安全用plc…和储蓄

名字有什么意义?

当名称是安全可编程逻辑控制器(PLC)时，其含义似乎很明显——一种专为安全关键应用而设计的特殊类型的PLC。

然而，从这个名字中可能无法直观地看出一个事实，那就是这些产品可能会被工业企业广泛使用的主要原因之一。也就是说，安全plc和相关的安全网络可以帮助节省资金和提高生产力。

到目前为止，这个市场还相对较小。马萨诸塞州ARC Advisory Services的研究主管斯帕达(Sal Spada)说。据该公司估计，今年仅安全plc的全球销量就将不足2500万台，而标准plc的市场规模约为44.5亿台，其中不包括单独销售的输入/输出(I/O)、软件和服务。

但斯帕达说，随着时间的推移，这种情况可能会改变。“安全plc还有一个巨大的未开发市场，”他说。Spada预测:“一旦终端用户开始理解安全PLC的概念，以及如何使用它，你就会看到安全PLC的采用曲线与上世纪70年代初的原始PLC相同。”“我认为这将是一个非常高的增长。”

钱储蓄者

乐观的一个原因是国际安全标准的影响力越来越大，比如IEC 61508——国际电工委员会管理可编程电子系统功能安全的标准。业内人士称，随着越来越多的终端用户熟悉这些标准，他们开始认识到基于安全plc的系统所带来的节省。

Spada和其他人指出，安全plc可以以各种方式为制造商带来底线利益。正如标准plc在20世纪70年代作为硬连线继电器逻辑的可编程替代品出现，在减少布线和工程成本方面节省了大量资金，安全plc承诺对安全继电器做同样的事情。此外，基于安全plc的系统比硬连线安全系统更不容易出现“讨厌的行程”，从而不必要地关闭工厂操作。而且它们更容易和更快地进行故障排除，从而减少机器或进程停机时间。

位于南卡罗来纳州格林维尔的安全系统集成商AE Solutions负责过程安全的副总裁迈克•斯科特(Mike Scott)表示:“如果我有一个装有大量继电器的巨大面板在凌晨3点出现故障，我正试图找出故障的原因和原因，那么基于微处理器(安全PLC)的系统是最合适的，因为它有诊断功能。”

AE Solutions在过程工业中获得了大部分收入，这些行业在历史上比制造业更广泛地使用安全plc。但一些供应商指出，最近制造商对安全plc的销售和兴趣一直在上升，尤其是汽车制造商。“汽车行业是实施基于安全plc的解决方案的早期采用者之一，因为他们已经认识到与之相关的成本节约和效益，”西门子自动化和运动部门自动化解决方案业务经理Filomena Wardzel断言。

通用汽车入股

通用汽车公司(General Motors Corp.)就是一个很好的例子。该公司位于密歇根州沃伦市(Warren)的通用汽车技术中心(GM Technical Center)负责控制开发的工程集团经理克雷格•乌尔里奇(Craig Ulrich)说，今年秋天，该公司将首次在生产环境中启用几个基于Safety plc的安全网络。这是通用汽车在密歇根州猎户座湖的一个新汽车项目的一部分。目前，该公司正从密尔沃基的罗克韦尔自动化公司部署约18台Allen-Bradley Guard Safety plc。配置在以太网安全网络上的Guard单元将为工厂人员提供安全监控和“控制可靠”的访问权限，以实现制造车门、引擎盖和后备箱盖的机器人工作单元。

此外，猎户座湖项目只是一个开始。“从2004年开始，我们将使用安全plc设计我们所有的设施，”李晶说。他没有提供推出的时间表。但最终，通用汽车的工程师说，该公司计划在44家工厂的每个工厂部署大约250个安全plc，用于安全关键应用，总共约11000个安全plc。

这是很多的盒子和模块。但通用汽车并没有采取行动，因为它目前的系统不安全。李晶宣称:“我们已经是汽车行业最安全的公司，我们有数据证明这一点。”“所以我们觉得去安全plc根本不能提高我们的安全性。我们这么做是为了降低系统成本。”

通用汽车目前的安全措施包括带围栏的设备工作单元，通过安装在控制面板上的安全继电器进行门控进入系统监控。Ulrich表示，通过将安全继电器替换为安全网络和每个单元的安全PLC，通用汽车预计将减少约14%的硬件和电缆成本，另外还可以节省15%至20%的工程成本。他指出，如果没有安全继电器，“面板的硬件设计就会大大减少。”

李晶证实，另一个好处将是提高生产率。他说:“当我们查看安全继电器的平均故障间隔时间和平均修复时间时，我们知道我们的正常运行时间将通过安全plc得到改善。”“与安全继电器相比，安全PLC电路的故障排除要容易得多。”

翻倍

尽管人们对安全plc的兴趣越来越大，但这个想法并不新鲜。业内人士称，安全PLC的历史可以追溯到20世纪70年代末和80年代初，当时第一批安全专用PLC产品出现在过程工业中。

