故障安全设计

逻辑电路，无论是由机电继电器还是固态门组成，都可以通过多种不同的方式构建以执行相同的功能。

设计复杂的逻辑电路通常没有“正确”的方法，但通常有比其他方法更好的方法。

在控制系统中，安全是（或至少应该是）一个重要的设计优先事项。

如果有多种方式可以设计数字控制电路来执行一项任务，而其中一种方式恰好比其他方式在安全方面具有某些优势，那么该设计是更好的选择。

在控制系统中实现继电器逻辑

让我们看一个简单的系统，并考虑如何在继电器逻辑中实现它。

假设大型实验室或工业建筑将配备火警系统，由安装在整个设施中的多个闭锁开关中的任何一个启动。

系统应能正常工作，以便在任何一个开关被启动时警报器都会通电。

乍一看，继电器逻辑似乎非常简单：只需使用常开开关触点并将它们彼此并联即可：

本质上，这是用四个开关输入实现的 OR 逻辑功能。

我们可以扩展这个电路以包括任意数量的开关输入，每个新开关都被添加到并行网络中，但在这个例子中我将把它限制为四个以保持简单。

无论如何，这是一个初级系统，似乎不太可能出现问题。

除非发生接线故障，也就是说，电路的性质是“开路”故障（开路开关触点、断线连接、开路继电器线圈、熔断器等）在统计上比“开路”故障更容易发生。任何其他类型的故障。

考虑到这一点，设计电路以尽可能容忍此类故障是有意义的。让我们假设 Switch #2 的电线连接失败打开：

如果发生这种故障，结果将是开关 #2 在启动时不再为警报器供电。

显然，这在火警系统中是不好的。除非对系统进行定期测试（无论如何都是个好主意），否则在有人尝试在紧急情况下使用该开关之前，没有人会知道存在问题。

如果系统被重新设计，以便在发生开放式故障时发出警报怎么办？

那样的话，接线故障会导致误报，这种情况比开关无声地发生故障并且在需要时不起作用的情况要好得多。

为了实现这个设计目标，我们必须重新连接开关，以便 打开 联系人拉响了警报，而不是关闭 联系方式。

在这种情况下，开关必须常闭并相互串联，为继电器线圈供电，然后激活警报器的常闭触点：

当所有开关都未动作时（本系统的正常工作状态），继电器CR1将通电，从而使触点CR1保持打开状态，阻止警报器通电。

然而，如果任何一个开关被启动，继电器 CR1 将断电，闭合触点 CR1 并发出警报。

此外，如果电路顶端的任何地方的接线中断，都会发出警报。

当发现警报是假的，设施内的工人就会知道警报系统有问题，需要修理。

诚然，电路比添加控制继电器之前更复杂，系统仍然可能在“静默”模式下失败，底部梯级连接断开，但它仍然是比原始电路更安全的设计，因此从安全的角度来看是更可取的。

故障安全设计在控制系统中的应用

这种电路设计被称为故障安全 ，由于其预期设计在出现常见故障（例如开关接线断开）时默认为最安全模式。

故障安全设计总是首先假设最有可能的接线或组件故障，然后尝试配置事物，以便此类故障将导致电路以最安全的方式运行，“最安全的方式”由过程的物理特性。

以用于打开机器冷却水的电动（电磁）阀为例。

为电磁线圈通电将移动电枢，然后根据我们指定的阀门类型打开或关闭阀门机构。

当电磁阀断电时，弹簧会将阀门返回到“正常”位置。

我们已经知道，接线或螺线管线圈中的开路故障比短路或任何其他类型的故障更有可能发生，因此我们应该将此系统设计为在螺线管断电的情况下处于最安全的模式。

如果是我们用这个阀门控制的冷却水，很可能在发生故障时打开冷却水比关闭更安全，机器在没有冷却剂的情况下运行的后果通常很严重。

这意味着我们应该指定一个在断电时打开（打开）并在通电时关闭（关闭）的阀门。以这种方式设置阀门似乎“倒退”，但最终会使系统更安全。

故障安全设计的一个有趣应用是在发电和配电行业中，大型断路器需要通过来自保护继电器的电气控制信号打开和​​关闭。

如果 50/51 继电器（瞬时和时间过流）要在电流过大的情况下命令断路器跳闸（打开），我们是否应该设计它以使继电器闭合 向断路器发送“跳闸”信号或断开的开关触点 一个开关触点来中断定期的“接通”信号以启动断路器跳闸？

我们知道最有可能发生断开的连接，但系统最安全的状态是什么：断路器断开还是断路器闭合？

起初，在保护继电器控制电路中出现开路故障的情况下，让大型断路器跳闸（打开和关闭电源）似乎更安全，就像我们将火警系统默认为任何开关或接线故障的报警状态。

然而，在大势力的世界里，事情并没有那么简单。大型断路器乱跳闸不是小事，尤其是当客户依赖持续的电力供应医院、电信系统、水处理系统和其他重要基础设施时。

为此，电力系统工程师普遍同意设计保护继电器电路以输出闭合 触点信号（通电）打开大型断路器，这意味着控制线路中的任何打开故障都不会引起注意，只需将断路器保持在现状位置即可。

这是理想的情况吗？当然不是。如果保护继电器检测到过流情况，而控制线路未能打开，它将无法跳闸打开断路器。

就像第一个火灾报警系统设计一样，只有在需要系统时，“无声”故障才会明显。

然而，以另一种方式设计控制电路——这样任何开路故障都会立即关闭断路器，可能会使大部分电网停电——确实不是更好的选择。

关于良好的故障安全系统设计的原则和实践，可以写一整本书。

至少在这里，您知道一些基本原理：布线往往比短路更常发生故障，并且电气控制系统的（开路）故障模式应该指示和/或驱动现实生活中的过程最安全的替代模式。

这些基本原则也适用于非电气系统：确定最常见的故障模式，然后设计系统，使可能的故障模式将系统置于最安全的状态。

评论：

• 故障安全的目标 设计目的是使控制系统尽可能容忍可能的接线或组件故障。
• 最常见的接线和组件故障类型是“开路”电路或连接断开。因此，应将故障安全系统设计为在开路的情况下默认为其最安全的操作模式。

相关工作表：

• 高可靠性电路工作表