Защитный ПЛК против стандартного ПЛК: руководство инженера

В этой статье дается углубленный анализ основных принципов безопасности. ПЛК. В ходе многомерного сравнения с традиционными ПЛК раскрываются уникальные принципы их компоновки, включая избыточность, разнообразие и самодиагностику.

Используя комплексные таблицы и анализ данных, мы, безусловно, покажем, почему выбор ПЛК безопасности для важных приложений — это не дополнительные расходы, а жизненно важная финансовая инвестиция в качестве «ремня безопасности» для защиты сотрудников, инструментов и непрерывности производства.

Действительно ли мы «в безопасности» в эпоху автоматизации?

С развитием «Сектора 4.0» и волны интеллектуального производства ПЛК стали основой современных систем автоматизации производственных объектов. От простого управления производственной линией до сложного взаимодействия роботов, ПЛК задают ритм мирового производства благодаря своей эффективности и гибкости.

Тем не менее, когда в системе управления происходит неожиданный сбой, последствия могут быть даже более серьезными, чем ожидалось, — от дорогостоящего повреждения оборудования и остановки производства до необратимых травм работников.

Это ставит перед передним краем важнейший вопрос: может ли ПЛК, от которого вы зависите, надежно перевести систему в безопасное состояние при возникновении угрозы?

Именно в этом и заключается различие между обычным ПЛК и ПЛК безопасности. Многие воспринимают ПЛК безопасности просто как «более надёжный ПЛК», но это лишь поверхностное наблюдение.

Фактически, ПЛК безопасности — это специализированная система управления, разработанная на основе принципов «практической безопасности». Её цель — не просто выполнить задачу, но, прежде всего, обеспечить безопасность при любых обстоятельствах, включая случаи её неисправности.

В этой статье мы, безусловно, развеем мифы о ПЛК безопасности и обсудим, почему он так важен в современной архитектуре автоматизации.

1. Основная цель PLC требований

Прежде чем углубляться в детали ПЛК безопасности, необходимо определить назначение стандартного ПЛК. Типичный ПЛК разработан для эффективной и корректной реализации пользовательских алгоритмов. Его основная цель — обеспечение функциональности и повышение эффективности.

• Modus operandi : Он получает сигналы от датчиков и устройств ввода, выполняет логические операции на основе заранее заданной программы, а затем диски приводы (например, моторы, цилиндрические трубы, запорные устройства) для выполнения заданных действий.
• Цели стиля: Он стремится к более быстрым циклам проверки, большей вычислительной мощности, большему объему памяти и гораздо более обширным пользовательским интерфейсам связи.
• Обработка неисправностей: Когда стандартный ПЛК выходит из строя (например, из-за ошибки ЦП, повреждения памяти), его состояние может оказаться непредсказуемым. Он может обесточить свои выходы, сохранить последнее состояние перед сбоем или даже генерировать неверные сигналы. В частности, в промышленных условиях такая привычка крайне опасна.

Короче говоря, обычный ПЛК — это выдающийся «администратор», однако он не является сертифицированным «опекуном».

2. Safety PLC: Guardian, созданный для «надежной» работы

В отличие от обычного ПЛК, подход ПЛК по безопасности и защите ставит безопасность на первое место с самого начала.

Он соответствует строгим международным критериям безопасности, таким как МЭК 61508  (универсальный стандарт полезной безопасности и защиты) и ИСО 13849-1  (для компонентов систем управления, связанных с безопасностью).

Ее наилучшей целью является достижение «безопасного» состояния, что предполагает, что если какая-либо часть системы (включая сам ПЛК безопасности) выйдет из строя, она немедленно перейдет в заранее определенное, детерминированное безопасное состояние (обычно отключая питание или останавливая опасное движение).

Это продуманное изменение отражено в уникальной архитектуре оборудования и алгоритмах программного обеспечения, в первую очередь достигнутых с помощью трех основных современных технологий:

2.1 Архитектурные различия: от «командной работы» до «избыточного контроля»

Это одно из наиболее эстетически явных отличий между ПЛК системы безопасности и обычным ПЛК.

• Критерий ПЛК: Может включать несколько ЦП. При наличии нескольких ЦП они обычно работают в рамках партнёрства, выполняя различные задачи (например, выполнение логики, взаимодействие, управление движением) для повышения общей эффективности.
• Безопасность PLC: Следует использовать повторяющуюся архитектуру, включающую как минимум два (или более) процессора. Эти процессоры не разделяют задачи, а выполняют одну и ту же управляющую программу параллельно. В конце каждого цикла проверки система в реальном времени сравнивает результаты, полученные от обоих процессоров.
• Результаты матча: Система определяет, что работа идет нормально, и разрешает подачу питания на выходы.
• Несоответствие результатов: Система немедленно обнаруживает внутреннюю неисправность, запускает свою логику безопасности и переводит все соответствующие выходы в предварительно определенное безопасное состояние (например, обесточивание), одновременно активируя сигнал тревоги.

Эта модель «двухканального общего управления» принципиально исключает возможность появления вредоносного выходного сигнала из-за ошибки вычислений одного-единственного центрального процессора.

2.2. Точка зрения стиля: принятие «разнообразия» для обнаружения неизвестных недостатков

Если избыточность — это первая линия защиты от случайных аппаратных сбоев, то «разнообразие» — это достижение против «типичных причин отказа» (CCF). CCF возникает, когда одна причина приводит к синхронному отказу нескольких повторяющихся каналов — например, дефект конструкции, присущий целой партии процессоров.

