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    章宇（1984－）
女，（信息產業(yè)部電子六所，北京  100083）信息產業(yè)部電子六所碩士研究生，計算機應用技術專業(yè)，研究方向為系統(tǒng)的功能安全。

摘要：在自動化解決方案中，安全性集成的問題已經出現(xiàn)。本文闡述了什么是安全相關控制系統(tǒng)，介紹了符合IEC61131-3的安全應用程序的結構模型，以達到工業(yè)控制編程能符合安全標準的目的。

關鍵詞：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 自動化解決方案中所遇到的安全標準問題

    機械制造商們往往面對著一大堆與安全相關的標準；要完全理解它們，代價往往是昂貴的，甚至在某些情況下是不可能的，但是到最后他們仍得對其產品和相關安全方面負責。當法律給設備供應商強加了諸多約束時，這種情形卻仍舊存在，是不正常的。

    現(xiàn)在，安全相關部分和功能應用部分常常有一個明顯的界線。這個界線產生于運用不同的系統(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來，并且只能對其做有限的測試，而沒有從一開始就將它集成到整個系統(tǒng)的體系中。這種做法明顯無助于整體的安全考慮。

    同時，與日俱進的技術革新現(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變趨勢。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間，以及工業(yè)界的廣泛支持。

2 安全相關控制系統(tǒng)簡介

    根據(jù)IEC標準，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，如儀表組成的保護系統(tǒng)，工藝設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。對于我們平常所說的安全控制系統(tǒng)就是指儀表和控制設備構成的保護系統(tǒng)。

    安全控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場檢測儀表、控制邏輯單元和現(xiàn)場執(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)預先規(guī)定的故障情況時，使過程處在安全狀態(tài)。

    在安全控制系統(tǒng)的設計中，為了定量的來分析各種生產裝置的安全性，并作為安全控制系統(tǒng)的配置依據(jù)，IEC61508定義了4個安全度等級( Safety Integrity Level)SIL1-4，同時每個等級包括兩個定量的安全要求，即系統(tǒng)連續(xù)操作每小時故障概率(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)的設計以及系統(tǒng)結構既要滿足工業(yè)過程的安全度要求，又要保證可靠性和可用性，因此，必須對具體的工業(yè)過程進行安全評價。我國目前還沒有具體的安全等級評價和設計標準，而目前國際上通用的標準有德國的DIN19250、美國的ISA S84.01和IEC61508；權威的認證機構包括德國的T?V、美國的UL和FM等。

    安全度等級可以根據(jù)IEC61508提供的風險圖（Risk Graph），按照估計發(fā)生危險時的損害程度、人員存在的可能性、防止危險發(fā)生的可能性以及無保護系統(tǒng)時出現(xiàn)危險的可能性這四個參數(shù)來計算故障概率PFD而最終確定。按照這一要求，電廠的爐膛安全保護系統(tǒng)的安全度等級一般被定義為SIL3 (IEC61508)，此等級相當于DIN19250標準的RC6級。

    對于安全相關的控制系統(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的PLC具有高可靠性、高可用性和可維護性，因此在工程實際中得到了廣泛的應用。

3 總的設計思想

    3.1 概述

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

圖1   在一個平臺上合并三個環(huán)境

    3.2 安全控制系統(tǒng)的基本要求

    在所有可應用的安全標準中，對機械制造商來說，一個安全應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

    * 可應用的編程語言和語言子集的運用

    * 認證的軟件模塊的運用

    * 可應用的編程指導方針的運用

    * 安全相關軟件的生命周期中，被認可的降低錯誤的測量手段的運用

    3.3 提供易用的工業(yè)控制編程環(huán)境

    對用戶來說，為符合上述高要求所做的努力應該盡量減少。要做到這點，可采用標準化的解決方案，使得典型的功能可以輕松實現(xiàn)。功能塊的標準化、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用中集成安全部分。

    3.3.1安全功能塊的標準化

    為了幫助開發(fā)者使用安全相關的功能，他們使用軟件時的舒適度應當被提高，這樣便更容易去接受這種工作方式。要做到這點，需要標準化安全功能塊。這樣，安全功能能更好地被辨認出來，做出專業(yè)化的安全功能塊的趨勢被降低。所以，便沒有必要進行再培訓；另外，也有利于認證實體更容易、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構。

    3.3.2標準程序的集成

    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的程序并入其中。在這一層面上，軟件工具應該盡可能地幫助使用者。所以，可以定義一種新的布爾變量，它可應用于安全相關環(huán)境中，于是安全相關和非安全相關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，引導用戶做出被允許的連接，同時阻止了錯誤的連接。

    并且，編程語言的功能要減少。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 安全應用程序的模型

    4.1  控制系統(tǒng)的結構及相關的安全標準

圖2   框架

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

    以上兩個應用程序部分可以運行在一個設備上，或者在兩個或更多的、雖然分散卻被接在一起的設備上。上圖中的虛線表示應用程序間的數(shù)據(jù)交換，它可以通過網絡、連線輸入/輸出或設備中的存儲器交換來實現(xiàn)。

    模型的左側是兩類輸入，右側是兩類輸出。在中間，兩個環(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用程序所允許的數(shù)據(jù)交換。

    * 功能應用程序有權讀取安全輸入和全局變量（正如左邊的箭頭所示）

    * 在安全應用程序中，非安全信號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 結語

    安全控制系統(tǒng)的運行需要底層硬件的支持——硬件采集上來的數(shù)據(jù)本身已有安全信號和標準信號之分；但安全控制系統(tǒng)里的安全應用程序的實現(xiàn)則獨立于底層硬件。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用中。

    編號：080525