怎樣理解故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)?
故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用越來越多，對(duì)這部分知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)需求也變得多起來。為了便于學(xué)習(xí)分享，我創(chuàng)建了一個(gè)【西門子故障安全系統(tǒng)】的專輯，之前及后續(xù)故障安全相關(guān)的文章都會(huì)放到這個(gè)專輯里。
今天這篇文章，想和大家聊聊故障安全系統(tǒng)的概述，包括如下幾個(gè)主題：
1、什么是故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)？
2、什么是安全完整性等級(jí)？
3、故障安全系統(tǒng)的組成
1、什么是故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)？
故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)(fail-safe automation system)，簡(jiǎn)稱"故障安全系統(tǒng)"，是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生意外或故障時(shí)，能夠立刻進(jìn)入安全狀態(tài)、并保證人身、財(cái)產(chǎn)及環(huán)境不受危害的自動(dòng)化系統(tǒng)。
自動(dòng)化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的意外包括但不限于：急停按鈕被拍下、安全門鎖被打開、安全光幕被遮擋等等，可能發(fā)生的故障也隨系統(tǒng)的不同而有所不同。當(dāng)這些意外或故障發(fā)生時(shí)，安全系統(tǒng)要執(zhí)行安全功能而進(jìn)入安全狀態(tài)（比如：切斷相關(guān)的能源），以保障人身財(cái)產(chǎn)安全。
那么，當(dāng)意外或故障發(fā)生時(shí)，安全系統(tǒng)能在多大的概率上執(zhí)行規(guī)定的安全功能，就成為衡量安全系統(tǒng)可靠程度的指標(biāo)。國(guó)際上制定了相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)故障安全系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最著名的就是IEC61508。該標(biāo)準(zhǔn)提出了安全完整性的概念，并量化了安全完整性等級(jí)，用以評(píng)估系統(tǒng)的安全性。
2、安全完整性及其等級(jí)
在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)和規(guī)定的條件下，安全系統(tǒng)成功執(zhí)行規(guī)定的安全功能的概率稱為"安全完整性(Safety Integrity)"。安全完整性越高，安全系統(tǒng)在要求時(shí)未能執(zhí)行規(guī)定的安全功能或未能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的安全狀態(tài)的概率就越低，系統(tǒng)越安全。
為了量化安全完整性，提出"安全完整性等級(jí)(Safety Integrity Level，SIL)"的概念。
安全完整性等級(jí)包括4個(gè)，分別是：SIL1、SIL2、SIL3和SIL4。SIL1等級(jí)最低，SIL4等級(jí)最高。安全完整性等級(jí)越高，表明安全系統(tǒng)不能完成安全功能的概率就越低。
對(duì)于等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，IEC61508分成兩種情況：
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低要求操作模式；
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高要求操作模式或連續(xù)操作模式；
低要求操作模式的操作頻率每年不大于一次或不大于兩倍的檢測(cè)測(cè)試頻率，否則均應(yīng)視為高要求操作模式或連續(xù)操作模式。
對(duì)于低要求操作模式，安全完整性等級(jí)以執(zhí)行功能的"平均失效概率"來劃分，各等級(jí)相關(guān)定義見下面的表格：
| SIL等級(jí) | 每次執(zhí)行的平均失效概率 |
| 4 | 大于等于10的-5次方，小于10的-4次方 |
| 3 | 大于等于10的-4次方，小于10的-3次方 |
| 2 | 大于等于10的-3次方，小于10的-2次方 |
| 1 | 大于等于10的-2次方，小于10的-1次方 |
對(duì)于高要求操作模式或者連續(xù)操作模式，安全完整性等級(jí)以"每小時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)失效概率"來劃分，各等級(jí)的定義見下面的表格：
| SIL等級(jí) | 每小時(shí)發(fā)生的危險(xiǎn)失效概率 |
| 4 | 大于等于10的-9次方，小于10的-8次方 |
| 3 | 大于等于10的-8次方，小于10的-7次方 |
| 2 | 大于等于10的-7次方，小于10的-6次方 |
| 1 | 大于等于10的-6次方，小于10的-5次方 |
3、故障安全系統(tǒng)組成
一個(gè)完整的故障安全系統(tǒng)至少包括三個(gè)部分：
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輸入檢測(cè)系統(tǒng)；
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運(yùn)算評(píng)估系統(tǒng)；
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輸出響應(yīng)系統(tǒng)；
輸入檢測(cè)系統(tǒng)用來準(zhǔn)確無誤的采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，比如由急停開關(guān)和故障安全輸入模塊構(gòu)成的輸入信號(hào)采集；
運(yùn)算評(píng)估系統(tǒng)用來對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行安全評(píng)估，這個(gè)任務(wù)由故障安全CPU完成；
輸出響應(yīng)系統(tǒng)用來準(zhǔn)確無誤的執(zhí)行運(yùn)算評(píng)估系統(tǒng)的輸出指令，比如：故障安全輸出模塊和繼電器構(gòu)成的控制電路；
好了，關(guān)于故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)概述就先介紹這么多。西門子SIMATIC PLC家族具有構(gòu)成完整故障安全系統(tǒng)的所有產(chǎn)品，比如：S7-1200故障安全系列模塊、S7-1500故障安全系列模塊、ET200S、ET200SP、ET200MP故障安全模塊等等。在后續(xù)的文章中，我們將會(huì)深入到具體的PLC產(chǎn)品系列，介紹故障安全CPU、故障安全模塊、編寫故障安全程序等等。