基于安全PLC的举高消防车冗余安全控制系统设计.pdf

自动控制系统与装置一 Au t o ma t ic Co n t r oI S y s t e ms＆ E q u i p me n t s 瓣 辫瓣 藤 麓糖 溉g 蛾 E 蠢 瓣 一聪l 潍勰 电气自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第2 期 基于安全 P L C的举高消防车冗余安全控制系统设计 邓鹏飞 。苏 亮 长沙中联消防机械有限公司 ， 湖南长沙4 1 0 3 0 0 摘要举高类消防车， 作为高层建筑灭火救援 的高端主战装备， 高安全性、 高可靠性是其发展趋势， 欧盟的机械电气安全标准 I S 01 3 8 4 91 将其安全性能等级要求规定为最高等级。通过在车辆整个电气控制系统的输入、 输出、 通信、 运算等各个环节引 入冗余安全设计， 设计了一套运用安全 P L C的车辆冗余安全控制系统， 实现了系统内部故障智能 自诊断与快速响应。与原有 常规电气控制系统相比， 极大的提高了车辆的安全性、 可靠性。 关键词安全 P L C ； 多重故障自检测； C A N安全通信 ； 安全控制系统； 安全性能等级 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 3 2 [ 中图分类号]T P 2 7 1． 4 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 2 0 0 9 5 0 4 De s i g n o f Re d u n d a n c y Sa f e t y Co n t r o l Sy s t e m o f Ele v a t i n g F i r e En g i n e Ba s e d o n Sa f e t y PL C DENG P e n g f e i ，S U Li a n g C h a n g s h a Z o o ml i o n F i r e Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ，C h a n g s h a Hu n a n 4 1 0 3 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t E l e v a t i n g f i r e e n g i n e ， a s t h e m a j o r h i g h e n d e q u i p m e n t f o r h i g h r i s e b u i l d i n g fi r e r e s c u e ，h a s p o t e n t i al s f o r h i g h s e c u r i t y a n d h i g h r e l i a b i l i t y ．Ac c o r d i n g t o E U’ S me c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l s a f e t y s t a n d a r d I S 01 3 8 4 9 1 ，i t s s a f e t y p e r f o r ma n c e r a t i n g i s s p e c i fi e d a t t h e hi g h es t l e v e 1 ． T hr o u g h i n t r o d u c t i o n o f r e d un d a nc y s a f e t y d e s i g n i n t h e i n pu t ，o u t p u t，c o mmu ni c a t i o n a n d o p e r a t i o n o f t h e e nt i r e e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m o f t h e f i r e e n g i n e a n d d e s i g n o f a r e d u n d a n c y s afe t y c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n s afe t y P L C， we r e a l i z e i n t e l l i g e n t s e l f - d i