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[摘 要]文章簡述了故障安全系统的功能及基本原理，通过分析工程装备对故障安全系统的应用需求，引出故障安全型PLC的解决方案。结合顶管机故障安全系统的要求，详细分析了西门子故障安全型PLC在顶管机中的应用方法。实际应用案例表明，故障安全型PLC不仅能保证顶管机控制系统的稳定性，还能实现安全相关功能，使工作人员和机械设备得到及时有效保护。
[关键词]故障安全型;PLC;系统
[中图分类号]TQ565.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–03
Application of Siemens Fail Safe PLC in Pipe Jacking Machine
Yan Chi
[Abstract]This paper first describes the function and basic principle of the fault safety system， and then leads to the solution of the fault safety PLC through the application requirements of the engineering equipment for the fault safety system. Finally， combined with the requirements of pipe jacking machine fault safety system， the application method of Siemens fault safety PLC in pipe jacking machine is analyzed in detail. The practical application case shows that the fault safe PLC can not only ensure the stability of the pipe jacking machine control system， but also realize the safety related functions， so that the staff and mechanical equipment can be timely and effectively protected.
[Keywords]fail-safe type; PLC; system
社会经济的日新月异推动着城市地下空间建设的快速发展，其中顶管机作为地下隧道施工设备中的一种，在小直径、短距离隧道施工工程中具有较高的性价比优势，其在地下管廊，人行通道等市政建设工程项目中的应用越来越多。而为了避免施工中潜在危险事故发生时，可能造成的人员伤亡、财产损失以及环境破坏等严重问题，促使设备在施工自动化程度提高的同时，要保证工作稳定性和安全性。因此，故障安全是工程装备中无论从设备还是系统都必须要考虑的重要因素[1]。
1 工程装备中的故障安全系统
故障安全自动化系统（fail-safe automation system），简称“故障安全系统”，是当系统发生意外或故障时，能够立刻进入安全状态、并保证人身、财产及环境不受危害的自动化系统。
自动化系统在运行过程中发生的意外包括但不限于：急停按钮被拍下、安全门锁被打开、安全光幕被遮挡等，可能发生的故障也随系统的不同而有所不同。当这些意外或故障发生时，安全系统要执行安全功能而进入安全状态（比如：切断相关的能源），以保障人身财产安全。
在工程装备施工时，一般有以下三种安全功能的需求：①在施工现场，工作人员发现安全事故即将发生时，可立即对附近安全器件进行动作，如拍下现场急停按钮;②通过人员或设备监控，远程执行安全动作。如主控制室工作人员通过监控设备，发现施工人员跌落皮带机上时，可通过主控室整机急停，使皮带机停止传送工作，对跌落人员进行施救。③设备内部数据监测系统自动执行安全动作。通过传感器设备进行温度、流量、湿度等参数的测量，由安全系统与设定参数对比进行逻辑处理，从而执行相关动作。
常见的故障安全系统一般由3个部分组成：受控器件、处理机构及执行器。其动作原理为：受控器件输入至处理机构，由处理机构进行判断，当输入信号不能满足预先设定的安全值时，处理机构输出信号至执行器执行安全动作，使设备进入安全状态，达到保护设备和人员功能。如图1所示为故障安全系统动作原理。