Чтобы преодолеть эту проблему, современные ПЛК безопасности предпринимают дополнительные действия:

• Разнообразие оборудования: Оба резервных процессора могут быть получены от разных производителей (например, один от Texas Instruments, другой от Infineon). Учитывая, что их внутренние стили, наборы команд и даже процессы производства различаются, крайне маловероятно, что у них будет один и тот же конструктивный недостаток.
• Разнообразие программного обеспечения: Даже при выполнении одного и того же пользовательского рассуждения эта логика часто дорабатывается различными компиляторами для создания двух независимых наборов исполняемого кода. Это позволяет эффективно выявлять системные ошибки, вызванные ошибкой компилятора.

Такая философия «разнообразия» в дизайне сравнима с работой двух экспертов с разным опытом, независимо изучающих одну и ту же запись; она позволяет выявить укоренившиеся проблемы, которые один специалист мог бы упустить из виду из-за скорректированного мышления. Это значительно повышает способность системы выявлять неизвестные и системные ошибки.

2.3 Диагностические возможности: распространенная «самодиагностика»

«Безопасность» ПЛК безопасности заключается не только в избыточности и разнообразии; она также проявляется в его эффективных и постоянных возможностях самодиагностики. Эта диагностика обширна и охватывает всю уязвимость безопасности — от ввода до результата.

• Диагностика ЦП и памяти: В начале и конце каждого цикла сканирования проводятся расширенные проверки регистров ЦП, ОЗУ и ПЗУ.
• Источник питания: следите за: Напряжение питания внутри помещения контролируется в режиме реального времени. Если оно отличается от допустимого значения, быстро срабатывает предохранитель.
• Диагностика сети ввода-вывода: Это принципиальное отличие от обычных ПЛК. Модули безопасного ввода-вывода активно выполняют диагностику цепей, например:
• Входы: Выявление кратковременных замыканий, разомкнутых цепей (обрывов шнура) или перекрестных замыканий с внешними источниками питания.
• Выходы: Определение того, может ли канал результата изменяться должным образом, а также выявление таких проблем, как короткие замыкания или комментарии внешнего напряжения.
• Круглосуточное наблюдение: Двойные системы часов отслеживают друг друга, чтобы избежать ошибок синхронизации, вызванных отклонением или сбоем часов.

Согласно критерию ISO 13849-1, эти этапы анализа дополняют важную спецификацию, называемую «Диагностическая защита (ДЗ)».

ПЛК безопасности и защиты высшего уровня (например, с уровнем PLe) должен обеспечивать уровень диагностической защиты 99% или выше, что означает возможность своевременного выявления более 99% потенциально опасных сбоев в системе. Диагностические возможности обычного ПЛК значительно ниже этого уровня.

3. Комплексное сравнение: ПЛК безопасности и защиты против ПЛК требований

Чтобы обеспечить более интуитивное понимание их различий, следующая таблица предлагает тщательный сравнительный анализ:

4. Когда наличие ПЛК безопасности является обязательным?

Выбор PLC должен определяться не бюджетным планом, а результатами тщательного анализа угроз. Исходя из изученного уровня угроз, необходимо выбрать систему управления, соответствующую необходимому уровню безопасности (SIL) или уровню эффективности (PL).

Обычно использование квалифицированного PLC безопасности является обязательным или настоятельно рекомендуется, если ваше приложение подразумевает что-либо из следующего:

• Опасные места с частым человеческим общением: например, штамповочные прессы, машины для литья под давлением, роботизированные ячейки, требующие световых завес, защитных ограждений или двуручного управления.
• Высокоскоростные или высоконагруженные устройства: Там, где неожиданный запуск или отказ от остановки могут привести к огромным повреждениям, например, в случае с большими конвейерами или штабелирующими кранами.
• Уточните контроль при наличии рисков взрыва или возгорания: например, котлы и системы управления нагревателями (BMS), где сбой в работе системы управления может привести к трагическим последствиям.
• Приложения, прямо предусмотренные законом и инструкциями: Во многих странах и регионах определенные критерии безопасности машин предписывают использование систем контроля безопасности, соответствующих определенной степени эффективности.

По сути, приобретение Security PLC — это приобретение надежного «страхового плана» для вашего самого ценного имущества: ваших работников и вашего производственного оборудования.

Заключительная мысль: безопасность — это непреложная выгода

Возвращаясь к нашему первому вопросу, различие между типичным ПЛК и ПЛК безопасности — это нечто большее, чем просто выбор термина. Оно представляет собой пропасть в философии проектирования, аппаратной архитектуре, диагностических устройствах и правовой ответственности.

• ПЛК Requirement — это «рабочая лошадка» системы автоматизации, отвечающая за эффективное выполнение задач.
• ПЛК безопасности — это «ангел-хранитель» и «защитный элемент» системы. Он работает незаметно, но в самый критический момент выступает в качестве последней и самой надёжной линии защиты от непредвиденных обстоятельств.

Планируя следующую задачу автоматизации, не рассматривайте безопасность как дополнительную функцию или дополнительную плату. Проведите клинический анализ рисков и выберите правильный подход для вашей системы. В сфере коммерческой безопасности никакое повышение эффективности или возможностей не сможет компенсировать потери от единичного, предотвратимого сбоя. Выбор системы безопасности PLC — это серьёзное обязательство по защите жизни, имущества и репутации вашего бизнеса.