罗克韦尔的安全控制项目经理Frank Watkins指出，在早期，用户还经常成对配置标准plc用于安全应用。Watkins指出，这种方法(今天有时仍在使用)可以在主单元出现故障时，通过冗余PLC单元安全有序地关闭设备。但他说，这也很昂贵，需要大量的工程设计、硬件和定制软件来支持安全功能。

相比之下，安全PLC通常将冗余构建到单个PLC机箱中。“在一个安全PLC中，你可能有两个、三个甚至四个执行完全相同逻辑的微处理器，互相检查，只有在达成一致的情况下才写入输出，”沃特金斯解释道。“这些微处理器会不时地互相诊断，以确保它们都能正常运行。”Watkins表示，平均而言，双处理器安全PLC的定价可能比可比标准PLC高出25%至30%。

架构的战争

不同的供应商提供不同的体系结构。例如，罗克韦尔公司的Allen-Bradley Guard Safety PLC系列集成了两个相同的中央处理单元，并包括各种内置的自我监控硬件系统和诊断。Guard依赖于一种称为“1 out of 2D”的架构，其中D代表诊断，1 out of 2意味着如果在两个处理器中的一个检测到故障，另一个可以执行安全功能或将系统带入已知的安全状态。

双处理器方法的另一个转折涉及中央处理单元的多样性与冗余性的结合。例如，德国Pilz Automation Safety生产的可编程安全系统(PSS)系列安全plc使用了来自两家不同制造商的微处理器。Pilz应用工程师蒂娜·赫尔(Tina Hull)解释说:“这样一来，如果一家制造商的芯片存在某种内部漏洞，另一家芯片就会捕捉到它，而且仍然能保证安全状态。”

西门子在其S7-400/300安全plc系列上采取了不同的方法。西门子产品专家克里斯蒂安·库尔茨(Christian Kurtz)表示，这些产品依赖于一个控制器中的双处理，通过一种称为“时间多样性”的技术确保安全可靠性。使用这种方法，两个安全程序副本并行执行，一个使用16位字模式，另一个使用单位二进制指令模式。

与许多包含两个或多个处理器的安全plc一样，西门子S7-400/300系列由第三方机构认证，可分别用于IEC 61508和EN 954-1(欧洲规范)标准定义的安全集成级别(SIL) 3和类别4系统。这是传统工业工厂中常见的最高水平。

与其主要专注于过程或制造行业的一些竞争对手不同，西门子提供了其Safety PLC产品的容错和故障安全版本。罗克韦尔公司的沃特金斯表示，Allen-Bradley Guard产品仅用于故障安全应用。

故障安全系统主要用于制造业，通常在发生故障或问题时通过安全关闭机器来保护工人的安全。相比之下，容错系统通常设置为在检测到故障时保持进程运行。这种方法适用于许多连续工艺应用，在这些应用中，停机实际上可能对工人或环境造成危险，并且还可能在产品或设备损失中产生经济损失。容错系统通常设计有“热插拔”组件，例如，可以在系统运行时更换故障处理器或I/O卡。

“在机械行业，你想要立即停止运动，这样你就不会伤害到别人。但在流程行业，你想要保持运行，因为强制关闭可能会导致过热或压力事件，例如，这可能导致设备故障，最终泄漏易燃或有毒物质，”Bill Goble总结道，Exida.com的主要合伙人，位于宾夕法尼亚州塞勒斯维尔。总部位于美国的安全培训和咨询公司。

集成商AE Solutions的Scott观察到，市场上各种各样的安全PLC架构和不同的方法可能会让最终用户感到困惑。适用于SIL 3系统应用的安全plc通常配置为1 / 2D、2 / 2D、2 / 4D和三余度品种，而单工、单处理器单元通常用于较低级别的SIL 1或SIL 2系统。每种方法都有其优点和缺点。斯科特说:“供应商都在打架构战，说‘我的比你的好’。

根据Scott的说法，用于流程工业的安全plc中的“劳斯莱斯”是来自加州欧文市Triconex公司的系统，该系统使用三个处理器以及三倍冗余I/O。“如果我有一个处理器坏了，这没什么大不了的，我就会降级为两选一的方案。如果另一个处理器坏了，我就会降级为一个处理器，而且我还在生产产品，”斯科特说。

但Scott很快补充说，根据用户的应用，高端的Triconex系统并不总是正确的选择。他说:“你需要做一个生命周期成本分析，以确保你能够克服最初的资本成本，因为那辆劳斯莱斯花了你很多钱。”

在总部位于伦敦的英维思(Invensys)旗下的Triconex公司，营销副总裁比尔•巴克维茨(Bill Barkovitz)承认，该公司的三重模块化冗余(TMR)系统的售价通常高于竞争产品。他说:“我们通常会比1 / 2d系统高出10%到20%。”

但Barkovitz认为，考虑到典型过程工业安全系统的总体成本，溢价是最小的。他说:“如果把设计、编程、调试、安装以及所有相关的费用都包括在内，硬件的成本可能只占整个项目的10%。”此外，Barkovitz补充道:“我们并不以价格为卖点。我们的客户购买我们的产品是因为它的高质量和非常容易使用，以及他们从TMR技术中获得的所有好处。”

参见本文侧栏:安全PLC市场份额