安全控制系统概述
1、安全控制系统的地位和作用
我们从权威的IEC61508 和IEC61511 标准入手来讨论安全控制系统的概念。IEC61508 基本上是面向安全控制系统的制造和供应商的，如Honeywell 的SM就获得了该标准的认证；IEC61511 则是面向流程工业安全控制系统的设计者、集成者以及用户的，为IEC61508 在石化等过程工业的应用提供了一个操作性更强、更易于理解的版本。先来看IEC61511。下图是该标准对过程工业控制和安全管理的一个分层描述。它的内核是工艺流程或生产装置，首先要建立基本过程控制系统（Basic Process ControlSystems）对过程对象进行控制，比如DCS 或以前的由常规仪表组成的控制系统。它的外面是安全防护层（Prevention），这其中就包括了安全仪表控制系统（Safety InstrumentedControl Systems），即我们常说的ESD 安全系统。安全仪表系统定义为“它是由传感器、逻辑解算单元和最终控制元件组成的控制系统，设计用于当生产过程的预定条件受到冲击时，自动地将其置于安全状态”。这些预定条件包括压力高限、温度高限等工艺参数。安全仪表检测出潜在的危险工艺状态，通过组态的联锁逻辑控制现场电磁阀等的切断或导通，保护工业设备和人员的安全；下一层是减灾（Mitigation），它也包括了安全仪表控制系统，即火灾和可燃气体安全控制系统。再外层就是消防等紧急响应系统等。
将安全功能和常规控制功能用不同的控制器来完成有很多方面的考虑，主要有三点：故障独立：如果控制系统故障，这时恰恰需要安全系统对生产装置的安全做出保障。如果把它们的功能用同一套控制系统实现，就可能同时丧失控制功能。安全可靠（Security）：常规控制系统相对来说会经常地改变控制因素，比如改变控制参数，改变控制模式，以及改变控制方案等等。从安全可靠性来说，其要求并不是十分严格。而对安全系统则不然，改变设定值，改变控制逻辑可能有严格限制，必须遵循特定的审批制度，得到授权才能进行。
对控制器的安全要求：用于安全系统的控制器有特殊的性能指标要求，比如其
诊断能力要在95%以上，获得认证的故障安全（Fail-safe）响应能力，特定的
软件错误检测、数据存储保护和故障容错要求等等。这种特殊的安全性和可靠
性的性能指标是一般控制系统不具备的或者说不需要的。
2、安全控制系统的特点
安全控制器和常规的PLC 有相似之处，它们都能完成逻辑和数学计算，都有输入输出卡件，对输入信号扫描并按照特定的控制逻辑驱动现场最终控制元件，也都有数字通讯端口。但是常规的PLC 从设计上并不具备故障容错和故障安全的性能，这是它们的最基本区别。简要归纳安全控制系统的几个特点：
它要达到两个重要目标：
l 要有极高的安全性（Safety）和有效性（Availability），即使出现故障，也要用冗余等措施使系统工作正常。
l 故障只能是以可预见的、安全方式出现。
着重内部诊断，将硬件和软件相结合，检测出系统本身的异常操作，检测出99%以上内部元器件的潜在危险故障；要采用一系列特殊的技术保证软件的可靠性；冗余配置，即使部件出现故障时也要保持正常操作；对通过数字通讯端口的任何读写要有非常高的安全可靠保证。
在系统设计时采用故障模式、影响和诊断分析（Failure Modes, Effects andDiagnostic Analysis，FMEDA），研究、测试系统中的每个部件会出现怎样的故障，以及系统怎样检测出这些故障。
要通过第三方的权威认证，比如TüV 认证，以便满足国际标准对安全和可靠性的严格要求。
3、标准PLC 故障分析及SM系统输出电路的特点
下面我们通过故障模式、影响和诊断分析（FMEDA），看一看常规PLC 的典型输出电路的故障，以及SM是如何避免这些故障的。下是PLC 的输出电路和可能的故障。
l 输出短路故障
当晶体管的集电极和发射极短路时，相当于+24VDC 电源直接接到负载上，也就是说负载仍处于带电状态。对于这种不会导致正常为带电状态的输出失电的故障，称为“被动”故障（Passive fault）。由于无法使输出失电从而进入安全状态，因此它是“危险的”（Dangerous）。“被动”故障影响安全但不影响有效性，归类为导致危险故障（FailTo Danger，FTD）。
l 输出断路故障
当晶体管的发射极输出断路时，负载失电。对于这种导致正常为带电状态的输出失电的故障，称为“主动”故障（Active fault）。由于它使输出失电从而进入安全状态，因此它是“安全的”。“主动”故障不影响安全但影响有效性，归类为导致损失故障（FailTo Nuisance，FTN）。
安全监控系统的设计和制造要瞄准这样的目标：
①零“被动”故障（FTD）；
②避免太多的“主动”故障（FTN）影响有效性。
