbb PLC-nek” tekintik, de ez a látszat csak a felszínt kapargatja.

Valójában a biztonsági PLC egy speciális vezérlőrendszer, amelyet a „Gyakorlati biztonság” elvein alapulva terveztek. Célja nem csupán egy feladat elvégzése, hanem mindenekelőtt a biztonság garantálása minden körülmények között – beleértve a meghibásodást is.

Ez a bejegyzés minden bizonnyal leleplezi a biztonsági PLC rejtélyét, és megvitatja, miért olyan fontos a modern automatizálási architektúrában.

1. A követelményalapú PLC fő célja

Mielőtt belemerülnénk a biztonsági PLC-kbe, először meg kell határoznunk egy szabványos PLC feladatát. Egy tipikus PLC-t úgy terveztek, hogy hatékonyan és megfelelően valósítsa meg a felhasználó által programozott logikát. Fő célja a funkcionalitás elérése és a hatékonyság növelése.

• Működési mód: Jeleket fogad érzékelőktől és bemeneti eszközöktől, logikai műveleteket hajt végre egy előre beállított program alapján, majd ezt követően meghajtók aktuátorok (pl. motorok, hengeres csövek, elzárószelepek) adott műveletek végrehajtásához.
• Stíluscélok: Gyorsabb ellenőrzési ciklusokat, nagyobb feldolgozási teljesítményt, nagyobb memóriát és sokkal kiterjedtebb kommunikációs felhasználói felületeket kíván.
• Hibakezelés: Amikor egy szabványos PLC maga leáll (pl. CPU-hiba, memória-sérülés miatt), az eredményállapota előre nem láthatóvá válhat. Kikapcsolhatja az eredményeit, megtarthatja a hiba előtti utolsó állapotot, vagy akár helytelen eredményjeleket generálhat. Különösen ipari körülmények között ez a szokás nagyon veszélyes.

Röviden, egy átlagos PLC kiváló „adminisztrátor”, azonban nem hivatalos „gyám”.

2. A biztonsági PLC: A „biztos” működésre született őr

Egy hagyományos PLC-vel ellentétben a biztonsági és védelmi PLC-k stílusmegközelítése a biztonságot helyezi előtérbe a kezdetektől fogva.

Szigorú nemzetközi biztonsági kritériumoknak felel meg, mint például IEC 61508  (a hasznos biztonság és védelem egyetemes szabványa) és ISO 13849-1  (a vezérlőrendszerek biztonsággal kapcsolatos komponenseihez).

Legfontosabb célja egy „biztonságos” állapot elérése – ami azt jelenti, hogy ha a rendszer bármely része (beleértve magát a biztonsági PLC-t is) meghibásodik, azonnal átáll egy előre meghatározott, determinisztikus biztonságos állapotba (általában kikapcsolja az áramellátást vagy leállítja a veszélyes mozgást).

Ezt az átgondolt változást egyedi hardverarchitektúrája és szoftveralgoritmusai szimbolizálják, amelyeket elsősorban három alapvető modern technológiával érnek el:

2.1 Építészeti megkülönböztetés: A „csapatmunkától” a „redundáns felügyeletig”

Ez az egyik legesztétikailag legkülönbözőbb különbség a biztonsági és védelmi PLC-k és a hagyományos PLC-k között.

• Criterion PLC: Több CPU-t is tartalmazhat. Ha több CPU létezik, azok általában részt vevő partnerségben működnek, ahol mindegyik más feladatokat kezel (pl. logikai végrehajtás, interakciók, mozgásvezérlés) az összhatékonyság javítása érdekében.
• Biztonsági PLC: Ismétlődő architektúrát kell alkalmazni, amely legalább két (vagy több) CPU-t tartalmaz. Ezek a CPU-k nem osztják fel a feladatokat, hanem ugyanazt a vezérlőprogramot hajtják végre párhuzamosan. Minden ellenőrzési ciklus végén a rendszer valós idejű összehasonlítást végez a két CPU teljesítményéről.
• Mérkőzés eredményei: A rendszer azonosítja a szabályos működést, és engedélyezi a kimenetek bekapcsolását.
• Eredménybeli eltérések: A rendszer azonnal érzékeli a belső hibát, végrehajtja biztonsági logikáját, és az összes megfelelő kimenetet az előre meghatározott kockázatmentes állapotba kényszeríti (pl. feszültségmentes), miközben egyidejűleg riasztást aktivál.

