基于安全PLC的燃气阀组控制系统改造升级
时间：2023-02-16 16:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
朱富良，侯邑平，刘东旭，吴睿婧，蔡丹宁
（1.北自所（北京）科技发展股份有限公司，北京 100120；
2.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）
燃气阀组（又称：Gas train）系统，是由燃气阀门、压力表、压力开关、电磁阀、火焰检测器、温度传感器、燃烧器等所组成的一套完整的点火、加热系统。如图1中所示就是一套完整的燃气阀组系统的组成，分成点火阀组系统和主火阀组系统；
简要的展示了管路组成、控制阀的位置、信息的采集点等硬件组成和相关控制信息。这种燃气阀组的整体系统硬件组成已经比较成熟，阀组自身的运行也很稳定。
图1 标准燃气阀组组成简图
燃气阀组的组成是相对固定的，已经标准化了，在各种燃气加热设备中广泛使用；
然而，其控制系统的配置就各有不同了，各厂家根据生产的实际需要，按需配置、设计。燃气是易燃、易爆物，使用十分危险，但在工业中，燃气加热的使用还是非常广泛的；
所以，需要配套可靠、安全的控制系统实现控制功能，保证系统的可靠性，以保证设备运行的稳定、人员的安全。随着工业自动化程度的不断提高，人们对工业安全的重视程度也在不断的提高，控制系统也需要不断更新，提升控制精度，保证控制安全性。以下介绍烘箱加热系统的燃气阀组控制系统的改造、升级。
原控制系统使用的是基于普通PLC的控制系统，信号的采集、阀组的控制都直接由PLC控制。具体接线、控制流程如图2所示。
图2 普通PLC接线、控制流程简易示图
1）PLC输入：信号点直接接入PLC的输入点，作为信号集采。
2）程序处理：在程序中做信号处理，将相关信息串联，直接控制信号输出。
3）PLC输出：程序控制运行，PLC输出点直接控制燃气阀的开关动作。
这种以PLC为控制中枢进行系统控制的方式，相比以前纯硬件（继电器、时间继电器、计数器等）搭设控制回路，在安全性、可靠性等方面已有显著的提高，充分利用了PLC控制的优点，提高控制的可靠性。但是，随着技术的不断进步、自动化程度的提高，以及人们安全意识的不断提高，不仅要求设备有更高的自动化系统、还需要系统运行的更加安全可靠。
随着人们要求的不断提高，控制领域的硬件、软件也在不断的更新，控制技术也不断的提高。对于系统的安全、可靠的控制方式有多种，“冗余”就是十分有效，且被广泛使用的一种。
“冗余”的概念和应用范围十分广泛，在自动化集成系统中经常使用。冗余，是指系统中的两个或多个处理器之间要经常比较各自的状态，根据一定的规则处理信号，以决定系统是否工作在正常的状态；
这种状态的比较和系统可靠性的判定是同步进行的。冗余可以分为工作冗余和后备冗余。工作冗余是一种两个或两个以上的单元并行工作的并联模型，平时由各处理单元平均负担工作；
而后备冗余平时只需要一个处理单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。以上是冗余的总体概念，PLC冗余又有相应的细分。PLC冗余可以分为硬件冗余和软件冗余。顾名思义，硬件冗余是指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。软件冗余则是指在PLC软件编程的时候，通过软件设计实现数据的读取、备用，监视到异常时自动切换。
从概念上讲，要增加完整的冗余控制系统，就需要增加冗余PLC，采用一定数量或者成倍量的设备或元件的方式组成控制系统。当某一元件或设备故障时，可以有备用元件或设备切换；
当然，也可以在软件控制系统做同样方式的冗余处理。
所以，本系统的改造升级的整体理念就是在控制系统中适当的增加冗余控制，以提高整体系统的可靠性和安全性。
2.1 软硬件结合，增加冗余控制；
提高控制系统的可靠性、安全性。
继续依托现有普通PLC作为控制中枢，在原控制系统的基础上，增加继电器、时间继电器、接触器等电气元件。燃气管路上的信号不直接接入PLC，而是通过继电器隔离、过渡，再将继电器信号接入PLC；
PLC输出也增加继电器隔离、过渡，PLC通过控制继电器间接控制各种阀门的动作，同时，将输出控制的继电器的信号反馈到PLC。
简单讲，就是在信号处理上做了冗余和反馈的处理，增加系统可靠性。如图2中普通PLC信号处理所示，普通PLC的信号处理就是直接输入、输出，只在PLC内部的程序逻辑内做信号判断、处理；
这就是单一的信号处理，对外部信号的输入及自身的输出情况无任何的判断处理，无法完全判断外部元件的实际运行情况。