基本的安全准则是：“在操作运行的任何时间周期内，单一故障的存在不能影响安全”。基于这样的标准，SM的DO 输出电路如下图所示。它将两个电路串联在一起，同时这两个电路的状态（STATUS）被实时监测，一旦其中的一个电路出现了前述的短路故障，另一个电路仍然能够切断输出，也就使FTD 故障降为零。当我们将输出电路冗余配置时，如下图所示，就更大地提高了系统的有效性。
SM系统硬件介绍
1、主处理器FS-QPP-0001
技术数据
基本 | 型号 | FS-QPP-0001 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作温度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存储温度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相对湿度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
电源 | 24 V电源电压 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V电源电流 | max. 25 mA | |
5 V电源电压 | 5 Vdc± 5% | |
5 V电源电流 | max 1.2 A | |
输出电源电压 | 15 — 31 Vdc | |
输出电阻 | 约1.1 K | |
SD输入 | 电压（高） | 15 — 32 Vdc |
电压（低） | < 4 V（反向极性保护） | |
输入电流 | 约8mA 24 Vdc | |
物理 | 尺寸 H×W×D | 176×88.5×212mm 6.93×3.48×8.35in |
重量 | 1.3 kg |
2、 接口模块FC-USI-0001
技术数据
基本 | 型号 | FC-USI-0001 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作温度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存储温度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相对湿度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
电源 | 5 V电源电压 | 5 Vdc±5% |
5 V电源电流 | max1.2A | |
物理 | 尺寸 H×W×D | 176×35.2×212mm 6.93×1.4×8.35in |
重量 | 0.7 kg |
3、 电池模块FC-BKM-0001
技术数据
基本 | 型号 | FS-QPP-0001 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作温度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存储温度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相对湿度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
电源 | 24 V电源电压 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V电源电流 | max. 20 mA（从每个24伏直流电）typ .7 mA（24伏直流负载分担） | |
5VR电压 | 5 Vdc± 10% | |
5VR电流 | max. 10 mA | |
输出电压 | 14 — 31 Vdc | |
输出电阻 | 约2×1.1 k（并联） | |
输入 | 电压（高） | 14 — 35 Vdc |
电压（低） | < 7 Vdc（反向极性保护） | |
输入电流 | 2.3 mA at 24 Vdc | |
输入滤波器（IN1） | typ. 0.1 ms | |
输入滤波器（IN2 & IN3） | typ. 10 ms | |
电池 | 材料 | 锂亚硫酰氯 |
电压 | 标称3.6 V | |
容量 | ＞2Ah | |
尺寸 | AA | |
操作温度 | – 20°C — +85°C ( – 4°F — +185°F) | |
物理 | 尺寸H × W × D | 176 × 35.2 × 212 mm 6.93 × 1.4 × 8.35 in |
重量 | 500克 |
4、 供电模块FC-PSU-240516
技术数据
基本 | 型号 | FC-PSU-240516 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