在工程装备故障安全系统设计中，受控器件大部分为急停按钮，处理机构一般采用安全继电器，而执行器是安全继电器自身的触点或扩展模块，以此组成一个实现安全功能的系统。而该系统安全等级的实现由器件的安全等级与组成的电路形式安全等级决定。事实上，由电气和电子器件构成的系统，多年来在许多应用领域中执行其安全功能。
2 故障安全型PLC系统
随着工程装备自动化程度的提高，设备的功能也日渐增多，包含的子系统也越来越多，其安全系统设计会存在以下两种问题。
（1）各子系统运行存在耦合关联，例如某系统紧急停止后，要求另外某个系统也随之停止。那么在使用安全继电器来实现类似的具有一定逻辑的安全功能时，必然出现多继电器串联进行级联控制的情况，导致线路复杂，维护困难。
（2）子系统之间距离较远，采用电缆连接形式传输信号会增加各系统之间电缆连接的数量，不仅增加故障率，也会造成一定程度的浪费。
针对以上两种问题，故障安全性PLC系统逐渐在工程装备领域得到应用。虽然，以计算机为基础的系统（一般指可编程电子系统）在其应用领域中一般用于执行非安全功能，但随着科学技术的发展，可编程电子系统可以具备更高的安全级别，近年来也越来越多地用于执行安全功能。 2.1 故障安全型PLC
一种包含安全功能的PLC，可在自身或受控器件出现故障时，由内部编程处理做出正确响应及时输出指令，以此切断故障。它在具备自身特殊安全工作性能的同时，还具有普通PLC功能。西门子故障安全型PLC，其在安全模式下可达到ISO 13849-1和IEC 61508相关标准的安全等级。其故障安全模块内部设计为两个通道，两个集成处理器互相监视，自动测试I/O电路，并在发生故障时将模块设置为安全状态。表1为在安全模式下，西门子安全PLC可达到的部分安全等级。
使用故障安全型PLC可以较好解决故障安全系统设计中的问题：
（1）故障安全CPU作为安全系统的处理机构，利用PLC的编程功能方便地实现安全系统中的逻辑功能，降低线路复杂程度，便于维护。
（2）在子系统之间距离较远的情况下，使用既有的通信线路，以通信的形式传输安全系统的信号，减少电缆，降低故障率。
2.2 硬件组成
故障安全型PLC组成的安全系统包含故障安全CPU（F-CPU）、故障安全数字量输入模块及故障安全数字量输出模块（F-I/O）。
（1）故障安全CPU（F-CPU），F-CPU是具有故障安全功能的中央处理单元，同时运行标准用户程序和安全程序。该CPU可对安全程序进行可靠性检测，且系统作为独立的控制系统，要求输入、输出模块都具有故障安全功能，确保故障发生时将系统切换到安全模式。除了执行安全程序，F-CPU还通过PROFIsafe协议与故障安全模块进行通讯。PROFIsafe协议可以传输过程数据、状态字节、控制字节、校验等信息，能够保证故障安全CPU和故障安全模块之间数据传输的准确可靠。当故障安全模块监测到故障或异常时，故障安全CPU会及时作出响应，以保证系统进入安全状态。
（2）故障安全数字量输入模块，记录安全相关传感器的信号状态，并将相应的安全消息帧发送到F-CPU。
（3）故障安全数字量输出模块适用于关闭过程，并可对执行器之前的电路进行短路和交叉电路保护。
3 顶管机故障安全系统设计
3.1 系统要求
顶管机作为隧道施工的工程机械，其安全系统主要是实现各系统的紧急停止功能，包括两部分：正常掘进过程中的整车急停和分系统急停。
（1）整车急停。整车急停可称为功率回路急停，其急停按钮位于主控室。启动整车急停动作按钮后，功能之内的安全PLC输出关闭，所有功率回路（即伴随掘进工作的所有动作）停止工作，包括刀盘系统、螺旋机系统、推进系统、膨润土和外循环水系统等，而由于是地下施工环境特殊性，同时要保证照明回路和空气系统等正常工作。
（2）分系统急停。分系统急停可称为部分系统的维修急停，其主要分为刀盘系统、螺旋机系统和推进系统急停等，即启动相关分系统急停可进行该系统故障维修。部分顶管机施工方要求螺旋机系统急停和推进系统连锁或推进系统与刀盘系统连锁。
因顶管机主机部分随着隧道掘进而前进，包含了刀盘系统和螺旋机系统，而其控制室及推进系统分布于隧道口，那么其整机急停、推进系统急停、螺旋机系统急停、刀盘系统急停功能如果使用安全继电器就会存在急停线路较长和逻辑复杂的问题，所以选用故障安全型PLC是一种较好的解决方案。
3.2 硬件选型
3.2.1 故障安全CPU（F-CPU）选型