a g n o s i s o f f a u l t s a nd q ui c k r e s p o n s e wi t hi n t h e s y s t e m ，wh i c h， c o mp a r e d wi t h t he c o n v e n t i o na l e l e c t r i c a l c o nt r o l s y s t e m， f e a t u r e s a mu c h i mp r o v e d t s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r d s s a f e t y P L Cmu l t i p l e f a u l t s e l f - i n s p e c t i o n；C AN s afe c o mmu n i c a t i o n；s afe t y c o n t r o l s y s t e m ；s afe t y p e r f o r ma n c e r a t i n g O 引 言 随着城市化进程的不断加快， 高层建筑越来越多， 作为高层 建筑灭火救援主战装备的举高类消防车 ， 应用也越来越广泛， 考 虑到举高消防车工作环境以及高空载人救援等特性 、 国家对消防 事业的投入逐年加大， 用户对此类特种车辆的性能提出了更高的 要求， 同时， 欧盟最新的机械电气安全标准 I S 0 1 3 8 4 91将} 肖防 车安全性能等级要求规定为最高等级 P L e ⋯， 所以， 如何提高 举高消防车的安全性 、 可靠性成为消防车电气设计的重中之重。 普通的电气控制系统通过在车上设置检测元器件 ， 获得车辆 的状态信息， 实现车辆的安全动作保护。但是当检测元件 、 输出 元件、 总线通信、 P L C自身出现故障时， 错误的信息将影响车辆 电 气系统的正常运行， 出现误动作、 误保护， 严重时将危及车辆及人 员生命安全。不能满足消防车辆电气安全的设计需求。 针对现有的状况， 本文设计开发的举高消防车冗余安全控制 系统， 加入了对电气控制系统各个环节 自身故障的 自诊断机制， 及时获取电气系统 自身故障， 对车辆进行保护 ， 并将诊断结果反 馈到显示屏， 从而大大地提高了车辆运行的可靠性及安全性， 同 时也缩短了发生车辆故障时的维修时间。 1 冗余安全系统的整体构成 本系统中， 在下车、 转台、 及工作斗三个位置设置三个控制 定稿 E t 期 2 0 1 3 0 51 7 器 ， 各控制器收集检测元件信号 ， 通过 C A N总线进行数据交换， 并给出指令控制输出元件， 构成一个整车控制网络。各个控制单 元主要实现的控制功能分别为下车支腿调平、 臂架控制、 工作斗 调平等。冗余安全控制系统结构框图如图 1 所示。 C AN2 图 1 冗余安全控制 系统结构 图 系统研究的内容主要包括测量输入、 输出单元 、 P L C控制单 元以及总线通信四个部分 ， 和常规的系统相比， 本系统在各个 部分实现冗余安全设计， 构建 了一个完备的冗余安全电气控制 系统 。 同时， 系统还配备显示屏， 主要完成人机交互、 系统参数设定 等功能。 2 冗余安全 系统功能设计 2 ． 1 多重检测输入设计 考虑信号检测的准确性和可靠性， 需要合理的设置和选择检 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 9 5 自动控制系统与装置 皇 皇 兰 竺 兰竺 A u t o ma t i c Co n t r o l S y s t e ms＆ E qu i p me n t s 关的对象确定时间， 其中发送周期规定了数据循环发送 的周期 ， 而 S C T与 S R V T的工作模式具体描述如下。 SRD O SRD O SRDO SRDO ．．．．．．． r_ ． ． ． 一 图 6 S C TS a f e g u a r d c y c l e t i me安全引导周期时间 从图6可以看出， S R D O的定期发送通过 S C T机制被监控， 如果数据没有在设置时间内重复发送， 也就是说， 当两次数据接 受的时间大于 S C T的设定时间， 控制就会进入安全状态 输出关 断 。 宴RD0 宴Rbo SRD0 SRD0 图 7 S R V T S a f e t y - r e l e v a n t o b j e c t v a l i d a ti o n ti me 与安全相关的对 象确定 时间 图7中， S R V T机制确保在 2个 S R D O信息之 间的时间间隔 被遵守。