Стандарты безопасности в PAC-системах: SIL, STO, торможение

Безопасность автоматизированных систем управления (PAC — Programmable Automation Controller) является одной из ключевых задач промышленности. Эти контроллеры управляют сложными технологическими процессами, в которых ошибка в программировании или отказ оборудования может привести не просто к сбою, а к аварийной ситуации с реальной угрозой для персонала и производственного цикла. Поэтому проектирование PAC-систем требует строгого соблюдения международных стандартов безопасности, таких как IEC 61508, ISO 13849 и EN 61800-5-2.

Современные системы управления должны не только выполнять рабочие функции, но и обеспечивать гарантированное безопасное состояние оборудования при любой неисправности. Для этого применяются сертифицированные механизмы безопасности: SIL (Safety Integrity Level) — уровень целостности безопасности, STO (Safe Torque Off) — безопасное отключение крутящего момента двигателя, и функции управляемого торможения. Эти технологии встроены в контроллеры, приводы и исполнительные устройства, формируя комплексную архитектуру функциональной безопасности (Functional Safety).

Понимание принципов работы SIL, STO и систем торможения необходимо инженерам, проектировщикам и интеграторам, которые создают и внедряют оборудование для промышленного применения. Корректная реализация этих стандартов — это не только формальное требование сертификации, но и реальная защита людей, оборудования и производственных линий.

Роль PAC-систем в промышленной безопасности

PAC (Programmable Automation Controller) — это программируемый автоматический контроллер, сочетающий возможности ПЛК (программируемых логических контроллеров) и промышленных компьютеров. В отличие от классических ПЛК, PAC способен выполнять не только дискретное управление, но и сложные задачи реального времени: синхронизацию приводов, обработку аналоговых сигналов, управление многомерными процессами и координацию систем безопасности.

PAC-системы часто используются там, где требования к надёжности и безопасности особенно высоки:

• линии автоматической сборки и упаковки;
• станки с ЧПУ и роботизированные комплексы;
• конвейерные и транспортные системы;
• оборудование для подъёма и позиционирования грузов;
• компрессорные и насосные установки.

В современных решениях PAC не только управляет процессом, но и обеспечивает функциональную безопасность оборудования — контроль за состоянием механизмов, обработку сигналов аварийных выключателей, выполнение безопасной остановки, блокировку повторного запуска.

PAC может включать встроенные функции безопасности, такие как:

• мониторинг скорости и положения двигателя;
• отключение питания при превышении безопасных параметров;
• контроль состояния тормозов;
• взаимодействие с внешними реле и модулями безопасности.

Отличие PAC от традиционных систем в том, что безопасность здесь не реализуется как отдельный контур, а встраивается в архитектуру управления. Однако это требует, чтобы контроллер, модули ввода-вывода и коммуникационные линии были сертифицированы по уровню безопасности (например, SIL2 или SIL3). Только в этом случае система считается надёжной и соответствующей международным нормам.

Кроме того, PAC обеспечивает централизованное управление функциями безопасности:

• обработку сигналов STO (Safe Torque Off) для приводов;
• выполнение функций SS1/SS2 (управляемое торможение);
• контроль логики аварийных остановов;
• диагностику неисправностей системы безопасности в реальном времени.

Интеграция этих функций в контроллер снижает количество внешних компонентов и упрощает проектирование, но одновременно требует высокой дисциплины при конфигурировании и тестировании.

Что такое SIL и как он применяется в PAC

SIL (Safety Integrity Level) — это международно признанный показатель уровня функциональной безопасности системы. Он определяет, с какой вероятностью система сможет выполнить заданную функцию безопасности в момент, когда произойдёт отказ или аварийная ситуация. Проще говоря, SIL — это оценка надёжности системы безопасности, выраженная в вероятности отказа на требование (Probability of Failure on Demand, PFD).

Стандарты, регулирующие SIL:

• IEC 61508 — общий стандарт функциональной безопасности для электрических, электронных и программируемых систем;
• IEC 62061 — безопасность машинных систем управления на основе SIL;
• EN 61800-5-2 — безопасность регулируемых приводов;
• ISO 13849 — аналогичная методика, использующая категорию Performance Level (PL).

