安全繼電器及安全PLC在制造行業的應用
國內外的各制造行業廠商歷來重視制造過程中的安全與保護。隨著產能的不斷提升，廠商對設備自動化的要求越來越高，機器和設備也越來越復雜、速度也越來越快。因此，廠商對這些機器的安全要求也越來越高。我們既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護性。這就對安全元器件的正確和合理的設計和選擇提出了一定的要求。
安全功能在工業設備上的使用在發達國家已十分普及，例如，在歐洲有強制的安全標準，達不到相應安全等級的設備不能投產；在美國則依靠高額的事故賠償來強制設備的安全性。通常，我們可以參照以下歐洲標準進行設備的設計：
EN 1050-1996? 機械安全? 風險評價
EN 292－1：1991 機器安全 基本概念與設計通則
EN 954-1 機械安全 控制系統有關安全部件 第1部分 設計通則
EN/IEC 60204 機械安全? 機械電氣設備
EN/ISO 13894 機械的安全 控制系統有關的安全部件
EN/IEC 61508 主要涵蓋了電氣/電子/可編程電子系統的功能安全
EN 418 緊急制動設備
EN 1088? 與保護裝置有關的連鎖裝置?? 設計和選擇原則
EN 12415? 機床 安全? 小型數控車床和車削中心
EN 12417? 機床 安全? 加工中心
EN 12478?? 機床 安全? 大型數控車床和車削中心
EN 692：1996 機械壓力機安全
EN 693：2000 機床安全 液壓機
EN 1550：1997 機床安全 工件夾緊用卡盤設計和制造的安全要求
在這方面我國還處于起步階段，很多有一定危險性的設備沒有任何安全保護措施，這也是工廠事故頻發的一個重要原因。隨著國家對此重視程度的提高和以人為本理念的逐漸深入人心，設備的安全性正得到越來越多的重視。
?? 設備的安全性能由機械安全防護和電氣安全控制兩方面組成。機械安全防護在本文不做過多介紹，下面詳細介紹電氣安全控制的原理及應用。
安全控制系統必須提供一種高度可靠的安全保護手段，最大限度地避免機器的不安全狀態、保護生產裝置和人身安全，防止惡性事故的發生、減少損失。該系統在開車、停車、出現工藝擾動以及正常維護操作期間對機器設備提供安全保護。一旦當機器設備本身出現危險，或由于人為原因而導致危險時，系統立即做出反應并輸出正確信號，使機器安全停車，以阻止危險的發生或事故的擴散。
　　一套安全控制系統，由安全輸入信號（即安全功能，如緊急停止信號、安全門信號等）、安全控制模塊（如安全繼電器、安全PLC）、和被控輸出元件（如主接觸器、閥等）三部分組成。
要使設備達到相應的安全等級就離不開必要的安全元件和安全線路，常見的安全元件有急停按鈕、雙手按鈕、安全門開關、安全光柵等。這些元件通過線路（一般是雙回路）連接到安全控制的核心，此核心不是普通的PLC，因為它不具備安全功能。
具有安全要求的機器中，普通的繼電器或者PLC被廣泛地作為控制模塊，對安全功能進行監控。從表面看來，這樣的機器在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因導致功能失效時（如觸點熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會丟失安全保護功能，引發事故。
　　而對于安全控制模塊，由于其采用冗余、多樣的結構，加之以自我檢測和監控、可靠電氣元件、反饋回路等安全措施，保證在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時的將故障檢測出來。從而在最大程度上保證了整個安全控制系統的正常運行，保護了人和機器的安全。
電氣安全控制的方式大致分為以下幾種：
1.用普通繼電器搭建有自鎖和互鎖功能的雙回路線路。這種是最原始的安全控制方式，能達到較低的安全等級。其優點是成本低廉，缺點是維護和改造十分復雜，無法監控。
2.使用安全繼電器搭建安全回路。上個世紀隨著安全繼電器的出現，它已經越來越多的應用于各種工業設備中。可以用于控制單一安全功能，適用于小型的安全控制系統。其安全輸出通常有繼電器觸點輸出或晶體管輸出。無論采用何種形式的輸出結構，安全繼電器都能夠保證至少2個通道進行輸出的控制。在一個輸出通道出現故障的情況下，另外一個冗余的通道依然能夠保證安全繼電器的安全功能，并且及時檢測出故障通道。常見的安全繼電器品牌有皮爾茲、施邁賽等，現在西門子、歐姆龍等系統集成商也都相繼推出了自己的安全繼電器產品。此控制方式成本適中，能達到較高的安全等級，但如果安全元件多線路依然比較復雜，不適于大型生產線。