Ez a „kétcsatornás, megosztott irányítású” modell alapvetően kiküszöböli annak a lehetőségét, hogy egyetlen CPU számítási hibája káros kimenetet eredményezzen.

2.2 Stílus nézőpont: A „sokszínűség” elfogadása az ismeretlen hibák kiszűrése érdekében

Ha a redundancia az első védelmi vonal a véletlenszerű hardverhibákkal szemben, akkor a „diverzitás” a hatékonyság a „szokásos okokból eredő hibákkal” (CCF) szemben. CCF akkor fordul elő, ha egyetlen ok több ismétlődő csatorna szinkronizált meghibásodásához vezet – például egy teljes CPU-készletben lévő tervezési hiba.

Ennek leküzdésére a fejlett biztonsági PLC-k a következő lépéseket teszik:

• Felszerelés választéka: Mindkét redundáns processzor származhat különböző gyártóktól (például az egyik a Texas Instrumentstől, a másik az Infineontól). Mivel a belső stílusuk, a vezérlőegységeik és még a gyártási eljárásaik is eltérőek, nagyon valószínűtlen, hogy ugyanazt a tervezési hibát követnék el.
• Szoftverváltozatosság: Még ugyanazon felhasználói logika futtatásakor is gyakran finomítják ezt a logikát a különböző fordítók, hogy két független végrehajtható kódkészletet hozzanak létre. Ez hatékonyan azonosíthatja a fordítói hibák által okozott rendszerszintű hibákat.

Ez a „sokszínűségi” tervezési filozófia ahhoz hasonlítható, mintha két különböző múlttal rendelkező szakértő külön-külön vizsgálná ugyanazt a rekordot; lehetővé teszi olyan mélyen gyökerező problémák feltárását, amelyeket egyetlen szakember esetleg nem venne észre a megváltozott gondolkodásmód miatt. Jelentősen növeli a rendszer azon képességét, hogy azonosítsa a rejtett és rendszerszintű hibákat.

2.3 Diagnosztikai képesség: Gyakori „öndiagnosztika”

Egy biztonsági PLC „biztonsága” nem pusztán a redundanciában és a diverzitásban rejlik; a hatékony és folyamatos öndiagnosztikai képességeiben is megnyilvánul. Ezek a diagnosztikai eszközök kiterjedtek, és a teljes biztonsági réseket lefedik a bemenettől az eredményig.

• CPU és memória diagnosztika: Minden vizsgálati ciklus elején és végén kiterjedt vizsgálatokat végeznek a CPU regiszterein, a RAM-on és a ROM-on.
• Tápegység Figyelembe véve: A belső tápfeszültségeket valós időben ellenőrzik. Ha eltérnek a biztonságos feszültségtől, egy biztonsági zár azonnal aktiválódik.
• I/O hálózati diagnosztika: Ez egy lényeges különbség a hagyományos PLC-khez képest. A biztonsági I/O modulok aktívan végzik az áramköri diagnosztikát, például:.
• Bemenetek: Rövidzárlatok, szakadások (kábelszakadások) vagy keresztzárlatok azonosítása külső áramforrásokkal.
• Kimenetek: Annak észlelése, hogy az eredménycsatorna megfelelően változik-e, és olyan problémák azonosítása, mint a rövidzárlatok vagy a külső feszültség jelei.
• Órafelügyelet: Az ikeróra-rendszerek nyomon követik egymást, hogy elkerüljék az órajel-eltolódás vagy meghibásodás okozta lényeges időzítési hibákat.

