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    章宇（1984－）
女，（信息產(chǎn)業(yè)部電子六所，北京  100083）信息產(chǎn)業(yè)部電子六所碩士研究生，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)的功能安全。

摘要：在自動(dòng)化解決方案中，安全性集成的問題已經(jīng)出現(xiàn)。本文闡述了什么是安全相關(guān)控制系統(tǒng)，介紹了符合IEC61131-3的安全應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)模型，以達(dá)到工業(yè)控制編程能符合安全標(biāo)準(zhǔn)的目的。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制編程；安全

Abstract: The problems of safety integrity in automation solutions have appeared. This paper explains what safety-related control system is, and introduces the architectural model of the safety application according to IEC61131-3 so that the industry control programming can satisfy the safety standards.

Key words: industry control programming；safety

1 自動(dòng)化解決方案中所遇到的安全標(biāo)準(zhǔn)問題

    機(jī)械制造商們往往面對(duì)著一大堆與安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；要完全理解它們，代價(jià)往往是昂貴的，甚至在某些情況下是不可能的，但是到最后他們?nèi)缘脤?duì)其產(chǎn)品和相關(guān)安全方面負(fù)責(zé)。當(dāng)法律給設(shè)備供應(yīng)商強(qiáng)加了諸多約束時(shí)，這種情形卻仍舊存在，是不正常的。

    現(xiàn)在，安全相關(guān)部分和功能應(yīng)用部分常常有一個(gè)明顯的界線。這個(gè)界線產(chǎn)生于運(yùn)用不同的系統(tǒng)，不同的工具，甚至不同的人。這使得安全部分直到最后才能被包括進(jìn)來，并且只能對(duì)其做有限的測(cè)試，而沒有從一開始就將它集成到整個(gè)系統(tǒng)的體系中。這種做法明顯無(wú)助于整體的安全考慮。

    同時(shí)，與日俱進(jìn)的技術(shù)革新現(xiàn)可提供安全的數(shù)字通訊總線。這支持了從硬件系統(tǒng)到以軟件為解決方案的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。一根并行線可從硬件連線的繼電器邏輯連到可編程邏輯控制器（PLC）上。但這樣的變化還需要時(shí)間，以及工業(yè)界的廣泛支持。

2 安全相關(guān)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，安全型系統(tǒng)稱為Safety-Related System。它覆蓋的范圍很廣，適用于所有工業(yè)系統(tǒng)，它包含了影響安全的各種因素，如儀表組成的保護(hù)系統(tǒng)，工藝設(shè)備的安全措施以及管理和人員的操作和規(guī)章制度等各方面。對(duì)于我們平常所說的安全控制系統(tǒng)就是指儀表和控制設(shè)備構(gòu)成的保護(hù)系統(tǒng)。

    安全控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、控制邏輯單元和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行裝置和他們之間的連線組成，其中控制邏輯單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。這一系統(tǒng)能以符合安全要求的概率，在工藝過程出現(xiàn)預(yù)先規(guī)定的故障情況時(shí)，使過程處在安全狀態(tài)。

    在安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了定量的來分析各種生產(chǎn)裝置的安全性，并作為安全控制系統(tǒng)的配置依據(jù)，IEC61508定義了4個(gè)安全度等級(jí)( Safety Integrity Level)SIL1-4，同時(shí)每個(gè)等級(jí)包括兩個(gè)定量的安全要求，即系統(tǒng)連續(xù)操作每小時(shí)故障概率(PFH)和按要求模式執(zhí)行指定功能的故障概率(PFD)，見表1。

    表1

    安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既要滿足工業(yè)過程的安全度要求，又要保證可靠性和可用性，因此，必須對(duì)具體的工業(yè)過程進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。我國(guó)目前還沒有具體的安全等級(jí)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而目前國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)有德國(guó)的DIN19250、美國(guó)的ISA S84.01和IEC61508；權(quán)威的認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括德國(guó)的T?V、美國(guó)的UL和FM等。

    安全度等級(jí)可以根據(jù)IEC61508提供的風(fēng)險(xiǎn)圖（Risk Graph），按照估計(jì)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)的損害程度、人員存在的可能性、防止危險(xiǎn)發(fā)生的可能性以及無(wú)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性這四個(gè)參數(shù)來計(jì)算故障概率PFD而最終確定。按照這一要求，電廠的爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)的安全度等級(jí)一般被定義為SIL3 (IEC61508)，此等級(jí)相當(dāng)于DIN19250標(biāo)準(zhǔn)的RC6級(jí)。

    對(duì)于安全相關(guān)的控制系統(tǒng)來說，一直以來所采用的硬件主要有以下三種形式:

    1) 繼電器;

    2) 硬接線固態(tài)電路;

    3) 可編程電子系統(tǒng)(大多為PLC 系統(tǒng))。

    目前，由于采用微處理器技術(shù)的PLC具有高可靠性、高可用性和可維護(hù)性，因此在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 總的設(shè)計(jì)思想

