PSSuniversal－标准自动化和安全自动化的智能衔接

当前市场对自动化系统的基本要求可以用几个关键词来描述，那就是在保证较低的“生命周期成本”和较高的经济性的前提下实现模块化、分散化、高性能、集成化安全、灵活性和开放性。 智能衔接概念 “这就像是个不可能完成的任务，要把自动化技术和安全技术集成在同一个概念中，” Pilz公司的产品管理主管Klaus Stark说，“而且还基于完全不同的要求。” 分布式自动化系统需要通过现场总线或以太网进行通讯，基本要求是大量的I/O接口和高性能。另一方面，安全技术要符合国家和国际安全标准，如EN 954-1安全等级第四级。“反馈缺失机制一定要保证，还要有相应的安全机制以避免故意的或偶然的操作失误，” Stark说，“无论对于周期性功能（如运动控制应用）还是非周期性功能（如典型的紧急停机），快速的响应时间都是必要的。要想满足这些不同的要求，就要在概念开发初期就注意将它们糅合和集成在一起。我们的PSSuniversal系统就是一个成功的典范。”很多系统由于已经上市并投入运行多年，则不得不在性能和功能等方面做出妥协。 面对全球化市场，应选择哪种安全标准？ 首先，一个混合系统要能够达到安全技术的目的：对人、机器和环境进行保护。最先进的技术都体现在技术标准和规范中，而且标准和规范也会随着技术进步而不断演进。Stark指出：“一个创新的系统必须综合考虑国内国外以及当前和未来的需求。”因此，PSSuniversal平台的设计符合EN 954-1安全等级4级的标准及其后继标准ISO EN 13849-1，并符合将来的性能等级分类。该系统还能被架设为符合EN 61508 SIL 3标准以及EN 62061-1标准。除了以上广泛的C类标准外，该平台还支持UL/cUL 和NFPA标准。“可以毫无保留的说，PSSuniversal适用于世界上所有的安全应用，” Stark说，“没有什么能够阻碍我们开拓全球市场的步伐。” 概念和机械体系结构 PSSuniversal平台是针对分布式自动化应用而设计的。“主模块”负责执行所有的通讯和处理功能，邻近连接的是基础模块，两者共同形成了连接电子模块的基础。可支持最多64个基础模块和电子模块连接到同一个主站。基础模块可被用来创建现场连接，并使接线能被应用在安装、维护和服务中。对于基础模块，用户可选择螺丝和笼式弹簧夹持（cage clamp）两种安装方式。电子模块是可扩展的I/O接口。众多的标准模块和安全模块可以覆盖几乎的所有的自动化功能。用户能够随意地将电子模块与标准和安全功能进行选择搭配，这有助于形成基于分段总成和子部件的系统架构。每一模块都是独立的，这就避免了附加的外部终端和跨接线，从而在部署系统时清晰明确，不易发生错误。颜色标识也发挥了相似的作用：黄色代表安全模块，烟灰色代表标准模块，灰色代表基础模块。12.6 mm的纤型设计可以保证在控制机柜中的占用面积很小。其4 / 2通道的精确度可以保证较低的拥有成本。 柔性和可扩展性 “Pilz公司秉持开放性策略，因此在开发初始阶段便计划支持多种通信途径，” Stark说。PSSuniversal支持Profibus-DP、DeviceNET、Interbus 和CANopen等现场总线层。这些总线层可以独立实现，也可以通过安全、开放的SafetyBUS p总线系统来实现。在下一阶段，将开发出具有本地信号处理能力和以太网接口的主模块，这就意味着系统将能够应对未来的应用，并确保用户的投资：“（该系统）能够根据用户对技术和通讯协议的不同要求而改换主模块，甚至能转变为以太网通讯方式，这就使潜在风险降到最低。”本地预处理能力有助于实现附加的试运行和可用性概念。 在标准部分和安全部分中有针对数字I/O的基于半导体和继电器技术的电子模块，可广泛适用于各种安全等级。模拟I/O接口和复合智能模块不久也将面世。电源模块将电路彼此分开，有助于实现操作上的潜在功能。此外，Pilz公司还提供了软件工具PSS Assistant来帮助用户们进行产品选择。PSS Assistant能够图形化显示相应的组态，并同时检查所有的内部限制，如电流、机械膨胀和电膨胀。