如果第2个信息 通过 C A N接口2发送的冗余信息 没 有在设定时间内被发送， 那控制器就会进入安全状态 输出关 断 。 系统采用的时间设定参数为 R E F R E S H T I ME 1 0 0 m s ； SCT 1 5 0 ms；S RVT 4 0 ms。 将关系到系统安全的数据定义为安全通信数据， 当安全通信 数据传输超时或者出现异常时， 系统将切断控制器输出， 从而保 证系统安全。 3测试 结果分析 在车辆上进行冗余安全保护系统整机的型式试验， 分别对多 重故障检测、 冗余输出、 C A N通信 自检等内容进行测试。 图8为两路传感器采集的变幅角度数据 ， 图 9为变幅角度实 时计算数据， 可见变幅角度速度计算结果能够较好的反映变幅角 度的变化 ， 适用于多重检测故障判断。图 1 0为试验过程中将一 个传感器检测数据用另外一个变量代替 ， 人为模拟一个角度检测 误差 ， 此时系统检测的两个传感器数据存在差异， 可以看出， 系统 及时关断了变幅 P WM输出， 保证了当变幅检测出现故障时的车 ■ 班 罂 图 8 变幅角度数 据采集 ⋯⋯．变 据 角度 t 一 变 幅 角度 2 1． 6 1． 4 1． 2 1 o s o 6 捌0 ．4 O． 2 0 --0． 2 王 2 3 4 S 6 7 8 9 i 0 1 1 1 2 1 3 14 t ／ s 图9 变幅角度速度计算 ⋯～ 变 幅角度l I ’ ⋯⋯⋯ 变 杠月 I 度2 { 一燮 帽阀P WM位 图 1 0 变幅动作时监控 采集数据 辆操作安全。 系统中所有的输入检测故障、 输出故障、 冗余通信故障处理 过程分别如表 1 ～3所示。当判定发生检测故障时， 与故障关联 的功能输出将 自动被关断。同时， 系统配备的操作显示屏 见图 1 1 能够及时将故障信息显示出来， 方便操作及维护人员及时掌 握车辆的工作状态。 表 1 冗余检测故障处理表 表 2冗余输 出故 障处理表 表3 冗余通信故障表 位置 故障及处理措施 下 车 转 台 工作斗 显示 屏 2个 输出端口关闭， 紧急报警声 输 出端 口关闭 ， 紧急报警声 输 出端 口关闭 ， 紧急报警声 紧急报警提示 E l e c t r ic a I A u t o ma t i o n 9 7 珊 瑚 瑚 姗 瑚 5 ； o 8＼ _ q ￡鲎馨 电气自动化 2 0 1 4年第3 6 卷 第2期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t ic C o n t r o I S y s te ms＆ E q u i p me n t s 图 1 1 语音报警系统界面 4 结束语 冗余安全保护系统通过在输入、 输出、 P L C控制单元及总线 通信上加入冗余设计 ， 使得电气控制系统 自身具备了硬件故障 自 诊断的能力 ， 大幅提升了车辆的安全可靠性。设计紧扣国际标准 对于消防设备安全的硬性要求， 可以满足欧盟新的机械电气安全 标准 I S O 1 3 8 4 91的要求 ， 性能等级达到了 L e ， 为拓展海外市 上接第 4 4页 2 ． 3 通道电路设计 通 道 硬 件P g t l 电路部分， 主要l P W M 2 嚣 l 器 电 路 部 分 和 I 广 一 放 大 器 部 分 设 计 从F P G A 滤 波器1 H放大 器l 第⋯ 路输出 滤波器2 放大器2} 第二 路输出 堕 壁 H H 堕 图4 通道 电路模块 输出的 P WM波形 ， 存在高频噪声， 高频载波信号和波形信号， 通 过滤波器需要滤除掉除波形信号以外的信号， 同时 F P G A输 出的 波形的幅值最大只能为3 ． 3 V， 所 以要得到高电压幅值的波形就 必须对原有波形进行放大 ， 然后定标。通道电路的框图如图4 。 为了保持波形电压幅值在所需的频率范围内稳定， 在低通滤 波器通带内要求频率特性曲线是一条水平的直线， 而对于前面四 种典型的滤波器来说， 切比雪夫滤波器幅频特性在通带内有波 动， 贝塞尔滤波器相频特性很好， 所以巴特沃思低通滤波器方案 设计是最好的选择。通过设计二阶低通有源滤波器对来自F P G A 的 P WM波形进行滤波， 最终得到理想的波形。 3 实例验证 通过面对 Ⅳ通道信号发生器系统方案的详细描述， 本节设 计一个双通道的正弦波发生器来验证上述系统方案。该设计的 系统时钟为5 0 MH z ， 采用 C y c l o n e系列的 E P 2 C 5 T 1 4 4 C 8器件， 用 1 2位带开关的旋转编码器实现频率为 1 3 k H z 可调 ， 相位 3 6 0 。 