由于標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的更改，安全系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)在可以整合為一個(gè)系統(tǒng)了。盡管在整合之前有過(guò)種種非議，但現(xiàn)在使用者們已經(jīng)在享受整合帶來(lái)的，比安全二字更為深遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
在Dedham的ARC咨詢部門(mén)開(kāi)發(fā)咨詢副總監(jiān)Asish Ghosh說(shuō)：“促成這次整合的主要?jiǎng)恿κ菫榱烁实厥褂贸杀荆琈A資金的節(jié)省可以通過(guò)較低的工程和維護(hù)費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)?！笔褂眉上到y(tǒng)，能夠大大降低配線需要，從而節(jié)省了配線費(fèi)用以及柜內(nèi)空間。
Rockwell Automation旗下GuardLogix的營(yíng)銷經(jīng)理Kevin Colloton還說(shuō)明了集成系統(tǒng)在其他方面的優(yōu)點(diǎn)，比如可作為一個(gè)用于控制和安全的公共標(biāo)準(zhǔn)化組件集合。而且這種公用性已經(jīng)不僅僅停留在硬件的范疇。他解釋道：“開(kāi)發(fā)商也可以同時(shí)減少軟件和服務(wù)的費(fèi)用，因?yàn)橥粋€(gè)軟件可以在全廠通用，而操作者只需要熟悉一個(gè)軟件系統(tǒng)就可以了。”
圖1：Siemens AC提供的照片。 那么安全和控制的集成系統(tǒng)會(huì)是什么樣子的呢？它們又是如何應(yīng)用具體工作中的呢？
避免故障的發(fā)生
在一份ARC的報(bào)告中，Ghosh指出：“集成系統(tǒng)要仔細(xì)地設(shè)計(jì)和配置，以降低發(fā)生常規(guī)故障的風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)控制故障的發(fā)生就會(huì)危及到安全功能。Ghosh建議，首先選擇一個(gè)適宜的安全執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，比如IEC61511或ANSI/ISA-840001。標(biāo)準(zhǔn)選定之后，就要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)程度的分析評(píng)估。分析過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同生產(chǎn)操作流程決定相應(yīng)的保護(hù)級(jí)別。完成分析評(píng)估后，根據(jù)以前的鑒定結(jié)果，列出合格供應(yīng)商的名單，最后一個(gè)可以滿足各種特定需要的集成系統(tǒng)就誕生了。
系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商使用了種種方法來(lái)解決安全問(wèn)題和降低常規(guī)故障發(fā)生的可能性。例如，ABB遵循IEC61508和IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，使用了T哣標(biāo)準(zhǔn)化硬件。舉個(gè)例子，這種硬件禁止了對(duì)正在運(yùn)行受保護(hù)程序的控制器的下載操作，這樣就不會(huì)損害這個(gè)程序的安全級(jí)別(SIL)。而且，ABB的產(chǎn)品在邏輯上是發(fā)別運(yùn)行控制程序和安全程序的，并有效地分成了兩個(gè)獨(dú)立工作部件。ABB有限公司的系統(tǒng)市場(chǎng)部經(jīng)理Roy Tanner說(shuō)：“這樣做了之后，如果沒(méi)有擁有權(quán)限的人為干預(yù)，任何外部程序，不管是安全級(jí)的還是非安全級(jí)的，都無(wú)法向安全級(jí)的程序執(zhí)行寫(xiě)操作。”
開(kāi)發(fā)商也設(shè)置了其他安全措施，以防止誤操作，以及組態(tài)過(guò)程中突然斷電而造成的其他問(wèn)題。一旦這種情況發(fā)生，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入安全操作模式。
我們必須清楚，這些正在使用的安全標(biāo)準(zhǔn)并不是一成不變的文件，WAGO公司的產(chǎn)品試驗(yàn)主管Marc Immordino說(shuō)，它們是在不斷改變的，有時(shí)可以使事情變的簡(jiǎn)單，而有時(shí)則相反。
