CLP de segurança vs. CLP padrão: um guia para engenheiros

Este artigo fornece uma avaliação aprofundada dos princípios básicos da Segurança CLPs. Por meio de uma comparação multidimensional com PLCs convencionais, ele expõe seus princípios de layout exclusivos, incluindo redundância, diversidade e autodiagnóstico.

Usando tabelas abrangentes e análise de informações, certamente deixaremos claro por que escolher um CLP de segurança para aplicações essenciais não é uma despesa adicional, mas um investimento financeiro vital para proteger funcionários, ferramentas e continuidade da produção.

Na era da automação, estamos realmente “seguros”?

Com o avanço do Setor 4.0 e a onda da Manufatura Inteligente, o CLP tornou-se a base dos sistemas modernos de automação de instalações fabris. Do controle básico da linha de produção à complexa cooperação robótica, os CLPs impulsionam a produção global com sua eficácia e flexibilidade.

No entanto, quando um sistema de controle sofre uma falha inesperada, os efeitos podem ser ainda mais extremos do que o esperado, variando de danos caros a equipamentos e paradas de produção a ferimentos irreversíveis aos trabalhadores.

Isso traz uma questão crucial à tona: o PLC do qual você depende pode levar o sistema a um estado seguro quando ocorre uma ameaça?

É exatamente aqui que reside a diferença entre um CLP convencional e um CLP de segurança. Muitos percebem um CLP de segurança apenas como um "CLP mais confiável", mas essa visão é apenas superficial.

Na verdade, um CLP de segurança é um sistema de controle especializado, projetado com base nos princípios de "Segurança Prática". Seu objetivo não é apenas concluir uma tarefa, mas, acima de tudo, garantir a segurança em todas as circunstâncias, inclusive quando ele próprio apresenta mau funcionamento.

Esta postagem certamente desmistificará o CLP de segurança e discutirá por que ele é tão crucial na arquitetura de automação moderna.

1. O objetivo principal de um PLC de requisitos

Antes de nos aprofundarmos nos CLPs de Segurança, precisamos definir a função de um CLP padrão. Um CLP típico é desenvolvido para implementar o raciocínio programado pelo usuário de forma eficiente e adequada. Seu objetivo principal é alcançar funcionalidade e aumentar a eficiência.

• Modo de operação: Ele recebe sinais de sensores e dispositivos de entrada, realiza operações lógicas com base em um programa predefinido e, depois disso, unidades atuadores (por exemplo, motores, tubos cilíndricos, válvulas de fechamento) para executar ações dadas.
• Metas de estilo: Ele busca ciclos de verificação mais rápidos, maior poder de processamento, maior memória e interfaces de usuário de comunicação muito mais abrangentes.
• Tratamento de falhas: Quando um CLP padrão para de funcionar (por exemplo, erro de CPU, corrupção de memória), seu estado de resultado pode se tornar imprevisível. Ele pode desenergizar seus resultados, manter o último estado antes da falha ou até mesmo gerar sinais de resultado incorretos. Em circunstâncias industriais específicas, esse comportamento é muito perigoso.

Em suma, um PLC comum é um “administrador” excepcional, porém não é um “guardião” certificado.

2. O PLC de Segurança: Um Guardião Nascido para uma Operação “Certa”

Diferentemente de um PLC convencional, a abordagem de estilo de um PLC de segurança coloca a segurança como a mais alta prioridade desde o início.

Segue rigorosos critérios internacionais de segurança, como IEC 61508  (o padrão universal para segurança e proteção úteis) e ISO 13849-1  (para componentes relacionados à segurança de sistemas de controle).

Seu melhor objetivo é atingir um estado “seguro” — sugerindo que se qualquer parte do sistema (que consiste no próprio PLC de segurança) falhar, ele imediatamente fará a transição para um estado seguro predefinido e determinístico (geralmente desligando a energia ou interrompendo movimentos perigosos).

Essa mudança cuidadosa é simbolizada em sua arquitetura de hardware e algoritmos de software exclusivos, obtidos principalmente com três tecnologias modernas principais:

2.1 Distinção arquitetônica: do “trabalho em equipe” à “supervisão redundante”

Esta é uma das distinções esteticamente mais distintas entre um CLP de segurança e um CLP comum.

• Critério PLC: Pode incluir várias CPUs. Quando existem várias CPUs, elas geralmente operam em parceria, com cada uma executando tarefas diferentes (por exemplo, execução lógica, interações, controle de movimento) para melhorar a eficiência total.
• PLC de segurança: Deve empregar uma arquitetura repetitiva, com pelo menos duas (ou mais) CPUs. Essas CPUs não dividem tarefas; em vez disso, executam exatamente o mesmo programa de controle em paralelo. Ao final de cada ciclo de teste, o sistema realiza uma comparação em tempo real dos resultados de ambas as CPUs.
• Resultados da partida: O sistema identifica que a operação é regular e permite que as saídas sejam energizadas.
• Resultados incompatíveis: O sistema detecta imediatamente uma falha interna, executa sua lógica de segurança e força todas as saídas apropriadas para o estado livre de risco predefinido (por exemplo, desenergizado), enquanto ativa simultaneamente um alarme.

Este modelo de “orientação compartilhada de canal duplo” elimina fundamentalmente a oportunidade de uma saída prejudicial resultante de um erro de computação de uma CPU solitária.

2.2 Ponto de vista do estilo: aceitando a “diversidade” para identificar falhas desconhecidas

Se a redundância é a primeira linha de defesa contra falhas aleatórias de hardware, então a "diversidade" é a solução contra "Falhas por Causa Usual" (CCFs). Uma CCF ocorre quando uma única causa leva à falha sincronizada de vários canais repetitivos – por exemplo, uma falha de design presente em um lote inteiro de CPUs.