内可调， 幅值在 3 V范围内变化， 且频率精确度为 1 H z ， 相位分辨 率低于0 ． 1 。 ， 幅值分辨率为 1 mV的双通道正弦波发生器， 然后 通过 T D S 3 0 1 2双踪示波器观察， 得到了当频率为 5 0 0 H z和幅值 为3 V时， 相位分别相差 1 8 0 。 和 2 7 0 。 的正弦波波形 ， 如图5通过 观察， 我们可以发现每个通道的正弦波波形非常理想 ， 无失真， 证 实了该方案的正确性。 9 8 E le c t r i c a I Au t o ma t io n 场提供技术积累。采用安全保护系统的消防车能够满足 日益注 重性能及安全的客户需求， 提升品牌影响力。本文中用于消防车 电气系统安全的冗余设计方法同样适用于需要应用安全控制的 自动化领域。 参考文献 [ 1 ]E N I S O 1 3 8 4 912 0 0 6， S a f e t y o f m a c h i n e r ys a f e t yr e l a t e d p a r t s o f c o n t r o l s y s t e m p a r t l G e n e r a l p r i n c i p l e s f o r d e s i g n [ S ] ． [ 2 ]王淑云 ， 闫少雄． 基于专家 P I D的西 门子 P L C控制器设计 [ D] ． 西安 西安工业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]刘哲纬 ，金文兵 ，程文锋．冗余技术在 集散控制 系统 中的应用 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 8 ， 2 1 7 l 3 1 4 ． [ 4 ]黄之炯． 安全 P L C及其 安全相 关 的系统 的介绍 及安 全可靠 性 分析 [ J ] ． 自动化博览 ， 2 0 0 8， 2 6 6 4 0 4 2 ． [ 5 ]蒋建文 ， 许化龙 ， 刘根 旺 ， 等． C A N总线冗 余方法 研究 [ J ] ． 计 算机工 程 ， 2 0 0 2， 2 8 2 2 1 9 2 2 0 ． [ 6 ]熊文泽． 功能安全技术讲座 第三十一讲 机械应用安全相关系统标准 的简介 [ J ] ． 仪 器仪表标准化与计量 ， 2 0 1 2 ， 2 8 6 1 11 3 ． 【 作者简介】邓鹏飞 1 9 7 4 一 ， 男， 湖南长沙人， 硕士， 电气工程师， 专业 电气工程。 苏亮 1 9 8 5一 ， 男， 湖 南长沙人 ， 硕 士 ， 电气工程 师， 专 业 电气工程。 量 馨 b 相位差为2 7 0 。 图 5 双通道示波器输出波形 4 结束语 本文通过利用 F P G A的 D D S技术， 提出了一种 Ⅳ通道的波 形发生器的设计方案， 对多相感应电机变频调速系统中逆变 s P WM驱动具有一定参考价值， 也用 F P G A产生的 D D S 模块与市面 上的 D D S芯片相比更灵活 ， 也有可移植性 ， 用于工程设计具有很 高的性价 比。 参考文献 [ 1 ]姜田华．实现直接数字频率合成器的三种技术方案[ J ]，电子技术 应用 ， 2 0 0 4， 3 0 3 13 ． [ 2 ]周俊峰． 基于F P G A的直接数字频率合成器的设计和实现[ J ]．电 子技术应用 ， 2 0 0 2， 2 8 8 7 47 5， 8 O ． [ 3 ]张庆玲 ， 王凡． 基 于直接数字频率合成芯片的正弦信号发生器 [ J ] ． 电 子测量技术． 2 0 0 8 ， 9 9 1 7 41 7 7 ． [ 4 ]朱月秀． 基于 F P G A的标准正 弦波信号源设计 [ J ] ． 杭 州电子 科技大 学学报． 2 0 0 9， 1 0 5 l 4一l 7 ． [ 5 ]刘志宇 ， 宋立新． 基于 D D S技 术的双通道 波形发 生器 [ J ] ． 哈 尔滨理 工大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 5 1 8 2 0 ． [ 6 ]黄雪梅， 胡建生， 魏功辉， 等． D D S 技术实现可调信号发生器[ J ] ． 通信 设备 ， 2 0 0 8 ， 3 2 9 8 08 2 ． 【 作者简介】常国祥 1 9 7 4一 ， 男， 黑龙江人， 副教授， 研究方向 电力电 子、 计算机控 制、 E D A等。