舉個(gè)例子，當(dāng)前正在改進(jìn)的ISO11161和ANSI B11.20標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在某一區(qū)域的生產(chǎn)單元發(fā)生問(wèn)題而停止工作時(shí)，其相鄰的生產(chǎn)區(qū)域仍可以繼續(xù)正常工作。目前對(duì)“區(qū)域”的定義還是模糊不清的，但將來(lái)會(huì)對(duì)“區(qū)域”有一個(gè)的明確的定義劃分，以貫徹標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。
Immordino說(shuō)，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，ISO13849-1及其相關(guān)的IEC61508和62061的合理化標(biāo)準(zhǔn)建議，對(duì)安全功能必須進(jìn)行評(píng)估；它同時(shí)也建議，必須充分預(yù)計(jì)機(jī)電和機(jī)械設(shè)備的故障平均時(shí)間，盡管這個(gè)時(shí)間很大程度上決定于設(shè)備本身。任何集成系統(tǒng)的執(zhí)行都應(yīng)解決相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)所涉及的問(wèn)題，而因?yàn)榻M成要素不同，不同的產(chǎn)業(yè)所面臨的問(wèn)題也不盡相同。
最終用戶的誤操作
雖然這些以及其他的一些措施都是用來(lái)防止發(fā)生因疏忽造成的誤操作的，但還是無(wú)法完全避免最終用戶的誤操作和其他常見(jiàn)失誤。這些問(wèn)題可能發(fā)生在最初配置組態(tài)過(guò)程中，也可能發(fā)生在隨后的變更中。因此，在配置組態(tài)時(shí)，應(yīng)該盡量按照系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商和如T哣一樣的第三方機(jī)構(gòu)制定的指導(dǎo)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作。
訪問(wèn)保護(hù)政策也必須到位。很多集成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商采用密碼和其他方式來(lái)控制訪問(wèn)，“在生產(chǎn)階段，我們可以從一些安全措施中選擇一種來(lái)實(shí)施，以嚴(yán)格控制對(duì)控制器的訪問(wèn)，確保只有經(jīng)授權(quán)的人員才可以訪問(wèn)控制器?！眮?lái)自Rockwell Automation公司的Colloton說(shuō)。
這些安全保障工作必須被切實(shí)完成。規(guī)章制度和具體處理程序必須仔細(xì)而恰當(dāng)，比如，密碼不可以讓很多人知道，也不要用初始設(shè)定，更不可以寫(xiě)在字條上貼在控制器上。
最后，在傳統(tǒng)概念中，控制和安全環(huán)境之間必須有明顯的視覺(jué)區(qū)分，以使操作人員掃一眼就能夠區(qū)分開(kāi)它們。避免視覺(jué)混淆，也就避免了用戶操作錯(cuò)誤系統(tǒng)的情況出現(xiàn)。完成需要的效果常常是很困難的，而整合后的系統(tǒng)的控制和安全部分能夠給人以統(tǒng)一協(xié)調(diào)的感覺(jué)，這樣的協(xié)調(diào)感有時(shí)也是集成系統(tǒng)的賣點(diǎn)之一。
另一方面，一些設(shè)置因其本身的特點(diǎn)而自然而然地比其它類似產(chǎn)品擁有更高的安全系數(shù)。Bosch Rexroth電子驅(qū)動(dòng)和控制公司門(mén)店經(jīng)理Karl Rapp指出，在集成系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置更改不會(huì)像在使用可編程邏輯控制器時(shí)那樣頻繁，而這種特點(diǎn)確保了“驅(qū)動(dòng)安全系統(tǒng)的可靠性，獨(dú)立性，避免了有意或無(wú)意的誤操作的發(fā)生。”
提高效率
通過(guò)一些例子我們看到了控制安全集成系統(tǒng)是如何被使用的?？偛吭O(shè)在Buenos Aires的Atanor SA公司是全球領(lǐng)先的化學(xué)產(chǎn)品、石化產(chǎn)品、聚合體產(chǎn)品和農(nóng)用化學(xué)品開(kāi)發(fā)制造商，這個(gè)公司也主要是阿根廷主要的過(guò)氧化氫生產(chǎn)商，這種物質(zhì)被造紙廠越來(lái)越多地作為漂白劑使用。Atanor最近啟動(dòng)了其在里Rio Tercero的一個(gè)新廠的試運(yùn)行，這個(gè)名為AOA 2的新廠全負(fù)荷生產(chǎn)后，可以每年提供14000公噸以上的過(guò)氧化氫，這個(gè)數(shù)字足以滿足阿根廷全國(guó)一年的消費(fèi)量。
