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實物拆解 感悟安全——德國威瑯新款可編程安全控制器開箱評測

2020.07.02

今天,我們就來拆解和評測一款最新的安全控制器——Wieland(威瑯)最新開發的samos PRO COMPACT安全控制器,來感悟安全,看看對于機器安全為何非要用安全控制器而不是普通PLC?最新的安全控制器又有哪些技術進展?
日益重要的安全控制器
進入工業文明后,由機器安全引發的工傷開始成為一個社會問題。隨著社會和技術的進步,對于工傷的防范在制度上和技術產品上,都有了一套規范。1992年,歐盟標準委員會(CEN)頒布了EN954,這是一個較低復雜度的安全標準,以規范機器的設計,避免對人身的意外傷害。2011年12月起,EN ISO 13849-1替代了EN954,對于機器安全作出了更加細致的規范。在EN ISO 13849-1中,提出了PL(性能等級)的規范方法,目前的機器安全問題評估,都是按照PL的規范進行。
如何設計合適的安全回路,以達到各個PL等級的安全標準,是每個電氣工程師在設計一臺機器時必須要考慮的首要任務。通常,安全回路由安全傳感器元件、安全邏輯元件組成,對于簡單的安全功能,電氣工程師往往會選擇邏輯固定的安全繼電器作為邏輯元件。
但對于一些大型機械或者危險性較高的機器,會面臨一些更加復雜的問題。以注塑機舉例,一臺大型注塑機,安全門可能有多個,還需要考慮模具間有安全地毯,要控制的電機也有多個,同時還需要控制機械手的運動,機械手工作區還有防護欄等,對于這種需要多個安全監控的應用,安全繼電器已經無法滿足要求,這時,通常就會用到安全控制器。
相比于安全繼電器,安全控制器不僅有更多的輸入點和輸出點,同時還具備可編程功能,可以處理非常復雜的邏輯,并進行評估。
看到這里,很多人可能會問,那既然是通過編程來實現復雜的邏輯控制,那為何不能用現在常見的穩定性高、功能強的普通PLC呢?為何一定要用安全控制器呢?
今天,我們就來拆解和試用一款最新的安全控制器——Wieland(威瑯)最新開發的samos PRO COMPACT安全控制器,來看看對于機器安全,為何非要用安全控制器而不是普通PLC?
一 從外觀上看安全控制器的特性
我們拿到的這款samos PRO COMPACT控制器有一個主控制器和兩個模塊,分別是控制器CPU模塊SP-C0P2-ENI、數字量擴展模塊SP-SDIO和模擬量擴展模塊SP-SACR22。

我們先來一組的前、后、左、右、上、下視圖來對這塊安全控制器有一個感性認識。


從外觀上,我們可以看到, samos PRO COMPACT是一款緊湊型的安全控制器,其尺寸大小和普通的中小型PLC相仿,僅有45mm。不過這個控制器的外觀主色采用了安全設備常用的黃色,而系統中一些不具備安全功能的普通模塊,則是白色的,比如通訊模塊和一些普通的DI、DO。所以從控制器顏色上,我們就首先能看出安全控制器和普通PLC的區別,當然除了黃色,有的品牌外觀采用的是紅色。
除了顏色外,我們主要還是來看看在結構設計上,安全控制器和普通PLC還有哪些區別?
首先,這款安全控制器雖然體積上并不大,外殼也是塑料的,但拿在手中感覺明顯要比中小型PLC要沉很多,三個模塊稱了一下約有600克,可見其內部元器件會比PLC多。

其次,在主控制器的正面有一個MiniUSB接口、一個RJ45網口和一個SD卡插槽,網口和MiniUSB都可以用來連接電腦進行編程。同時這個網口還可以使用ProfiNet、EtherNet/IP、Modbus/TCP等三種網絡總線協議。在正面和PLC最大的區別是,這個安全控制器的三個模塊正面上都有很多狀態指示燈,標滿了密密麻麻的端口號,在上下兩側各有2排端口,而PLC通常在CPU上不會有這么多端口。這是由于安全控制器的每個輸入輸出都有特殊的脈沖進行自我錯誤檢測。下面我們來仔細看一下這些端口。