F-CPU的选型主要考虑指令的处理速度。本系统选用1513F-1 PN，工作内存可达450kB，具有高速指令执行能力，满足对标准程序和安全程序的处理能力要求，其安全标准最高也可达到SIL3/Cat.4/PLe。
3.2.2 故障安全模块选型
结合顶管机安全系统要求，其安全系统的输入/输出模块包括：F-DI 8 24VDC HF数字量输入模块;F-DQ 4 24VDC/2A PM HF和F-RQ 1 24VDC/24-230VAC/5A ST数字量输出模块。
（1）故障安全数字量输入模块F-DI 8 24VDC HF模块，可满足二/三/四线制受控器件的接线，其安全等级可分别达到SIL3/ Cat.3/ PLd、SIL3/ Cat.3/ PLe和SIL3/ Cat.4/ PLe三种。基于本文安全系统急停按钮接线如图2所示，达到了安全等级SIL3/ Cat.3/ PLd。
（2）故障安全数字量输出模块F-DQ 4 24VDC/2A PM HF和F-RQ 1 24VDC/24-230VAC/5A ST模块，前者每个通道输出电流为2A，适用于电磁阀、直流接触器和信号灯;后者具有一个继电器输出，配合前者使用时可达安全等级SIL3/ Cat.4/ PLe。本文安全系统采用了两者的配合使用情况，与外电路接线如图3所示。
3.3 硬件组态及软件设计
在完成硬件选型和用户安全程序编写的基础上，为使各个分布模块可进行数据交换，需通过硬件组态使分布模块功能构成顶管机的安全系统。
硬件组态就是利用安全PLC特有的软件方法、工具和程序等來完成特定任务，该过程称为硬件组态。在完成硬件组态后，通过通讯协议各模块间可进行数据交换，最终执行相应动作。
系统的软件设计是顶管机安全系统的核心部分，软件设计人员根据安全系统的要求，确定控制的动作方式、应实现的动作、必要的紧急保护以及控制参数等，结合硬件组态和分配好的I/O地址，利用博图 （TIA Portal V15）软件进行安全控制程序编写。
4 结论
目前，在顶管机施工案例中，已经有较多的设备在使用故障安全型PLC。这些案例表明故障安全型PLC不仅能实现设备安全的功能并达到所需的安全级别，相比于使用安全继电器，它还具有一定的编程功能，可以简化线路，降低故障率，便于维护，在功能较多的工程装备中有较好好的应用前景
参考文献
[1] 李佳. 工业中的故障安全应用及西门子故障安全解决方案[J].自动化博览，2009，26（7）：44-46.
[关键词]故障安全型;PLC;系统
[中图分类号]TQ565.2 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–0–03
Application of Siemens Fail Safe PLC in Pipe Jacking Machine
Yan Chi
[Abstract]This paper first describes the function and basic principle of the fault safety system， and then leads to the solution of the fault safety PLC through the application requirements of the engineering equipment for the fault safety system. Finally， combined with the requirements of pipe jacking machine fault safety system， the application method of Siemens fault safety PLC in pipe jacking machine is analyzed in detail. The practical application case shows that the fault safe PLC can not only ensure the stability of the pipe jacking machine control system， but also realize the safety related functions， so that the staff and mechanical equipment can be timely and effectively protected.