圖2：有了集成安全控制系統(tǒng)，阿根廷人開(kāi)的化學(xué)公司Atanor 提高了效益。在控制室中，
一個(gè)操作師可以在幾分鐘內(nèi)安全的開(kāi)關(guān)整個(gè)工廠。來(lái)自：ABB。
在廠房設(shè)施還在建設(shè)時(shí)，Atanor找到了ABB和它經(jīng)過(guò)第三方機(jī)構(gòu)T哣認(rèn)證，符合IEC61508和IEC60511標(biāo)準(zhǔn)的SIS系統(tǒng)，集成了安全控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這個(gè)機(jī)構(gòu)的組件也能滿足相關(guān)SIL的要求，包括控制器，現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備，I/O模塊和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。
這個(gè)機(jī)構(gòu)包括五個(gè)操作工作單元，每個(gè)單元有六個(gè)本地的和一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)視屏。除了操作界面，也包括工程、信息管理和維護(hù)的界面。AOA 2、AOA 1和以管理嚴(yán)格著稱的Rio Tercero制酸廠的主要負(fù)責(zé)人Odel Priotti要求，這個(gè)新系統(tǒng)中，在不影響的安全的前提下，要盡可能少的使用人力。舉個(gè)例子，他說(shuō)：“一個(gè)操作員能夠花費(fèi)不到十分鐘的時(shí)間將整個(gè)工廠完全啟動(dòng)起來(lái)，通過(guò)安全控制集成系統(tǒng)，他也可以將整個(gè)工廠很快地停掉。如果我們需要，我們可以用不到5分鐘的時(shí)間停止所有運(yùn)行?！倍谶^(guò)去，至少需要兩個(gè)操作員花費(fèi)45分鐘才能關(guān)閉工廠。
集成系統(tǒng)另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它的通用工程環(huán)境，這意味著控制和安全系統(tǒng)只需要用一套工程工具來(lái)完成工作。這個(gè)統(tǒng)一的機(jī)構(gòu)大大減少了工程、培訓(xùn)、操作、維護(hù)和備件的需求，也相應(yīng)減少了這些方面的成本費(fèi)用?！斑@個(gè)系統(tǒng)在維護(hù)方面也很有優(yōu)勢(shì)，不管是控制室還是電腦的維護(hù)，”P(pán)riotti補(bǔ)充道，“我們可以設(shè)定儀器，修改警報(bào)的可視范圍等等，來(lái)得到我們需要的效果。”
集成系統(tǒng)中的散件
散件開(kāi)發(fā)商也看到了集成安全系統(tǒng)后的好處，在汽車產(chǎn)業(yè)，瑞士Wasen的Mewag Meashinenfabrik AG根據(jù)工件外形的需要提供了彎形工具，機(jī)械化的彎頭滿足了不同半徑和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的彎形要求。直徑150mm及以下的管子都進(jìn)行了彎管處理，即使它們都有機(jī)械加工的端口牙紋，可以與法蘭、套環(huán)或螺母相配。
安全級(jí)別，組件的選擇決定成本
Wago公司的產(chǎn)品測(cè)試經(jīng)理Marc Immordino指出：將安全系統(tǒng)集成化的決定本質(zhì)上就是對(duì)一系列各部分相關(guān)的逐一解答，這些問(wèn)題首要的一個(gè)就是決定按哪一種安全保護(hù)模式來(lái)運(yùn)行，選擇的是部分按常規(guī)運(yùn)行，部分按提倡使用的標(biāo)準(zhǔn)和稍微借鑒一下地理知識(shí)來(lái)運(yùn)行。在歐洲，安全保護(hù)寫(xiě)進(jìn)了法律，在美國(guó)安全更像是法規(guī)和經(jīng)濟(jì)衍生的指導(dǎo)方針。Immordino說(shuō)：不管安全的定位如何，確保安全對(duì)成本開(kāi)支總是有影響的。每一個(gè)安全完整性級(jí)別的出故障的概率是上一個(gè)級(jí)別的十分之一。執(zhí)行的成本也會(huì)隨著安全級(jí)別的提高而上漲。安全級(jí)別也會(huì)考慮到各種類型的安全傳感器、開(kāi)/停轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、光簾或安全墊這樣的東西的位置。正因?yàn)檫@些，埃莫迪諾說(shuō)：即使這些各個(gè)部分的問(wèn)題都解決了，也仍還有很多事情要做。
