常規(guī)PLC與安全PLC的不同

　　【摘要】本文介紹了常規(guī)PLC與安全PLC的很多不同點(diǎn)，然后通過安全PLC的CPU、I/O模塊舉例說明了它們不同的具體內(nèi)容。
　　安全型可編程邏輯控制器（PLC）是為特殊用途的機(jī)器設(shè)備而設(shè)計(jì)的，用于關(guān)鍵型控制和安全型應(yīng)用。這些控制器通常是安全儀表系統(tǒng)（SIS）的一部分，用在檢測具有潛在危險(xiǎn)的流程工業(yè)環(huán)境中。一旦檢測出危險(xiǎn)，SIS的應(yīng)用程序能自動(dòng)作用，把流程切換到安全狀態(tài)。談到這里，用戶可能會有一系列的問題：常規(guī)PLC已經(jīng)成功地使用了這么多年了，與安全PLC相比有什么不同？為什么在關(guān)鍵型控制和安全型應(yīng)用中，不能使用常規(guī)的PLC？

一、綜述
　　一臺安全PLC采用了特殊的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)重要目標(biāo)：
　　1．系統(tǒng)不會失效（采用冗余的工作方式），即使元件的失效不可避免；
　　2．失效是在可預(yù)測的范圍內(nèi)，一旦失效，系統(tǒng)將進(jìn)入安全模式。
　　在設(shè)計(jì)安全PLC時(shí)，要考慮到很多因素，需要很多的特殊設(shè)計(jì)。比如：一臺安全PLC更強(qiáng)調(diào)內(nèi)部診斷，結(jié)合硬件和軟件，可以讓設(shè)備隨時(shí)檢測自身工作狀態(tài)的不適；一臺安全PLC具有的軟件，要使用一系列的特殊技術(shù)，能確保軟件的可靠性；一臺安全PLC具有冗余功能，即使一部分失效，也能夠維持系統(tǒng)運(yùn)行；一臺安全PLC還具有外加的安全機(jī)制，不允許通過數(shù)字通信接口隨便讀寫內(nèi)部的數(shù)據(jù)。
　　安全PLC與常規(guī)PLC的不同還在于：安全PLC需要得到第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，滿足苛刻的安全性和可靠性國際標(biāo)準(zhǔn)。必須徹底地采用系統(tǒng)方法，來設(shè)計(jì)和測試安全PLC。德國的TUV專家和美國的FM專家會提供對安全PLC設(shè)計(jì)和測試過程的、第三方獨(dú)立的確認(rèn)和驗(yàn)證，
　　特殊的電子線路，細(xì)致的診斷軟件分析，再加上對所有可能失效進(jìn)行測試的完整性設(shè)計(jì)，確保了安全PLC具有測定99％以上的內(nèi)部元件潛在危險(xiǎn)失效的能力。一種失效模式、影響和診斷分析（FMEDA）方法一直指導(dǎo)著設(shè)計(jì)，這種方法會指出每個(gè)元件是怎樣引起系統(tǒng)失效，并且告訴你系統(tǒng)應(yīng)該如何檢測這個(gè)失效。TUV的工程師會親自執(zhí)行失效測試，把它作為他們認(rèn)證過程的一個(gè)部分。
　　嚴(yán)格的國際標(biāo)準(zhǔn)軟件應(yīng)用于安全PLC。這些標(biāo)準(zhǔn)需要特殊技術(shù)，避免復(fù)雜性。更進(jìn)一步的分析和測試，細(xì)致地檢查操作系統(tǒng)的任務(wù)交互操作。這種測試包括實(shí)時(shí)的交互操作，比如多任務(wù)（當(dāng)使用時(shí)）和中斷。還需要進(jìn)行一種特殊的診斷，被稱為"程序流控制"和"數(shù)據(jù)確認(rèn)"。程序流檢查能確�；�本功能能按正確的順序執(zhí)行，數(shù)據(jù)確認(rèn)使所有的關(guān)鍵數(shù)據(jù)在存儲器里進(jìn)行冗余存儲，并且在使用前進(jìn)行有效性測試。在軟件開發(fā)過程中，一個(gè)安全PLC需要附加的軟件測試技術(shù)。為了核實(shí)數(shù)據(jù)完整性檢查，必須執(zhí)行一系列"軟件失效注入"測試，也就是人為對程序進(jìn)行故意破壞，來檢查PLC的響應(yīng)是否運(yùn)行在預(yù)計(jì)的安全方式。軟件的設(shè)計(jì)和測試帶有詳細(xì)的文件資料，這樣第三方的檢查員就能夠明白PLC的運(yùn)行原理，而多數(shù)軟件開發(fā)沒有使用這種規(guī)范的操作流程，這也正好說明為什么眾多的垃圾軟件會出現(xiàn)那么多的臭蟲而無法發(fā)現(xiàn)了。