[Keywords]fail-safe type; PLC; system
社会经济的日新月异推动着城市地下空间建设的快速发展，其中顶管机作为地下隧道施工设备中的一种，在小直径、短距离隧道施工工程中具有较高的性价比优势，其在地下管廊，人行通道等市政建设工程项目中的应用越来越多。而为了避免施工中潜在危险事故发生时，可能造成的人员伤亡、财产损失以及环境破坏等严重问题，促使设备在施工自动化程度提高的同时，要保证工作稳定性和安全性。因此，故障安全是工程装备中无论从设备还是系统都必须要考虑的重要因素[1]。
1 工程装备中的故障安全系统
故障安全自动化系统（fail-safe automation system），简称“故障安全系统”，是当系统发生意外或故障时，能够立刻进入安全状态、并保证人身、财产及环境不受危害的自动化系统。
自动化系统在运行过程中发生的意外包括但不限于：急停按钮被拍下、安全门锁被打开、安全光幕被遮挡等，可能发生的故障也随系统的不同而有所不同。当这些意外或故障发生时，安全系统要执行安全功能而进入安全状态（比如：切断相关的能源），以保障人身财产安全。
在工程装备施工时，一般有以下三种安全功能的需求：①在施工现场，工作人员发现安全事故即将发生时，可立即对附近安全器件进行动作，如拍下现场急停按钮;②通过人员或设备监控，远程执行安全动作。如主控制室工作人员通过监控设备，发现施工人员跌落皮带机上时，可通过主控室整机急停，使皮带机停止传送工作，对跌落人员进行施救。③设备内部数据监测系统自动执行安全动作。通过传感器设备进行温度、流量、湿度等参数的测量，由安全系统与设定参数对比进行逻辑处理，从而执行相关动作。
常见的故障安全系统一般由3个部分组成：受控器件、处理机构及执行器。其动作原理为：受控器件输入至处理机构，由处理机构进行判断，当输入信号不能满足预先设定的安全值时，处理机构输出信号至执行器执行安全动作，使设备进入安全状态，达到保护设备和人员功能。如图1所示为故障安全系统动作原理。
在工程装备故障安全系统设计中，受控器件大部分为急停按钮，处理机构一般采用安全继电器，而执行器是安全继电器自身的触点或扩展模块，以此组成一个实现安全功能的系统。而该系统安全等级的实现由器件的安全等级与组成的电路形式安全等级决定。事实上，由电气和电子器件构成的系统，多年来在许多应用领域中执行其安全功能。
2 故障安全型PLC系统
随着工程装备自动化程度的提高，设备的功能也日渐增多，包含的子系统也越来越多，其安全系统设计会存在以下两种问题。
（1）各子系统运行存在耦合关联，例如某系统紧急停止后，要求另外某个系统也随之停止。那么在使用安全继电器来实现类似的具有一定逻辑的安全功能时，必然出现多继电器串联进行级联控制的情况，导致线路复杂，维护困难。
（2）子系统之间距离较远，采用电缆连接形式传输信号会增加各系统之间电缆连接的数量，不仅增加故障率，也会造成一定程度的浪费。
针对以上两种问题，故障安全性PLC系统逐渐在工程装备领域得到应用。虽然，以计算机为基础的系统（一般指可编程电子系统）在其应用领域中一般用于执行非安全功能，但随着科学技术的发展，可编程电子系统可以具备更高的安全级别，近年来也越来越多地用于执行安全功能。 2.1 故障安全型PLC
一种包含安全功能的PLC，可在自身或受控器件出现故障时，由内部编程处理做出正确响应及时输出指令，以此切断故障。它在具备自身特殊安全工作性能的同时，还具有普通PLC功能。西门子故障安全型PLC，其在安全模式下可达到ISO 13849-1和IEC 61508相关标准的安全等级。其故障安全模块内部设计为两个通道，两个集成处理器互相监视，自动测试I/O电路，并在发生故障时将模块设置为安全状态。表1为在安全模式下，西门子安全PLC可达到的部分安全等级。
使用故障安全型PLC可以较好解决故障安全系统设计中的问题：
（1）故障安全CPU作为安全系统的处理机构，利用PLC的编程功能方便地实现安全系统中的逻辑功能，降低线路复杂程度，便于维护。
（2）在子系统之间距离较远的情况下，使用既有的通信线路，以通信的形式传输安全系统的信号，减少电缆，降低故障率。
2.2 硬件组成
故障安全型PLC组成的安全系统包含故障安全CPU（F-CPU）、故障安全数字量输入模块及故障安全数字量输出模块（F-I/O）。