回頭重新評(píng)估一下系統(tǒng)總是一個(gè)好主意的，他說(shuō)：確保安全保護(hù)應(yīng)在哪個(gè)級(jí)別要得當(dāng)，不能太高，也不能太低。
為了減少終端用戶重組的時(shí)間，Mewag公司設(shè)計(jì)了更為對(duì)口的工具頭，然后把機(jī)器水平放置。除了要快外，工具頭的更換還必須安全地進(jìn)行，這也是Mewag設(shè)計(jì)智能安全系統(tǒng)的原因之一。為了這個(gè)系統(tǒng)，它采用了分散的方案，它使用了博世公司的驅(qū)動(dòng)裝置，這種裝置能在沒(méi)有外部硬件支持的條件下實(shí)現(xiàn)相當(dāng)多的安全功能。有了這種方法后，就再也沒(méi)必要使用通過(guò)在主電源線或電機(jī)線上安裝繼電器的傳統(tǒng)方法了。
Mewag的技術(shù)經(jīng)理Samuel Gerber指出，這種看似分散實(shí)質(zhì)集成的控制和安全系統(tǒng)可以幫助效益成倍的增長(zhǎng)。他說(shuō)：“外部監(jiān)視和測(cè)量系統(tǒng)的減少意味著可以節(jié)約配線，也節(jié)省了控制柜內(nèi)空間。”
在其他方面這個(gè)系統(tǒng)也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在一個(gè)特殊的操作模式下，工具可以在一個(gè)減緩的安全的速度下運(yùn)行。當(dāng)從普通模式切換到特殊操作模式的時(shí)候，那些在安全區(qū)域中的機(jī)器驅(qū)動(dòng)裝置便會(huì)自動(dòng)停止，使機(jī)器操作人員可以安全地進(jìn)入這些區(qū)域。
正是這種在集成環(huán)境中可以快速完成的停止動(dòng)作，和容易對(duì)口的工具頭一起形成了巨大的優(yōu)勢(shì)。Gerber說(shuō)：“這個(gè)進(jìn)步意味著產(chǎn)出時(shí)間的明顯減少。”
同樣的在安全方面也是可圈可點(diǎn)的，在設(shè)備中的安全運(yùn)動(dòng)在2毫秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，將錯(cuò)誤的運(yùn)行距離限制在2毫米以內(nèi)，相比較而言，操作者在受保護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備通過(guò)人為判斷、考證來(lái)發(fā)現(xiàn)故障，這樣會(huì)使錯(cuò)誤的操作運(yùn)行的距離比前者長(zhǎng)得多得多，可能得有幾百毫米。
基于軟件的安全
來(lái)自于自動(dòng)化系統(tǒng)的另一個(gè)例子，Kuka Toledo Productions Operation LLC (KTPO)公司把西門(mén)子能源自動(dòng)化變成了自動(dòng)化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集成，KTPO是Kuka的一個(gè)附屬公司，它制造開(kāi)發(fā)車身自動(dòng)化生產(chǎn)線的系統(tǒng)，而且還為DaimlerChrysler提供機(jī)動(dòng)車車身，為了成為首屈一指的供應(yīng)商，KTPO需要設(shè)計(jì)一個(gè)比在每個(gè)生產(chǎn)單元都采用的硬布線的方式更要安全的系統(tǒng)。
圖3：在轉(zhuǎn)換機(jī)上的需要控制升級(jí)的控制，3M公司決定使
用安全控制集成系統(tǒng)。來(lái)自：Rockwell Automation 公司。
傳統(tǒng)的硬線相連的自動(dòng)機(jī)器推進(jìn)的安全系統(tǒng)使用了很結(jié)實(shí)的柵欄，那些離現(xiàn)場(chǎng)很遙遠(yuǎn)緊急制動(dòng)按鈕，安全門(mén)轉(zhuǎn)換器，安全墊，燈簾，冗余的繼電器和多余的布線，這是一個(gè)昂貴而又很古板的配置方法。
在西門(mén)子工作的Kuka開(kāi)始使用集成一體的方法，他將安全和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器控制放到了一根現(xiàn)場(chǎng)總線上，那樣便幾乎去除了所有繼電器的使用，節(jié)省了控制面板的空間和其他硬件，它同樣也減少了工程設(shè)計(jì)、排錯(cuò)和布線的成本。控制安全系統(tǒng)也集成了一個(gè)在電源線上改造了的有著三相匯流槽的模塊，新式電源線的使用又使全部單元距離縮短了20%。