增加冗余控制，就可以改善上述的问题。如图2中普通PLC信号处理（冗余）所示，继电器将传感器的信号一份为二（用继电器过渡的方式实现：隔断外部电路直接与PLC连接，可以保护PLC触点不受外部电路的影响；
多触点继电器使用增加多了触点信号。）。继电器的两个触点，一个直接接入PLC（继电器1）；
另一个触点与其他传感器的继电器串联在一起，直接驱动另一个继电器（继电器X），再接入PLC。这样的改造，输入信号一分为二，对输入信号做冗余处理，PLC信号的采集更加可靠，这是硬件冗余。输出也使用继电器过渡，继电器的信号同样一分为二，一个触点驱动执行器，另一个点反馈到PLC的输入点，参与程序控制，可以有效的判断输出信号工作情况，这也是硬件冗余。因为普通PLC内部硬件没有判断机制，逻辑给出信号，它就对外输出，不会判断外部执行机构的实际情况。这个简单的信号反馈，从硬件回路上增加了一个信号判断处理，可以判断继电器是否工作的情况。
图2 普通PLC信号处理比较
上述的信号的输入、输出上的硬件冗余、反馈处理，可以有效提高设备运行的可靠性。在PLC的逻辑程序处理上，增加一个软回路的信号判断，及程序中对外信号的处理回路。形成外部硬件回路和内部程序逻辑控制回路的双回路信号判断。传感器信号通过继电器过渡，将信号一分为二，其中一个信号直接接入PLC的输入点，另一个触点串联后接入PLC，形成硬件回路。如图3所示，外部传感器分路的继电器辅助触点串联，直接驱动继电器X，将继电器X的信号接入PLC；
PLC逻辑程序判断中，将外部串联PLC信号在程序逻辑中在做一次串联判断，同时将继电器X的信号也串联在判断串内，驱动输出。这就实现了软件、硬件的双回路信号判断。
图3 PLC软硬件回路
通过上述方式的接线、编程实现燃气回路的安全控制，是在硬件回路冗余设计的基础上，增加一个简单的软件冗余控制方式。外部信号通过继电器过渡，实现信号隔离及扩展；
继电器的一个触点串联，作为硬件保护回路；
另一个直接接入PLC，参与逻辑控制。增加这样的冗余控制，相比原系统的初始设计，系统更可靠，运行更安全。
这个方式虽然对PLC的改造很少，但是，增加继电器、接触器等元件，控制柜空间需要增加，接线相对比较复杂；
综合的经济投入还是比较低的。
2.2
使用安全PLC控制，充分考虑安全PLC与普通PLC的差异，鉴于安全PLC独有的优点（自身冗余控制、自检机制、特有的通讯协议等），有利于控制系统的优化，保证系统的可靠性，提高系统的安全性。
使用安全PLC，整体的控制理念和使用普通PLC不同，需要更换系统控制的核心元件。这个方案的设计，主要的依据就是安全PLC在安全方面的控制优势。
1）安全PLC的硬件模板设计和普通PLC的设计是有区别的。
普通PLC没有安全检测机制，只能是简单处理信号，所以，2.1的改造方案就在输入、输出信号的外部硬件做了冗余的处理，以保证信号的可靠，提高系统安全。
安全PLC的硬件设计就完全不一样。输入、输出都采用了双通道的设计，可以对外部采集到的信号进行比较和效验；
其次，安全PLC的模板上增加了许多诊断、自检的功能；
比如：时钟测量、序列检查、脉冲测量等，结合硬件和软件，随时检测自身的工作状态。比如安全PLC可以诊断输入输出点接线的外部线路的短路或断路等故障信息；
CPU有特定的安全校验机制，对CPU自身信号处理、电源监视等进行自检；
以保证PLC内、外信号传输和处理的准确性。上述检测与诊断功能，普通PLC是不具备。
系统使用罗克韦尔GuardLogix系列的安全PLC，与普通PLC的接线方式就完全不同。如图4所示，普通PLC输入输出点是单通道，它的外部信号直接接入PLC的一个输入或输出点。安全PLC的输入输出是双通道，接线是自成回路，形成一个安全控制回路；
PLC内部自检信号，保证了信号的可靠性。普通PLC的输入信号一般使用的是常开触点，而安全PLC的输入都是用常闭触点。双通道设计，常闭点使用，结合脉冲、电压自检，可以检测外部线路的短路、断路。
图4 普通PLC与安全PLC输入输出接线示意图
安全PLC可以构成安全回路，主要在于它与普通PLC的不同处理机制。第一：普通PLC的输入和输出点出现继电器触点熔接、晶体管损坏等故障时，其输入或输出仍然保持ON的状态。而安全PLC内部的自检系统，会判断出这样的情况，并给出报警。第二：外部信号线断线、短路或者瞬时停电等故障发生时，普通PLC无法判断和处理。而安全PLC则会自动检测出这些现象，并给输出信号。安全PLC依据特殊的电子回线路和细致的诊断软件分析（安全PLC的使用需要通过软件进行软硬件参数的配置）确保了对内外部元件的潜在失效的测定能力。
2）PLC内部的处理机制的不同。
普通PLC的内部CPU数量是一个或者多个，一般只有一个CPU并由它完成各种程序的处理；