（1）故障安全CPU（F-CPU），F-CPU是具有故障安全功能的中央处理单元，同时运行标准用户程序和安全程序。该CPU可对安全程序进行可靠性检测，且系统作为独立的控制系统，要求输入、输出模块都具有故障安全功能，确保故障发生时将系统切换到安全模式。除了执行安全程序，F-CPU还通过PROFIsafe协议与故障安全模块进行通讯。PROFIsafe协议可以传输过程数据、状态字节、控制字节、校验等信息，能够保证故障安全CPU和故障安全模块之间数据传输的准确可靠。当故障安全模块监测到故障或异常时，故障安全CPU会及时作出响应，以保证系统进入安全状态。
（2）故障安全数字量输入模块，记录安全相关传感器的信号状态，并将相应的安全消息帧发送到F-CPU。
（3）故障安全数字量输出模块适用于关闭过程，并可对执行器之前的电路进行短路和交叉电路保护。
3 顶管机故障安全系统设计
3.1 系统要求
顶管机作为隧道施工的工程机械，其安全系统主要是实现各系统的紧急停止功能，包括两部分：正常掘进过程中的整车急停和分系统急停。
（1）整车急停。整车急停可称为功率回路急停，其急停按钮位于主控室。启动整车急停动作按钮后，功能之内的安全PLC输出关闭，所有功率回路（即伴随掘进工作的所有动作）停止工作，包括刀盘系统、螺旋机系统、推进系统、膨润土和外循环水系统等，而由于是地下施工环境特殊性，同时要保证照明回路和空气系统等正常工作。
（2）分系统急停。分系统急停可称为部分系统的维修急停，其主要分为刀盘系统、螺旋机系统和推进系统急停等，即启动相关分系统急停可进行该系统故障维修。部分顶管机施工方要求螺旋机系统急停和推进系统连锁或推进系统与刀盘系统连锁。
因顶管机主机部分随着隧道掘进而前进，包含了刀盘系统和螺旋机系统，而其控制室及推进系统分布于隧道口，那么其整机急停、推进系统急停、螺旋机系统急停、刀盘系统急停功能如果使用安全继电器就会存在急停线路较长和逻辑复杂的问题，所以选用故障安全型PLC是一种较好的解决方案。
3.2 硬件选型
3.2.1 故障安全CPU（F-CPU）选型
F-CPU的选型主要考虑指令的处理速度。本系统选用1513F-1 PN，工作内存可达450kB，具有高速指令执行能力，满足对标准程序和安全程序的处理能力要求，其安全标准最高也可达到SIL3/Cat.4/PLe。
3.2.2 故障安全模块选型
结合顶管机安全系统要求，其安全系统的输入/输出模块包括：F-DI 8 24VDC HF数字量输入模块;F-DQ 4 24VDC/2A PM HF和F-RQ 1 24VDC/24-230VAC/5A ST数字量输出模块。
（1）故障安全数字量输入模块F-DI 8 24VDC HF模块，可满足二/三/四线制受控器件的接线，其安全等级可分别达到SIL3/ Cat.3/ PLd、SIL3/ Cat.3/ PLe和SIL3/ Cat.4/ PLe三种。基于本文安全系统急停按钮接线如图2所示，达到了安全等级SIL3/ Cat.3/ PLd。
（2）故障安全数字量输出模块F-DQ 4 24VDC/2A PM HF和F-RQ 1 24VDC/24-230VAC/5A ST模块，前者每个通道输出电流为2A，适用于电磁阀、直流接触器和信号灯;后者具有一个继电器输出，配合前者使用时可达安全等级SIL3/ Cat.4/ PLe。本文安全系统采用了两者的配合使用情况，与外电路接线如图3所示。
3.3 硬件组态及软件设计
在完成硬件选型和用户安全程序编写的基础上，为使各个分布模块可进行数据交换，需通过硬件组态使分布模块功能构成顶管机的安全系统。
硬件组态就是利用安全PLC特有的软件方法、工具和程序等來完成特定任务，该过程称为硬件组态。在完成硬件组态后，通过通讯协议各模块间可进行数据交换，最终执行相应动作。
系统的软件设计是顶管机安全系统的核心部分，软件设计人员根据安全系统的要求，确定控制的动作方式、应实现的动作、必要的紧急保护以及控制参数等，结合硬件组态和分配好的I/O地址，利用博图 （TIA Portal V15）软件进行安全控制程序编写。
4 结论
目前，在顶管机施工案例中，已经有较多的设备在使用故障安全型PLC。这些案例表明故障安全型PLC不仅能实现设备安全的功能并达到所需的安全级别，相比于使用安全继电器，它还具有一定的编程功能，可以简化线路，降低故障率，便于维护，在功能较多的工程装备中有较好好的应用前景
参考文献
[1] 李佳. 工业中的故障安全应用及西门子故障安全解决方案[J].自动化博览，2009，26（7）：44-46.