主控制器正面上下兩側共有32個接線端子,這些端子的狀態都可以反映在正面3排LED指示燈上,其中A1、A2是24V電源輸入接口,B1、B2是24V電源輸出接口,T1~T4為測試信號輸出接口,I1~I16為16路的信號輸入接口,Q1~Q4為信號輸出接口, IQ1~IQ4為可配置的輸入輸出口。在這里要特別說明一下,在T1~T4以及右側模塊上的X1、X2端子上,都可以發出脈沖信號,檢測外部的器件是否正常,比如是否有斷線或短路的情況發生,并確保安全信號的唯一性,這也是安全控制器所特有的設計。這點在后面我們加電后還會有測試。
除了能夠自我檢測接線是否正確、接在這些端口上的傳感器等外設是否正常外,控制器的Q點晶閘管輸出帶載能力達到了4A,可以直接帶動接觸器等大負載設備,而普通的PLC晶體管一般為0.5A。而且,一些輸入點可以對運動速度進行監控,比如對一些運動軸,可以用接近開關或編碼器來檢測運動速度、方向、角度、位移、停止等,而普通PLC要監測一個運動速度,往往需要自己寫代碼進行計算。
和現在多數PLC一樣,這款安全控制器也有SD卡插槽,可以通過SD卡下載程序和存儲數據。不過這里的SD卡插槽設計更加安全。SD卡加了蓋子,小編燒了不少腦細胞才發現是怎么打開這個蓋子的,蓋子上有個鎖止機構,用來固定SD卡,確保其不會掉出來,也不會被人輕易拿走??刂破鞯淖髠瘸藬U展通訊用的連接器插槽之外,還有幾個定位孔,以確保連接后不會晃動。


另外,這款安全控制器的端口也進行了特殊設計,提供了兩種不同的插頭,一種是螺絲插頭,一種是雙層直插插頭,插頭均有防錯設計,如果插錯了位置,是無法插入的。


最后,我們從samos PRO的側面可以看到每個模塊的兩個側面都貼了不干膠標簽,一側是模塊的型號,一側是電氣原理圖,接線圖的上方是一個二維碼,掃描這個二維碼,可以連接到模塊對應的網頁,這給用戶帶來了很大的便利,尤其是對采購人員來說,并不需要知道產品太多的信息,直接掃描二維碼,即可進行采購,也可下載相關資料、圖紙。另外,從后視圖可以看到,這款控制器才是采用和PLC同樣的卡扣式安裝方式,可以安裝在標準的DIN軌道上。從仰視圖和俯視圖可以看到,samos PRO在這兩個面上設計有散熱出口。
二 內部拆解
從samos PRO COMPACT這款安全控制器的外觀,我們已經看到了很多不同于普通PLC的特殊設計。不過,要真正了解安全控制器為何能夠做安全控制,還得從其內部電路設計看個究竟。為此,小編決心冒著拆壞的風險來拆解這個samos PRO COMPACT的主控制器。

首先,需要將上下兩側的接線端子統統拔下,然后用螺絲刀插入上蓋兩端的卡扣孔,向下推,即可松開卡扣,將上蓋的兩個卡扣松開后,即可取下黃色上蓋。如下圖所示。

我們可以看到控制器頂上是一塊指示燈板,這些指示燈多數用來顯示所接設備的狀態是否正常運行。

這塊小電路板通過接插件和下面的電路板相連。取下這塊小電路板,可以看到內部有三塊電路板,如下圖所示。從這個圖上可以看出,samos PRO COMPACT內部電路元件眾多,結構十分緊湊,幾乎沒有留下什么空隙,之所以能這樣也是由于它本身的發熱并不多。

接著我們繼續將外殼拆下,這樣就可以看到整個控制器的內部結構了,如下圖所示。

內部是這樣的,由三塊多層電路板插接而成,分別是一塊主控板和兩塊輸入輸出接口板。我們將三塊板分開,先看一下主控板的兩面,如下圖。


可以看到,主控板上的芯片幾乎是對稱布局設計,最大的是兩個CPU,這就是安全控制器的特色,所有的電路都是冗余設計的,在各個處理器上運行的操作系統、固件以及安全應用是由不同的處理器計算出來的,然后兩個結果進行比對是否一致再輸出。所以,單個的錯誤不可能發生兩次而不被發現。這也應了那句老話,甘蔗沒有兩頭甜,要獲得足夠的安全,就要付出更多的成本。
再看一下兩塊輸入輸出接口板,如下圖所示。兩塊板都有一個明顯的特征,就是電路器件也都是雙份對稱設計,也都是冗余設計的。所以電路板上的元件密度很大,這一點和一般的控制器內部還是很不一樣的。



最后,再來看一下控制器的接地設計。在電路板的下端,可以看到有接地的設計,剛好壓在外殼底部的簧片上,電路板通過導軌接地,如下圖所示。因此,在安裝控制器時,要注意兩個問題,第一是底板不能使用膠木板,要用鍍鋅鋼板等金屬材料。第二是要選擇優質的導軌,曾經有類似的控制器遇到客戶選擇劣質導軌造成接地不良的情況。

除了主控制器外,我們也對數字量擴展模塊SP-SDIO也進行了拆解,其電路板如下圖所示。我們同樣可以看到,輸入和輸出的各種器件都是雙份的,處理器也有兩個,兩套系統同時工作,處理器輸出的結果通過一個與非門進行比較,如果兩個處理器處理的結果相同,則進行輸出,如果結果不同,系統會產生報警。


