功能安全入门从一颗急停按钮到完整安全回路的设计理念

功能安全入门：从一颗急停按钮到完整安全回路的设计理念

从“可靠”到“安全”的跨越

一个普通的按钮回路，关注的是“能否动作”。而一个安全回路，关注的是“即使发生故障，也必须安全地动作”。这背后的核心理念是 “失效-安全”——当系统内部元件或回路出现故障时，系统应能自动导向一个预定义的安全状态（如停机）。

急停按钮的进化：从常开到常闭

• 普通回路：可能使用常开触点，得电后闭合以启动设备。

• 安全回路：急停按钮必须使用常闭触点。为什么呢？

  • 如果使用常开触点，线缆断线或触点接触不良的故障发生时，即使按下急停，回路也无法导通，设备不会停止，这是极其危险的。

  • 而使用常闭触点，在正常情况下回路是导通的。一旦按下急停（物理断开），或者发生线缆断线、触点烧毁断开等故障，回路都会强制断开，立即触发停机。这就实现了“失效-安全”。

构建安全回路的核心要素

一个完整的安全回路不仅仅是急停，它是一套系统，包括：

1. 安全输入设备：如急停按钮、安全门开关、光栅等。它们的特点是通常采用常闭触点，并且本身可能具有强制断开结构和高可靠性。

2. 安全逻辑控制器：这是安全回路的大脑。不同于标准PLC，安全PLC（如西门子Safety Integrated）内部具有冗余结构、自测试功能和多样的诊断能力。它能检测到输入通道的短路、外部线路的断路等故障。

3. 安全输出设备：如安全接触器、安全继电器模块。通常采用冗余（两个）接触器串联的方式控制主电路。即使其中一个接触器因故障粘连无法断开，另一个仍能可靠地切断电机电源。

4. 回路诊断：现代安全系统会通过监测反馈回路等方式，实时诊断输出侧的执行状态，确保安全指令被正确执行。

设计理念总结

设计一个安全回路，需要遵循以下理念：

• 冗余：关键路径上使用多个元件，单一故障不导致安全功能丧失。

• 多样性：避免共因故障，例如使用不同原理的传感器。

• 自诊断：系统能够自动检测内部的故障，并及时告知用户。

• 确定的响应：对于确定的危险，必须有确定的、可靠的响应措施。

因此，从一颗采用常闭触点的急停按钮开始，到采用冗余接触器、并由安全PLC进行逻辑处理和诊断，这才构成了一个符合现代安全标准（如ISO 13849）的、完整可靠的安全回路。