西门子故障安全型PLC在焊管生产线上的应用

为了提高设备的运行安全，保障操作人员的安全，尽可能减少事故损失，介绍了西门子故障安全型PLC在焊管生产线上的应用情况。将该故障安全型PLC与普通PLC进行了对比，对其在焊管生产线上的设备构成以及参数设置进行了论述，并对应用情况进行了风险图评估、系统评估以及西门子SAFETY评估工具评估。安全评估结果显示，该西门子故障安全型PLC能够有效提升焊管生产线的安全运行性能。

随着社会的进步，各行业对安全的要求越来越高，如何提高设备的本质安全，建立一个安全操作系统，最大限度地减少由于误操作发生人身伤害和设备损坏的几率成为未来的发展方向，故障安全型PLC的出现可以很好地解决这一问题。

1故障安全型PLC与普通PLC的区别

（1）认证不同。故障安全型PLC是经过安全认证的，能够用于安全系统，也能被用于普通系统，但普通PLC不能用于安全系统。安全程序中标准安全功能块是经过安全认证的，普通程序的功能块没有经过认证。

（2）数据传输协议不同。安全型PLC之间的通讯是通过PROFIsafe协议来保证数据安全。而普通PLC之间的数据交换是通过PROFIBUS或PROFINET协议来保证数据安全。PROFIsafe协议是加载在PROFIBUS或PROFINET协议层之上的，在数据中增加了更多的校验机制，因此可靠性更高。

（3）内部接线方式不同。在接线上，普通PLC采用单通道内部接线，故障安全型PLC采用双通道内部供电接线。

（4）外围硬件选型不同。故障安全型PLC必须选择相应等级的安全传感器，如果传感器安全等级不达标，即使PLC达到了安全等级，整个系统的安全性也是不可靠的。西门子故障安全型PLC的安全等级为SIL3，相应的传感器也需要达到SIL3级别。

2现场概况

螺旋焊管生产线常规工艺流程：拆卷—七辊矫平—钢带对接—铣边—成型—内外自动焊接—定尺切断—管内清渣—管端平头—X光射线连续探伤—管端修磨—水压试验—管端定径—管端加工—超声检测—管端X射线检查—成品检查—称重测长—标识喷涂—钢管入库。

各个工位之间利用辊道及横移车运输钢管。其中人工工位和非人工工位交叉，操作人员经常不经意进入自动运行区域，因此对于操作人员的安全保障尤为重要。原设备为普通西门子S7-300系列PLC，再加上传感器安装接线不达标，原设备只达到SIL 1的安全级别，属于最基本的安全等级。

西门子故障安全型PLC正好符合这种需求，因此在各大型生产线中被广泛应用。常用CPU型号为1516F-3PN/DP，安全级别达到SIL 3，支持PROFIBUS和PROFINET两种工业现场总线，并支持PROFIsafe安全数据通讯。

现场的安全器件包括安全门、安全光幕、急停、安全激光扫描仪、安全踏垫等。所有的安全器件均就近连接在远程IO站或通过PROFINET总线接入安全PLC。

为了确保即使在紧急情况下也能够安全地切换机器，需要为机器连接急停命令设备，并通过两个接触器来控制执行器。该安全功能设计的安全等级最高可达PL e（符合EN ISO 13849-1）和SIL 3（符合IEC 62061）。为了达到所要求的安全等级，急停功能采用双通道设计，并由控制器监视是否存在不一致和交叉电路等情况（如图2所示）。

此外，执行器还进行了冗余设置，以确保在其中一个接触器发生故障（例如触点焊接）时，机器仍可由另一个接触器安全关断。

3系统硬件结构

3.1系统新增安全传感器

辊道安全护栏增加安全门开关，确保打开停机；横移车增加安全激光扫描仪，确保运行范围内无操作人员；人工工位增加安全踏垫及安全光幕，确保工作时操作人员安全。

3.2安全控制系统硬件组成

控制系统如图3所示，包括PROFINET和PROFIBUS两个网络，主要设备包括CPU控制器1516F-3PN/DP，输入模块F-DI 16×24VDC，输出模块F-DO 8×24VDC，急停按钮和安全门开关以及安全激光扫描仪、安全踏垫、安全光幕。