經過內部拆解,我們已經看到,安全控制器和普通PLC無論是在CPU的選擇上,還是電路板的設計上,理念都是不一樣的,一個是注重性能、速度和通信等,一個是注重控制器本身電路的冗余設計,保證不會出現任何錯誤。
三 上電測試
對于一個PLC來說,硬件本身的性能和設計并不能完全反應其可靠性和穩定性,同樣,對于一個安全控制器來說,除了硬件本身的冗余設計外,更重要的是其軟件的設計。

下面,我們就給samos PRO COMPACT接上24V電源,并通過以太網和電腦相連接,來看看它的軟件設計。下圖是samos PRO COMPACT加電后的狀態,由于沒有接任何傳感器,所以模塊上就會有紅燈顯示。

在開始軟件測試之前,為了對安全控制器的接線端子上的檢測脈沖進行探究,我們將一臺示波器接在samos PRO的T1、A2上,可以看到這兩個端子確實在不停輸出方波,周期大約為16ms,如下圖所示,利用這些特殊的脈沖就可以判斷所接設備是否在正常運行。


下面我們開始試用一下samos PRO這款安全控制器的編程軟件。
邏輯控制,是安全設計的關鍵,威瑯提供了一個簡單易用的軟件samos PLAN6,供工程師來進行邏輯設計,該軟件可以從其官網免費下載到。
相比于PLC的程序開發,用samos PLAN6來編寫安全控制器的安全邏輯,要簡單方便很多,只要清楚各個輸入輸出之間的邏輯,即可方便進行設計,或者說,samos PLAN6提供了一個面向電工級別的開發環境,并不需要懂得PLC的知識。
從下載到安裝,一路暢通,只需要在威瑯英文網站填個表單即可下載,軟件不大,大約幾十MB,但對于一個安全控制器來說已經足夠。說明文檔的文件體積比軟件本身要大。
安裝后即可運行。無需設置語言,自動就是中文環境,相比于很多外國自動化公司,能提供全中文的編程環境,已經是一件了不起的事情了。
主界面是這樣的,畫面最上面是配置欄,可以輸入IP地址來找到samos PRO,或者是自動搜索。下面是工具欄。再往下,左邊是各類組件,通過這些組件,即可進行傻瓜式的配置。右邊面積最大的則是工作區。具體界面如下圖所示。


我們把電腦的IP地址設置和控制器同一網段后,可以點擊界面上方的刷新按鈕來自動搜索控制器,也可以手工添加硬件。在掃描到硬件或者手工添加后,會看到模塊的正面視圖,如下圖所示。在對應的位置,還標注了電源的符號,這點十分人性化,因為模塊上有兩排端子,端子的上下排和模塊上的標號怎么定義,是需要思考一下的。

下面我們做一個最簡單的測試,在組建欄的傳感器庫中,選擇了兩個急停按鈕,然后在邏輯庫中選擇了一個或運算,再從輸出庫中選擇一個電動機。將這些組件在工作區擺放之后,點擊急停按鈕右側的黑色小方塊,軟件會從這個小方塊"生出"一條黑線,如下圖所示。將這條黑線拖到或運算的輸入位置的小黑塊上,系統自動將這個急停按鈕連接到或運算的輸入點上。另外一個安全按鈕和電動機的處理也是一樣。


這樣我們可以看到,在進行配置的時候,我們沒有看到像PLC編程一樣要去考慮地址、要去定義變量,極大降低了使用者的技術門檻,而對于這樣一個復雜型的控制器產品,如何以最快的速度來完成安全回路的設計,并通過軟件來盡可能確保設計的準確性,才是產品供應商應該注重的焦點。
如果要說和PLC編程類似的話,這種方式類似于IEC61131-3 中的FBD。但在軟件里,我們無需考慮變量,即便是增加邏輯的塊,也只是進行拖拉連接。那如何給急停按鈕等元件命名?有兩種方式,一是在每個元器件的屬性欄中進行命名,另一種方式是在系統的報表中進行命名,在報表頁面可以看到所有元器件,工程師可以逐一對它們進行命名和注釋。

該界面的右上角有個模擬按鈕,按下模擬按鈕,系統會進入模擬模式,點下急停按鈕,急停按鈕的標簽會變成綠色,如下圖所示。

現在我們再回到硬件界面,會發現軟件已經很貼心地在控制器的對應端子位置上顯示了元件的小圖標,如下圖所示。如果你想改變輸入輸出的位置,只需要把小圖標拖到對應的其他端子上即可。