二、舉例
　　下面試通過施耐德電氣公司的一款安全PLC，來更具體地說明安全PLC與常規(guī)PLC的區(qū)別。
　　2．1 安全PLC與常規(guī)PLC的CPU的差別
　　常規(guī)PLC內(nèi)部CPU的數(shù)量有一個(gè)或多個(gè)，它或它們的作用是：執(zhí)行用戶的程序、進(jìn)行I/O的掃描和系統(tǒng)的診斷。但用戶的程序通常就進(jìn)行一次處理，多個(gè)CPU的功能是把程序中的邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算、通信功能等分擔(dān)實(shí)現(xiàn)，也就是協(xié)作處理。
　　而安全PLC的CPU至少有兩個(gè)或多個(gè)，兩個(gè)CPU的功能是：分別對同一個(gè)用戶程序各自執(zhí)行一次，然后再把兩個(gè)結(jié)果放在一起進(jìn)行比較，如果比較的結(jié)果是一致的，就輸出這個(gè)結(jié)果，如果是不一致的，選擇安全的結(jié)果輸出。由此看出，這才是安全PLC與常規(guī)PLC最大的不同：冗余＋比較。
　　2．2 安全PLC內(nèi)部CPU的結(jié)構(gòu)
　　安全PLC包含2個(gè)處理器，每個(gè)處理器在自己的存儲器區(qū)中，執(zhí)行它們自己的安全邏輯，然后在每個(gè)周期的結(jié)尾和對方的結(jié)果進(jìn)行比較，每個(gè)處理器有它自己獨(dú)立的停機(jī)通道，如果檢測到結(jié)果的不同或有失效成分，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)停機(jī)，切到安全狀態(tài)。這種雙處理結(jié)構(gòu)被稱為內(nèi)部的二選一結(jié)構(gòu)。
　　下圖表示了這種安全PLC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

　　安全PLC通常都有兩個(gè)處理器，同時(shí)進(jìn)行解碼和執(zhí)行。這種差異性提供了失效檢測的下列優(yōu)點(diǎn)：
　　•兩個(gè)可執(zhí)行碼獨(dú)自生成，編譯的差異性使得在代碼生成時(shí)，容易檢測系統(tǒng)失效。
　　•兩個(gè)生成碼由不同的處理器執(zhí)行，因此，CPU能夠在代碼執(zhí)行時(shí)，檢測出系統(tǒng)失效和PLC的隨機(jī)失效。
　　•兩個(gè)獨(dú)立的存儲器區(qū)用于兩個(gè)處理器，因此，CPU能夠檢測出RAM的隨機(jī)失效，而這在每個(gè)掃描周期的全部RAM檢查時(shí)測不出來。
　　這里我們接著引出安全PLC與常規(guī)PLC第二個(gè)最大的不同：隨時(shí)＋步步進(jìn)行診斷和檢測。這種檢測有的是通過自身信息進(jìn)行的，稱為自檢；還有的通過對方的信息進(jìn)行檢測，稱為互檢。后面我們還會提到更多的檢測。
　　2. 3 安全PLC CPU中的檢測
　　時(shí)鐘測量:在處理器電路中，有兩個(gè)不同的振蕩器交叉檢查它們的行為，每個(gè)處理器使用一個(gè)時(shí)鐘檢查另外一個(gè)是否運(yùn)行。如果在一個(gè)確定的周期里，檢測到對方?jīng)]有運(yùn)行，CPU就會進(jìn)入安全狀態(tài)。固件每秒鐘會檢查兩個(gè)振蕩器的精度。
　　監(jiān)視時(shí)鐘：一個(gè)硬件和一個(gè)固件的監(jiān)視時(shí)鐘檢查PLC的活動(dòng)和執(zhí)行用戶邏輯的執(zhí)行時(shí)間。這和常規(guī)的PLC系統(tǒng)是相同的。
　　序列檢查：序列檢查監(jiān)視CPU操作系統(tǒng)不同部分的執(zhí)行。
　　存儲器檢查：所有靜態(tài)存儲器區(qū)，包括Flash存儲器和RAM，使用循環(huán)冗余碼（CRC）進(jìn)行檢測，并且雙碼執(zhí)行。動(dòng)態(tài)存儲器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護(hù)，周期性進(jìn)行檢測。在冷啟動(dòng)時(shí)，這些檢測重新進(jìn)行初始化。
　　從上面的分析可以看出，安全PLC的診斷和檢測比常規(guī)的PLC的檢測要多很多，所以相對來說，硬件和軟件的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。當(dāng)然，檢測和診斷的范圍也更廣范，更細(xì)致。
　　2．4 安全PLC I/O診斷概述
　　上面我們對安全PLC的CPU的情況進(jìn)行了一個(gè)簡單的分析，下面我們再來看看安全輸入/輸出模塊的情況。
　　所有安全I(xiàn)/O模塊都要執(zhí)行以下兩個(gè)診斷功能：
　　•更多的系統(tǒng)層面的診斷，包括了：RAM測試、ROM測試、以及
　　•根據(jù)模塊的類型不同，現(xiàn)場層面的診斷，
　　下面的表格列出了安全I(xiàn)/O模塊的現(xiàn)場診斷情況：

　　還有，安全PLC要對安全CPU和安全I(xiàn)/O之間的通信進(jìn)行診斷，比如使用CRC校驗(yàn)。因此，不僅要檢查接收的數(shù)據(jù)是否等于發(fā)送的數(shù)據(jù)，而且要檢查數(shù)據(jù)變化。為了解決擾動(dòng)問題，比如EMC的影響，它可能瞬間破壞你的數(shù)據(jù)，所以你需要對每個(gè)模塊，配置一個(gè)很大的連續(xù)CRC錯(cuò)誤診斷。
　　上電時(shí)診斷：在