即使有多个CPU，程序只进行一次处理，多个CPU只是分别处理了程序中的逻辑运算、算数运算、通讯功能、运动控制的各种任务，增加运行速度，整体来说就是实现了相互协助的功能。
安全PLC的内部CPU的数量至少是两个或者多个，两个CPU同时处理同一个程序，将两个处理器的处理结果放在一起进行比较，结果一致，则输出，结果不一致，则不输出。简单讲就是程序在PLC内运行了两次。如果多个CPU的，也是一样，程序至少会经过两次完全相同的处理、比较，或者是三次、四次，以保证运行的可靠。
如图5所示：普通PLC的单核CPU或多核CPU的的处理方式和安全PLC的处理方式的比较。普通PLC只处理了一次逻辑程序，而安全PLC对同一逻辑程序至少会处理2次。
图5 PLC内部信号处理机制示意
3）安全PLC是经过安全认证的，既可以用于安全系统，也可以在普通系统中使用。软件方面，安全PLC中运行的安全程序中有标准的安全功能模块，这些安全功能块也是通过安全认证；
普通PLC程序中的功能块，不具备安全功能，没有经过安全认证。软硬件的安全认证，充分的证明安全PLC在安全控制方面的绝对优势。
4）安全PLC与普通PLC所使用的通讯协议是不同的。一般来说，各个品牌的安全PLC通讯都是通过特定的通讯协议传输数据的，与普通PLC之间的数据通讯协议有所不同，安全通讯协议会在普通通讯协议的基础上，增加更多的安全校验机制来保证通讯的可靠性。比如西门子，普通PLC的通讯使用PROFIBUS或PROFINET协议来传输数据，而安全PLC的通讯就是用PROFISAFE协议来传输数据。PROFISAFE协议就是在PROFIBUS或PROFINET协议的数据传输的基础上增加了更多的校验机制。比如罗克韦尔的GuardLogix系列安全PLC，其通讯协议也有其特殊之处。罗克韦尔的GuardLogix通过了SIL3（CIP Safety）的认证。CIP Safety协议通讯网络，不同于其它的安全网络，他可以实现同一网络上连接安全设备和标准设备。网络中关于安全的重要编码和通讯措施，都会优先在通讯通道上进行。CIP Safety协议可以确保安全系统的正常运行，当发生错误时，可以在特定的时间内快速反应，以正确的方式做出预先确定的安全响应。当同一线路上同时有安全和标准的通讯协议时，CIP Safety协议中相应的保护措施会保护安全信息的通讯，到达安全的需求，提高可靠性和安全性。依据特性，就可以搭建一套基于CIP Safety协议的Ethernet/IP的系统回路，整个系统使用Ethernet/IP通讯回路，系统简洁，安全、普通的通讯信号在一个网络中运行。如图6所示，标准控制器和安全控制器可位于同一机架中，在同一个控制器中实现了标准控制和安全控制，在通用Ethernet/IP网络实现标准控制和安全控制统一。
图6 通讯网络示意图
5）编程方式的不同。
普通PLC和安全PLC的编程方式也有差异，硬件的组态、程序编写等都不同。安全PLC有安全部件，所以，安全PLC比普通PLC增加了安全IO的配置和单独的安全任务栏Safety Task。编程的时候，安全PLC除了配置普通IO参数之外，还需要配置安全IO，两者配置的方法是一样。有安全PLC的程序结构中，有单独的Safety Task，其中包含有专门的安全指令，这个区域专门用于编写安全程序，与普通程序分开执行。如图7所示，两种PLC的程序架构都在一个控制器下，但安全PLC就包含了安全的Safety Task和安全IO的配置（图中带有红色标记的就是安全PLC、安全IO、安全程序）。
图7 编程及IO配置框架对比
综上所述，安全PLC优点突出，更加适合在这个燃气系统中使用。而且，基于安全PLC的改造，只需要在原有控制系统中更换或者增加安全PLC的CPU、IO就可以了；
接线略作修改即可；
更换PLC，增加元件不多，对控制柜的空间要求不高，有适当的容量即可完成。在程序方面，原来的逻辑控制方式没有变化，只需要在编制相应的安全部分的程序，修改部分逻辑程序即可。
两个优化方案的理念都是增加检测机制和冗余控制，以实现设备控制的可靠性，提高设备的安全性。方法不同，方案一依靠的是外部硬件的冗余处理，结合程序的逻辑辅助处理。方案二则是完全利用了安全PLC的优点，使用安全PLC本身所具有的特性进行系统改造。比较原系统的配置，两种升级都达到的改造、升级的要求。总体考虑，安全PLC的性能更好，校验机制更加先进，安全性能比方案一高，且安全PLC的使用是现代工业自动化生产的发展趋势。
分析对比优缺点，使用安全PLC来实现燃气管道的安全控制是最佳方案，即节省空间，系统可靠性、安全性更高。
随着自动化水平的不断提到，对设备的安全性的要求也越来越高，安全PLC、安全元件的使用也将越来越广泛。
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