操作温度 | – 5°C — +70°C (+23°F — +158°F) | |
存储温度 | – 40°C — +85°C ( – 40°F — +185°F) | |
相对湿度 | 10 - 95%（非冷凝） | |
电源 | 24 V电源电压 | 24 Vdc– 15% — +30% |
24 V电源电流 |
< 6 A at 24 Vin (16 A load) | |
浪涌电流 | < 5 A at 24 Vin | |
5 v_load | min. 0.5 A max. 16 A | |
5 vr_load | max. (16 A — 5V_load) | |
保持时间 | ＜1ms | |
物理 | 尺寸H × W × D | 176 × 35.2 × 212 mm 6.93 × 1.4 × 8.35 in |
重量 | 0,85 kg |
5、 230VAC/24VDC 45A系统电源FC-PSU-UNI2450
技术数据
基本 | 型号 | FC-PSU-UNI2450 |
认证 | CE，TUV， UL，CSA | |
电源 | 电源要求 | 110 - 240 VAC（范围：93 — 253 Vac） |
无负载功耗 | 13W | |
输入频率范围 | 47 – 63HZ | |
物理 | 物理尺寸 |
420.5 × 140 × 90 mm (W × H × D) |
重量 | 5.7kg（12.5磅）包括索套 | |
环境 | 环境温度 | – 25°C — +85°C ( – 13°F — +185°F) |
操作温度 | – 5°C — +70°C (23°F — +158°F) | |
输入 | 浪涌电流 | < 15 A |
输出 | 输出电压 | 25 Vdc或28 Vdc |
纹波和噪声 | < 40 mVpp | |
输出电流（25V） | 48 A – 5°C — +50°C (23°F — +122°F) | |
输出电流（28V） | 43 A – 5°C — +50°C (23°F — +122°F) | |
额定输出电流 | 开始50°C (122°F): 30 W/°C | |
保持时间 | 100ms（满负载） | |
输出电压设置 | 25 Vdc |
6、模拟量输入模块FS-SAI-1620m
技术数据
基本 | 型号 | FC-PSU-240516 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空间要求 | 4TE，3HE（= 4HP，3U） | |
电源 | 电源要求 |
5 Vdc, 35 mA |
输入 | 输入通道 | 16 |
输入范围 | 0 - 4.1 V | |
输入阻抗 | > 1M | |
A / D转换器 | 12-bit | |
转换器误差 | ±1 LSB | |
模块误差 | ＜0.25% | |
高低限 | ± 36 Vdc | |
信号范围 | 0-4.1V |
7、 数字输入模块FS-SDI-1624
技术数据
基本 | 型号 | FS-SDI-1624 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空间要求 | 4 TE, 3 HE (= 4 HP, 3U) | |
电源 | 电源要求 | 5 Vdc, 8 mA
24dc ext. 110 mA(电流输入) |
纹波含量（5 VDC） | < 0.5 Vp-p (0 — 360 Hz) | |
输入 | 输入通道 | 16 |
最大输入电压 | 36Vdc | |
输入电流 | 7 mA 24 Vdc | |
Input HIGH | > 15 VDC | |
Input LOW | ＜9 VDC（I＜2 mA） | |
输入延迟 | 通常为10ms | |
输出 | 最大输出 | 450 mA |
最大负载电容 | 32 μF | |
电压降 | < 1.5 V 450 mA |
8、 数字输出模块FS-SDO-0824
技术数据
基本 | 型号 | FS-SDO-0824 |
认证 | CE, TUV, UL, CSA, FM | |
空间要求 | 4 TE, 3 HE (= 4 HP, 3U) | |
电源 | 电源要求 |
5 Vdc, 25 mA |
输出 | 输入通道 | 8 |
输出规格 | 24 Vdc的固态源，短路保护 | |
最大电流 | 550 mA | |
最大负载 | 120mA（2.9 W） | |
最大负荷容量 | 1μF | |
电压降 | < 2.0 Vdc at 500 mA | |
截止电流 | < 0.1 mA | |
看门狗输入电流 | 8 mA |
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