3.使用安全PLC進行安全控制。安全可編程控制器的CPU采用冗余的多處理器結構。各個處理器之間相互監控，一旦出現不一致，立刻使控制器處于安全狀態，并且發出報警信息；同時，安全可編程控制器對內部的RAM，EPROM，輸入輸出寄存器等元件進行實時監控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進行檢測，一旦出現任何不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護狀態。安全總線系統適用于大型、離散式的安全控制系統。其原理是在現有工業現場總線的基礎上，采用了一系列的時間檢測、地址檢測、連接檢測和CRC冗余校驗等措施，達到高的安全等級。安全PLC是上世紀末出現的產品，他的優點是可編程性能強大，使用安全總線能實現很高要求的安全控制，但成本較高。
4.使用可編程安全繼電器進行安全控制。可編程安全繼電器是近年推出的安全產品，它介于安全PLC和安全繼電器之間，即具有一定的可編程性，價格卻不是很高。安全繼電器是一個多功能、可自由配置的模塊化安全系統。與其他普通安全繼電器不同，可編程安全繼電器的安全電路可在個人電腦上使用圖形配置工具輕松生成。通過基礎模塊上的RS232接口可以直接向可編程安全繼電器寫入程序。

以上簡單介紹了安全控制的幾種方式，那么與安全等級密切相關的安全元件是如何達到安全控制的目的的呢？下面進行分類介紹：
1.防短路功能。安全線路一般使用雙回路控制，即使有一條線路發生短路，依然能防止設備在不滿足要求的狀態下運行，另外安全繼電器和安全PLC都有短路診斷功能。
2.放粘連功能。安全繼電器與普通繼電器不同，普通繼電器在長時間電弧的作用下有可能發生觸點的粘連，而安全繼電器由于其特殊的結構，能保證在回路不滿足條件的情況下觸點強制斷開。
3.安全區域功能。通過安全門鎖和安全光柵行程指定的安全區域，一旦進入安全門或穿越光柵，在安全控制的作用下設備能夠強制停機，保證生產人員的安全。
4.冗余功能。安全PLC和安全總線都具有冗余功能，確保在外界干擾下的安全性能不受影響。
對于安全功能4個以下的單臺設備或流水線，我們可以使用緊湊型安全繼電器。例如，在動力車間中的單臺數控機床，其安全功能通常包括數個緊急停止按鈕、一扇至二扇安全門，并且安全等級在3級以上。對于這樣一個應用，我們可以采用一個緊湊型安全繼電器控制所有的緊急停止按鈕；再使用1/2個緊湊型安全繼電器控制1/2扇安全門。任何一個安全繼電器被觸發，安全輸出必須切斷相關負載（如控制軸運動的變頻器或伺服）。
　　對于安全功能在4至14個的設備或流水線，我們推薦使用模塊化的可編程安全繼電器來得到更高的靈活性和更低的成本。我們以一條油漆自動化線為例，在此生產區域中，通常包括在安裝在噴涂區域進出口的2對安全光柵、4/8個安全門、若干個緊急停止按鈕、2套屏蔽傳感器，并且安全等級在3級以上。我們當然可以選用緊湊型的安全繼電器來實現以上安全功能。但是這種解決方案的成本較高、接線繁瑣、故障診斷困難。而可編程安全繼電器的應用，不但能夠可靠、高效的完成安全功能，并且能夠從設計、購買、維護中降低成本。
? 　對于安全功能在數十個以上、或者大部分的安全功能都離散分布的現場，可編程安全PLC系統和安全總線系統可以使復雜的安全控制變得簡便、清晰。在大型沖壓流水線中，安全PLC都有成功的應用案例。通常，一條沖壓流水線高10m，長50m，分為涂油、沖壓、剪切 等幾個工作區域。每個區域都有2扇沖程門和若干的緊急停止按鈕；外圍還需要有安全光柵保護換模區域；此外沖壓機械中還有大量的安全信號（比如上死點、閥信號等）需要接入安全控制系統，并且以復雜的邏輯關系貫穿于整個安全控制回路。在這種情況下，可編程安全繼電器和安全總線系統是最為合適的解決方案。安全PLC可以簡便的實現復雜的邏輯關系。通過安全總線可以將分散在現場的安全輸入信號通過一根電纜集中至主站進行控制。
???? 在我國的生產制造行業，各種安全控制系統已經得到廣泛應用。以汽車行業為例，合資企業使用歐美的進口設備，一般都具有較高的安全等級，例如一汽大眾、上海大眾、上海通用的生產車間就是如此。而多數民族汽車品牌大都使用國產設備，如奇瑞汽車，長城汽車等，在其沖壓焊裝和總裝線上大范圍使用了國產設備，也大都配備了安全繼電器和安全PLC等安全控制系統，提高了生產的安全性。隨著以人為本理念的深入貫徹，相信安全控制在未來的工業生產中將得到更加廣泛的應用。