做完這些配置之后,在工具欄點擊報告按鈕,軟件會生成一個十分詳細的報告文檔,如下圖所示,包括系統拓撲、接線圖等,我看了一下,就這個小邏輯,生成了報表有十幾頁,可以直接交給電工接線使用。

如果要和其他系統通訊,可以增加通訊模塊,威瑯提供了ProfiBus的主從站、CANOpen的主從站,以及EtherCAT的從站模塊。而samos PRO本體上的網口,除了編程之外,也是一個EtherNet/IP的接口,點擊界面的網關按鈕,即可進入EtherNet/IP的配置界面,進行數據配置。如下圖所示。

時,在模塊界面,可以看到samos PRO的網口里面,已經有了EtherNet/IP幾個字母,如下圖所示。


除了最基本的邏輯之外,samos PLAN6還有很多針對特定行業的功能塊,比如雙手操作、傳感器的屏蔽監測、壓力機設備、運動監控、模擬量處理、燃燒技術等,有這方面需求的工程師可以到威瑯網站下載samos PLAN6,針對自己的應用進行邏輯處理和開發。
四  試用總結
通過以上的拆解和試用,相信你對安全控制器已經有了一個比較深入的了解。特別是與普通PLC比較,安全控制器無論在結構設計、電路設計,還是功能設計和軟件設計上,始終都體現出了PLC所部具備的“原生安全”的特點,所以對于機器安全來說,還真是非用安全控制器不可的。在這里我們也簡單總結一下安全控制器和PLC的區別:
首先,安全PLC和普通PLC的區別就在于錯誤檢測上。普通的PLC可以控制你的機器,這完全沒問題,但是它不能檢測到運行系統內發生的錯誤,或者是程序或接口方面的錯誤。普通PLC可以有一些基礎的檢測功能,能夠檢測出應用程序的一些錯誤,比如無限循環。但是,如果檢測裝置沒能在設定的時間內發出信號,程序就可能在一些地方卡死,PLC也就不能繼續運行下去了。
其次,在接口方面,普通的PLC基本上是不能檢測到這方面的故障的,比如,線路錯接、短路、接地故障等。安全PLC則用冗余設計的方法完善了應用程序和操作系統方面的錯誤檢測能力。在安全體系的硬件方面,任何潛在的接線錯誤都可以由輸入和輸出脈沖判斷出來。每個輸入信號和輸出信號都有獨特的脈沖模式,這就可以檢測出一個接口是否正確的連接,是否由于錯誤連接或線路老化而造成失敗。而且,冗余接口系統能夠進一步提升錯誤檢測的水平。比如,一個雙通道緊急停機模塊就可以通過在安全輸入模塊上運行同樣的狀態監測而檢測到一個單觸點已經不能正常開合的故障。
當然,所有為了錯誤檢測而采取的額外努力都有一定的代價。由于采用了冗余設計,單個的接口成本更高了,每個模塊的密度也相比普通PLC更低了。所以,只有與安全相關的接口應該采用安全接口,而其余不相關的接口仍然可以使用普通的接口。此外,為了使安全應用更安全和透明,普通PLC上更具靈活性的編程功能,比如類似結構化文本的高級語言編程,在安全PLC上也不能使用了。
另外,安全認證也是安全PLC和普通PLC之間的巨大差異,安全PLC的硬件和軟件都需要經過相關組織的安全認證。
最后,我們也通過總結一下威瑯的這款samos PRO COMPACT的特點,來看看當前主流安全控制器的發展趨勢。
第一
安全控制器正在朝小型化集成化的方向發展。對比于以前的安全控制器,現在的安全控制器產品體積已經小了很多,即便對比現在的PLC,體積也是相對小的,電路板的集成度很高,空間結構也幾乎達到了極限。samos PRO COMPACT除了體積小之外,還在本體上集成了網口,不用外擴網絡模塊,這在減少了體積的同時也節約了成本。
第二
安全控制器的功能越來越強大。一個控制器可以滿足不同的安全應用,不用配備各類安全模塊。像這款samos PRO COMPACT,具有9種運動控制功能,能夠對運動中電機的轉速、旋轉方向、位置和角度等進行全面安全監控。另外,支持的工業通信協議十分齊全,通過軟件設置,samos PRO COMPACT可支持EtherNet/IP、ProfiNet、Modbus/TCP三種協議。工作環境溫度也較普通PLC更為寬泛,達到了寬溫PLC的水平,可以在-25~65這樣的極限工作環境使用。
第三
編程越來越簡單直觀。我們可以看到,samos PRO的編程軟件使用上十分直觀,在軟件中有一個samos PRO的“數字孿生體”,可以直觀的顯示狀態以及進行設置。在編程方式上,采用功能塊的方式,不同的功能塊集成了相應的邏輯處理方式,可被直接調用,簡單易懂,節省程序設計時間。





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