Kuka通過(guò)將基于硬件的安全系統(tǒng)移植到另一個(gè)工作在軟件環(huán)境中的安全系統(tǒng)，它可以得到公用的安全代碼，這些代碼可以轉(zhuǎn)換并從一個(gè)系統(tǒng)移植到另一個(gè)系統(tǒng)，這樣便可以減少系統(tǒng)的試行時(shí)間。Kuka公司的工程師Rod Brown說(shuō)：我們將很快地搭建起一個(gè)系統(tǒng)并且試行過(guò)程會(huì)出奇的簡(jiǎn)單。這種方法僅在首次安裝時(shí)就節(jié)省了數(shù)萬(wàn)美元。
這些節(jié)省部分來(lái)自于布線要求的減少和其他組件。Kuka公司的工程師說(shuō)：在使用新方法后，繼電器、本地輸入輸出接口、終端區(qū)域和電纜連接方面共使成本減少了85%，這種減少成為可能的一個(gè)原因是在所有的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)和安全I(xiàn)/O接口處采取了點(diǎn)級(jí)診斷，同樣的方法也可以使用在總線等級(jí)的故障點(diǎn)，通過(guò)使用診斷性的轉(zhuǎn)發(fā)器，現(xiàn)場(chǎng)總線上的信息在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示，為了輔助排故，系統(tǒng)可以在通訊電纜上定位故障點(diǎn)，且誤差不超過(guò)一英尺。
在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，西門(mén)子處理器處理了普通的機(jī)器功能，也可以同樣探測(cè)和控制所有的安全設(shè)備，有一個(gè)通用的編程環(huán)境，使用類似梯形圖的語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行過(guò)程控制和完成安全功能。
操作簡(jiǎn)單
在倫敦、安大略湖、加拿大都有3M公司磁帶的生產(chǎn)商，有40余種的磁帶進(jìn)行生產(chǎn)，有種粘合劑用來(lái)作為修補(bǔ)，陪襯，用機(jī)器準(zhǔn)確地在磁帶八分之一處減去所要求的寬度。當(dāng)機(jī)器面對(duì)3M公司高質(zhì)量嚴(yán)要求的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，控制系統(tǒng)的靈敏度滿足不了預(yù)期的要求，因?yàn)檫@些系統(tǒng)已經(jīng)很陳舊了。
一位來(lái)自加拿大3M公司的高級(jí)電工工程師Tracy Harvey說(shuō)：我們看到的這些古老的控制方式，有些已經(jīng)有了三四十年的歷史了，如果一個(gè)部件有了故障便會(huì)使整個(gè)機(jī)器幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月不工作。另一個(gè)問(wèn)題陳舊的控制系統(tǒng)很難符合新的安全代碼。
圖4：來(lái)自于Mewag Meashinenfabrik 的彎管機(jī)器用來(lái)在自動(dòng)化工業(yè)中與用
一個(gè)離散的方法提供安全功能的智能
伺服驅(qū)動(dòng)器相連。
面對(duì)控制的急切升級(jí)，3M公司決定從Rockwell Automation引入控制安全集成系統(tǒng)來(lái)解決問(wèn)題，將兩個(gè)系統(tǒng)一體化意味著數(shù)據(jù)字符都將一起被共享，命令執(zhí)行也將被簡(jiǎn)化，長(zhǎng)期與Rockwell Automation產(chǎn)品的接觸對(duì)這個(gè)決定的下定起到了關(guān)鍵的作用。
這個(gè)計(jì)劃要求升級(jí)轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)，然后其他的逐漸也完成升級(jí)。Harvey報(bào)道：首先的安裝工作進(jìn)展得很順利，沒(méi)有受到任何產(chǎn)品的影響，他也期望新的控制系統(tǒng)（用升了級(jí)的驅(qū)動(dòng)器去操縱機(jī)器）將會(huì)使生產(chǎn)力得到提高。他又特別的指出：優(yōu)良的扭矩控制使工程師們減少了無(wú)謂的動(dòng)力輸出，這樣的改進(jìn)正被仔細(xì)研究和改良，為其它的機(jī)器的升級(jí)而做準(zhǔn)備。這些例子和其它的例子說(shuō)明：控制安全集成系統(tǒng)已經(jīng)成功的得到了應(yīng)用，它在多樣的廣闊的工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮了比保障安全更為有著深遠(yuǎn)意義的作用。
翻譯：陳廷炯