    3.1 概述

    安全方面的實(shí)現(xiàn)，可集成到軟件的開發(fā)工具中。這樣的結(jié)合可使得開發(fā)者在剛開始進(jìn)入開發(fā)周期時(shí)，就可將與安全相關(guān)的功能集成到他們的系統(tǒng)中去。

圖1   在一個(gè)平臺(tái)上合并三個(gè)環(huán)境

    3.2 安全控制系統(tǒng)的基本要求

    在所有可應(yīng)用的安全標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)機(jī)械制造商來說，一個(gè)安全應(yīng)用程序的通用基本要求如下：

    * 安全與非安全功能性的區(qū)別

    * 可應(yīng)用的編程語(yǔ)言和語(yǔ)言子集的運(yùn)用

    * 認(rèn)證的軟件模塊的運(yùn)用

    * 可應(yīng)用的編程指導(dǎo)方針的運(yùn)用

    * 安全相關(guān)軟件的生命周期中，被認(rèn)可的降低錯(cuò)誤的測(cè)量手段的運(yùn)用

    3.3 提供易用的工業(yè)控制編程環(huán)境

    對(duì)用戶來說，為符合上述高要求所做的努力應(yīng)該盡量減少。要做到這點(diǎn)，可采用標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，使得典型的功能可以輕松實(shí)現(xiàn)。功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件工具的支持和集成，使得程序員從一開始就可在他們的應(yīng)用中集成安全部分。

    3.3.1安全功能塊的標(biāo)準(zhǔn)化

    為了幫助開發(fā)者使用安全相關(guān)的功能，他們使用軟件時(shí)的舒適度應(yīng)當(dāng)被提高，這樣便更容易去接受這種工作方式。要做到這點(diǎn)，需要標(biāo)準(zhǔn)化安全功能塊。這樣，安全功能能更好地被辨認(rèn)出來，做出專業(yè)化的安全功能塊的趨勢(shì)被降低。所以，便沒有必要進(jìn)行再培訓(xùn)；另外，也有利于認(rèn)證實(shí)體更容易、快捷地檢查安全軟件。

    在較高的層次提供功能塊，使得它們較少地依賴于下層的硬件結(jié)構(gòu)。

    3.3.2標(biāo)準(zhǔn)程序的集成

    一旦功能塊具有了其功能，下一步便要決定如何將安全相關(guān)的程序并入其中。在這一層面上，軟件工具應(yīng)該盡可能地幫助使用者。所以，可以定義一種新的布爾變量，它可應(yīng)用于安全相關(guān)環(huán)境中，于是安全相關(guān)和非安全相關(guān)的布爾變量便有了區(qū)別。這使得開發(fā)工具有了可辨別安全程序部分的基礎(chǔ)，引導(dǎo)用戶做出被允許的連接，同時(shí)阻止了錯(cuò)誤的連接。

    并且，編程語(yǔ)言的功能要減少。另外，最好使用FBD和LD 圖形，這樣程序部分可以更容易地去寫和檢查。

4 安全應(yīng)用程序的模型

    4.1  控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)

圖2   框架

    上面的結(jié)構(gòu)模型與功能應(yīng)用部分和安全應(yīng)用部分不同，它是與兩個(gè)層次的軟件環(huán)境相聯(lián)系的。要做的是合并這兩個(gè)環(huán)境，也就是，功能部分的開發(fā)環(huán)境中集成一個(gè)安全部分，包括編程語(yǔ)言和安全部分的功能的精簡(jiǎn)。

    以上兩個(gè)應(yīng)用程序部分可以運(yùn)行在一個(gè)設(shè)備上，或者在兩個(gè)或更多的、雖然分散卻被接在一起的設(shè)備上。上圖中的虛線表示應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)交換，它可以通過網(wǎng)絡(luò)、連線輸入/輸出或設(shè)備中的存儲(chǔ)器交換來實(shí)現(xiàn)。

    模型的左側(cè)是兩類輸入，右側(cè)是兩類輸出。在中間，兩個(gè)環(huán)境是分開來表示的，它們都與各自的輸入輸出相連接。

    模型的中間表示了功能和安全應(yīng)用程序所允許的數(shù)據(jù)交換。

    * 功能應(yīng)用程序有權(quán)讀取安全輸入和全局變量（正如左邊的箭頭所示）

    * 在安全應(yīng)用程序中，非安全信號(hào)僅能用來控制程序走向，不能被直接連至安全輸出上（正如右箭頭和AND操作符所示）

5 結(jié)語(yǔ)

    安全控制系統(tǒng)的運(yùn)行需要底層硬件的支持——硬件采集上來的數(shù)據(jù)本身已有安全信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之分；但安全控制系統(tǒng)里的安全應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)則獨(dú)立于底層硬件。在工業(yè)控制編程環(huán)境中提供安全數(shù)據(jù)變量和安全功能塊，有利于用戶輕松的將安全性集成到他們的功能應(yīng)用中。

    編號(hào)：080525