Az ISO 13849-1 szabvány kritériuma szerint ezek az elemzési lépések kiegészítik a „Diagnosztikai védelem (DC)” nevű létfontosságú specifikációt.

Egy legfelső szintű biztonsági és védelmi PLC-nek (pl. egy PLe besorolásúnak) 99% vagy magasabb diagnosztikai védelmet kell elérnie, ami azt jelenti, hogy a rendszeren belüli potenciálisan veszélyes hibák közül több mint 99% időben azonosítható. Egy hagyományos PLC diagnosztikai kapacitása jóval elmarad ettől a szinttől.

3. Átfogó összehasonlítás: Biztonsági és védelmi PLC vs. Követelményalapú PLC

A különbségek sokkal ösztönösebb megértése érdekében a következő táblázat alapos, egymás melletti elemzést nyújt:.

4. Mikor kötelező a biztonsági PLC?

A PLC kiválasztását nem a költségvetés, hanem egy alapos kockázatelemzés eredményei alapján kell meghatározni. A vizsgált kockázati szint alapján olyan vezérlőrendszert kell választani, amely megfelel a szükséges biztonsági becsületességi szintnek (SIL) vagy hatékonysági szintnek (PL).

Általában egy minősített biztonsági PLC használata kötelező vagy erősen ajánlott, ha az alkalmazás a következők bármelyikét magában foglalja:.

• Veszélyes helyek, ahol gyakori az emberi kommunikáció: pl. sajtológépek, sörétes fröccsöntő gépek, fényfüggönyt, biztonsági kapukat vagy kétkezes vezérlést igénylő robotcellák.
• Nagy sebességű vagy nagy terhelésű eszközök: Ahol egy váratlan indítás vagy leállás hiánya hatalmas károkat okozhat, például nagy szállítószalagok vagy rakodódaruk esetében.
• A robbanás- vagy égési kockázatok figyelembevételével finomítsa az ellenőrzést: pl. kazánok és fűtésvezérlő rendszer (BMS), ahol a vezérlés meghibásodása tragikus eseményeket okozhat.
• A törvény és az irányelvek által kifejezetten előírt alkalmazások: Sok országban és régióban meghatározott gépbiztonsági kritériumok írják elő az adott hatékonysági fokozatnak megfelelő biztonsági vezérlőrendszerek használatát.

Egy biztonsági PLC megvásárlása alapvetően egy megbízható „biztosítási terv” megkötését jelenti a legértékesebb vagyontárgyaira: a munkavállalóira és a termelési eszközeire.

Záró gondolat: A biztonság nem alku tárgya

Visszatérve az első problémánkra, a tipikus PLC és a biztonsági PLC közötti különbség sokkal több, mint egy egyszerű szóhasználat. Szakadékot jelent a tervezési filozófia, a hardverarchitektúra, a diagnosztikai eszközök és a jogi felelősség között.

• A Requirement PLC az automatizálási rendszer „igáslova”, amely a feladatok hatékony elvégzéséért felelős.
• A biztonsági PLC a rendszer „őrangyala” és „biztosítéka”. Csendben működik a színfalak mögött, de a legkritikusabb pillanatokban a végső és legerősebb védelmi vonalként működik a balesetekkel szemben.

A következő automatizálási feladat megtervezésekor ne kezelje a biztonságot opcionális funkcióként vagy plusz költségként. Végezzen klinikai kockázatelemzést, és válassza ki a rendszeréhez megfelelő megközelítést. Az üzleti biztonság világában semmilyen fokozott teljesítmény vagy kapacitás nem pótolhatja egyetlen, megelőzhető balesetből eredő veszteségeket. Egy biztonsági PLC kiválasztása szigorú elkötelezettség az élet, a vagyon és a vállalkozása hírneve iránt.