结果是该组态能被用于物流过程、控制机柜设计或者是作为编程的基础。通过这种方式，数据只需生成一次。 PSSuniversal 和SafetyBUS p结合－应用无限 PSSuniversal为SafetyBUS p提供了广泛的扩展功能，此外，当它与PSS SB2 3006-3系统连接器结合后，所有的应用限制将被放宽四倍。系统的物理覆盖范围可扩展至7000 m，总线用户数可达到128，因此，安全输入/输出端口的总数将可达到8192。安全I/O端口可以被自由组合。将来还将推出安全继电输出和安全分布式输入等新功能，这些功能有助于扩展PSSuniversal的应用范围。此外，与过去的紧凑型模块相比，PSSuniversal在保持原有的功能性的基础上将占用空间减少了70％。一个PSSuniversal系统可被划分为两个逻辑组。“对于来自现场的潜在错误响应，如某一输出口发生短路，则只会影响相应的部分，PSSuniversal系统的其他部分仍然可以正常运行，” Stark解释说。由于其模块化和强大的功能，PSSuniversal可以被按需剪裁，并使工程应用变得更加经济高效。 高性能－本地使能原理（local enable principle） 随着分布式控制应用得日益广泛，有越来越多的控制数据来自于多个数据源，随之而来的是逻辑操作问题的上升，以及编程和系统性能上的不良后果。因此，在安全领域经常使用的使能原理（enable principle）就显得非常重要。除了通过安全设备直接进行与安全相关的停机操作外，大量的附加标准控制信号也需要被关闭，这时可由与某一自动化功能相关的安全设备来核准。这种安排是非常可行的，而且在必要时应该“毫不迟疑”地加以执行。Stark介绍说：“在PSSuniversal系统中，这一机制已经作为一种本地的、可选择的固件功能被集成在主模块中，这使PSSuniversal解决方案具有高性能、高灵活性和经济性的优点。” 一个应用实例是金属处理机械。出于安全等原因，金属处理机械的工作区域是全封闭的。处理过程，即机械操作的次序，是由自动化技术控制的。在紧急停机时，除了电机关闭以及安全门被同时打开外，所有的下级运动和/或外围组件（如输送冷却剂的泵和阀门以及切割工具等）都应该被同时关闭。一个直接执行的安全的停机过程要涉及到大量的自动控制信号。 功能块切换－本地使能原理的硬件实现 功能块切换是由一个25.2 mm厚的安全相关的电子模块实现的。该电子模块可插入I/O区的任何位置。所有的标准模块都位于该电子模块的右侧，并且所有的I/O端口都有相同的电位。因此，当与安全相关的开关指令被发送到电子模块后，所有的I/O端口都可被关闭。这样做有两个好处，一是减少了外部布线，二是将内部测试功能和反馈输入整合在一个包含了标准输出的准安全声明中。 规则服务于实用－因此规格手册的大部分内容可以被忽略不看，比如其中对机械结构细节的大篇幅描述。实际上，所有的电子模块都有独立的机械编码，这一机械编码在该电子模块接入系统时便唯一地确定了，以防发生错误。此外，所有的模块都有一个内置的电子鉴别器，只有当设备和真实状态相匹配时模块才能发挥功能。所有的主模块和电子模块都配备有大量的彩色LED指示灯，这些指示灯能够显示相应的I/O端口状态信息、通讯状态信息和模块功能状态信息。该系统所采用的算法和内部结构能够保证快速地检测出潜在的系统问题的发生位置和产生根源，并能通过远程通信方式或本地方式将相关信息显示出来。“清晰、透明、无歧义－规格手册的主旨之一就是防范错误，” Stark说。具体措施包括将布线等级与电子设备相分离，完全自组信号特性，色彩管理，以及选择指南。此外，所有的电子模块都具有相应的安全保护机制（如在短路、超高温和超电压情况下的保护），能够应对自动化环境中的各种危机并起到缓冲作用，从而能节约运营成本并延长设备使用寿命。 总结 PSSuniversal平台能够因应未来需求而进行扩展，从I/O等级到完备的预处理功能或者是以太网连接能力；从本文讨论的性能特点可以得出以下结论，PSSuniversal平台是一个满足市场需要的、面向未来的整体解决方案。