4控制系统参数设置

4.1 CPU单元

CPU控制器为1516F-3PN/DP，支持软件中的各种安全功能块，包括急停功能块和安全锁功能块等，可以根据需要使用。

4.2输入模块设置

F-DI 16×24VDC是专门用于安全系统的信号输入模块，模块有16路输入通道，用户只能使用其中的8路通道，另外8路通道和可使用的通道组成冗余。系统会在每个扫描周期内比较两个冗余通道之间的电平，如果电平相差在允许范围内，就认为该通道正常；如果差别超过允许范围，就认为该通道有问题，同时安全模块会报警，停止工作，该通道不再起作用。

通道诊断界面如图4所示。在操作模式中选安全模式，一旦通道出现故障后，钝化一个通道。在设置中启用冗余检测功能，只有两个通道的电平一致，才表示通道正常。

4.3输出模块设置

F-DO 8×24VDC是专门用于安全系统的信号输出模块，模块共有8路输出通道，只有一种安全模式。选择故障诊断功能，将最大检测时间设置为1 000 ms，一旦通道出现故障后，钝化这个通道（如图5所示）。

5安全功能块

故障安全型PLC必须使用安全库中程序块进行编程，这些安全程序块都是经过认证，能够确保整个系统在程序环节到达SIL 3等级。安全PLC自带Safety Administration设置选项，用来设置安全程序的调用方式及循环时间，安全管理设置界面如图6所示。

安全程序块界面如图7所示。可以将安全程序设定在规定位置调用（一般在OB123组织块中调用），而所有的安全程序会集中在一个FB的程序块中，此FB块在OB123中调用。OB123组织块属于安全功能专用的循环中断组织块，安装西门子TIA STEP7 Safety软件后可找到。

对安全信号的处理是通过急停功能块ESTOP1来完成的，在安全功能库中可找到此功能块，E_STOP输入管脚填写急停开关的硬件地址，ACK管脚填写故障复位开关的硬件地址，Q管脚填写安全输出的硬件地址，ACK_REQ为请求复位状态，可分配地址进行监控。

6安全评估

电气系统设计时，先依据标准EN/ISO13849-1对电气系统进行定量安全等级评估。在评估过程中，运用了专业安全评估工具，西门子公司的评估工具为Safety Evaluation Tool。

6.1风险图评估

根据标准提供的风险图，输入时间应用中伤害严重程度、发生的概率和防止的可能性等参数。从而得出系统的安全等级要求为“c”，安全等级评估界面如图8所示，风险评估示意图如图9所示。

6.2系统评估

对设备电气系统各部分进行评估，以横移车为例。横移车安全功能控制回路包括：急停按钮和安全激光扫描仪、安全信号输入模块F-DI 16×24VDC、故障安全型PLC 1516F-3PN/DP、CPU和变频器安全信号网络PROFIsafe、西门子G120变频器、横移车电机抱闸。

急停开关和安全激光扫描仪信号通过双通道方式接入F-DI安全输入模块，相关状态经过安全信号网络PROFIsafe传到CPU1516F-3PN/DP。经过安全功能块处理，CPU1516F-3PN/DP发出指令，通过网络PROFIsafe传到G120变频器，G120执行安全停车功能，同时控制横移车电机抱闸抱死，从而紧急停止横移车运行。

6.3 Safety Evaluation Tool评估工具对系统评估

根据安全标准和设备工艺要求，电气系统需要达到的安全等级是“c”。

按照前述设备电气系统评估过程，输入每个功能元素的安全指标值，得出现有设备的各部分安全等级已经达到或者超过等级“c”，整个系统的评估结果是达到了安全等级“d”，满足实际的安全等级需要，Safety Evaluation Tool评估界面如图10所示。

设计中还采用了其他第三方安全评估软件进行安全评估，评估结果一致。

7结论

通过升级故障安全型PLC，得出了以下几点体会。

（1）安全应具备全局性、系统性、整体性，不能有短板。安全等级最低的环节决定了整个系统的安全等级，只有每一个环节都实现相应的安全等级，整个系统才能是安全的。

（2）社会对安全问题日益重视，生产厂家将更加重视生产设备的安全评估，供应商必须提供满足安全标准的生产设备，还需提供该设备符合国际安全标准的安全评估结果。

（3）安全的系统需要安全的硬件，程序的编写也必须符合安全规范，使用相应的安全程序块才能保证硬件正确执行，这一环节在安全系统中往往被忽视。

（4）对于大部分系统采用西门子产品的生产设备，可利用西门子SAFETY评估工具进行安全评估，从而可以很方便地在系统设计阶段就考虑到系统安全集成，节省后期的系统调试时间。