Para superar isso, os PLCs de segurança avançados levam seu estilo a um passo adicional:

• Variedade de equipamentos: Ambas as CPUs redundantes podem ser provenientes de fabricantes diferentes (por exemplo, uma da Texas Instruments, outra da Infineon). Dado que seus estilos de interiores, conjuntos de direção e até mesmo procedimentos de fabricação variam, é extremamente improvável que compartilhem a mesma falha de projeto.
• Variedade de software: Mesmo executando o mesmo raciocínio do usuário, essa lógica é frequentemente refinada por vários compiladores para criar dois conjuntos independentes de código executável. Isso pode identificar efetivamente erros sistêmicos introduzidos por um bug do compilador.

Essa filosofia de design de "diversidade" é comparável a ter dois especialistas com históricos diferentes investigando separadamente o mesmo registro; permite a detecção de preocupações arraigadas que um único profissional poderia ignorar devido a uma mentalidade revisada. Isso aumenta significativamente a capacidade do sistema de identificar erros desconhecidos e sistêmicos.

2.3 Capacidade de diagnóstico: “Autodiagnóstico” comum

A "segurança" de um CLP de segurança não se resume apenas à redundância e à diversidade; ela também se reflete em suas capacidades de autodiagnóstico eficazes e constantes. Esses diagnósticos são abrangentes, abrangendo toda a brecha de segurança, da entrada ao resultado.

• Diagnóstico de CPU e memória: Exames extensivos são realizados nos registros da CPU, RAM e ROM no início e no fim de cada ciclo de varredura.
• Monitorando a fonte de alimentação: As tensões de alimentação elétrica interna são verificadas em tempo real. Caso sejam diferentes da tensão de segurança, um sistema de segurança é ativado rapidamente.
• Diagnóstico de rede de E/S: Este é um diferencial crucial em relação aos CLPs comuns. Os módulos de E/S de segurança realizam ativamente diagnósticos de circuitos, como:
• Entradas: Identificar circuitos curtos, circuitos abertos (quebras de cabo) ou circuitos cruzados com fontes de energia externas.
• Saídas: Detectar se o canal de resultado pode mudar corretamente e determinar preocupações como curtos-circuitos ou comentários de tensão externa.
• Vigilância do relógio: Os sistemas de relógios duplos monitoram um ao outro para evitar erros de cronometragem causados por falhas ou desvios do relógio.

De acordo com o critério ISO 13849-1, essas etapas de análise são adicionadas a uma especificação vital chamada “Proteção de Diagnóstico (DC)”.

Um CLP de segurança de alto nível (por exemplo, classificado para PLe) deve atingir um nível de proteção de diagnóstico de 99% ou superior, o que implica que mais de 99% de falhas potencialmente perigosas no sistema podem ser identificadas em tempo hábil. As capacidades de diagnóstico de um CLP convencional ficam muito aquém desse nível.

3. Comparação abrangente: PLC de segurança e proteção vs. PLC de requisitos

Para fornecer uma compreensão muito mais instintiva de suas distinções, a tabela a seguir fornece uma análise lado a lado completa:.

4. Quando um CLP de segurança é obrigatório?

A opção por PLC não deve ser determinada pelo orçamento, mas sim pelos resultados de uma rigorosa Análise de Risco. Com base no nível de risco analisado, você precisa escolher um sistema de controle que atenda ao Nível de Honestidade de Segurança (SIL) ou Nível de Eficiência (PL) necessários.

Normalmente, o uso de um PLC de segurança qualificado é obrigatório ou altamente recomendado quando sua aplicação envolve qualquer um dos seguintes:

• Locais perigosos com comunicação humana frequente: por exemplo, prensas de estampagem, máquinas de moldagem por injeção, células robóticas que exigem cortinas de luz, portões de segurança ou controles bimanuais.
• Dispositivos de alta velocidade ou carga pesada: Onde uma partida inesperada ou falha na parada pode causar danos enormes, como em grandes transportadores ou transelevadores.
• Refine o controle com riscos de explosão ou queima: por exemplo, caldeiras e soluções de gerenciamento de aquecedores (BMS), onde uma falha de controle pode causar uma situação trágica.
• Aplicações explicitamente previstas em lei e diretrizes: Em muitas nações e áreas, critérios específicos de segurança de máquinas exigem o uso de sistemas de controle de segurança compatíveis com um determinado grau de eficiência.

Adquirir um PLC de segurança é, basicamente, comprar um “plano de seguro” confiável para seus bens mais valiosos: seus funcionários e seus dispositivos de produção.

Consideração final: Segurança é um lucro não negociável

Voltando à nossa primeira preocupação, a distinção entre um CLP típico e um CLP de segurança é muito mais do que uma simples escolha de palavras. Representa um abismo na filosofia de projeto, arquitetura de hardware, dispositivos de diagnóstico e responsabilidade legal.

• Um CLP é o “cavalo de batalha” de um sistema de automação, responsável por executar tarefas com eficiência.
• Um CLP de segurança é o "anjo da guarda" e "salvaguarda" do sistema. Ele opera silenciosamente nos bastidores, mas em um dos momentos mais críticos, funciona como a linha final e mais robusta de proteção contra um acidente.

Ao planejar sua próxima tarefa de automação, não trate a segurança como uma função opcional ou um custo extra. Realize uma análise clínica de riscos e escolha a mente certa para o seu sistema. No mundo da segurança industrial, nenhuma quantidade de eficiência ou capacidade aprimorada pode compensar as perdas de uma única falha evitável. Escolher um PLC de segurança é um compromisso sério com a vida, a propriedade e a reputação da sua empresa.