Классификация уровней SIL

В PAC-системах уровень SIL напрямую связан с надёжностью всех компонентов: контроллера, модулей ввода-вывода, приводов, датчиков и связи между ними. Для достижения определённого уровня безопасности каждый элемент должен быть сертифицирован по стандарту IEC 61508 и иметь подтверждённый параметр отказоустойчивости.

Пример:
Если проектируется система аварийного останова линии упаковки с роботами, то требуется уровень безопасности не ниже SIL2. Это значит, что контроллер, приводы и исполнительные модули должны иметь соответствующий сертификат. В противном случае система не может быть официально признана безопасной.

Как PAC реализует SIL

Современные PAC-контроллеры поддерживают SIL-функции на аппаратном и программном уровнях:

• Аппаратный уровень: дублированные процессоры, независимые каналы ввода-вывода, контроль целостности сигналов, самодиагностика;
• Программный уровень: использование сертифицированных библиотек безопасности, программирование по IEC 61131-3 с безопасными функциями (например, safe logic).

Такая архитектура позволяет выполнять функции безопасности — STO, SS1, SS2, SBC и другие — без необходимости внешних реле безопасности. Однако, чтобы система соответствовала уровню SIL, вся цепочка должна быть согласована: контроллер, датчики, исполнительные механизмы и алгоритмы.

Разработка систем с поддержкой SIL включает этапы:

1. Анализ рисков и определение требуемого уровня безопасности;
2. Подбор компонентов, сертифицированных по нужному уровню SIL;
3. Проектирование архитектуры с избыточностью и диагностикой отказов;
4. Проверка и валидация системы независимой стороной.

Функция STO: безопасное отключение крутящего момента

STO (Safe Torque Off) — это базовая функция безопасности, реализуемая в электроприводах и PAC-системах для обеспечения мгновенного и безопасного отключения крутящего момента двигателя. Её основная цель — предотвратить непреднамеренное вращение вала, когда необходимо безопасное обслуживание, наладка или аварийная остановка оборудования.

В отличие от обычной команды «Стоп» или снятия сигнала управления, STO не зависит от программной логики контроллера и не использует торможение — она физически блокирует подачу энергии на силовые ключи инвертора (IGBT), обеспечивая разрыв цепи питания двигателя. После активации STO двигатель немедленно перестаёт создавать крутящий момент, хотя механически вал может остановиться с небольшой инерцией.

Как работает STO

1. Система безопасности (PAC, модуль или реле) получает команду на безопасную остановку.
2. Сигнал STO передаётся на силовую часть привода.
3. Внутренние IGBT-транзисторы инвертора отключаются, прекращая подачу тока на обмотки двигателя.
4. Двигатель переходит в состояние свободного выбега, не способного развивать усилие.

Эта функция является основой большинства других механизмов безопасности, таких как SS1 (Safe Stop 1), SS2 (Safe Stop 2) и SBC (Safe Brake Control), которые используют STO в качестве конечного состояния.

STO особенно актуальна для:

• конвейерных систем;
• приводов роботов и манипуляторов;
• насосных и вентиляторных установок;
• подъемных механизмов и станков.

В таких системах STO предотвращает внезапный запуск двигателя при обслуживании и защищает оператора от случайного движения.

Реализация STO

Функция STO может быть реализована тремя основными способами:

1. Встроенная функция привода. Наиболее распространённое решение — встроенный STO с аппаратной реализацией. Для активации используется отдельный вход безопасности (Safe Input), управляемый контроллером или модулем безопасности.
2. Через внешний модуль безопасности. Сигнал STO формируется внешним устройством (например, реле безопасности), которое разрывает силовые цепи.
3. Интеграция в PAC. Современные контроллеры PAC с поддержкой SIL2–SIL3 могут напрямую управлять STO через безопасные выходы, без дополнительных компонентов.

При проектировании важно обеспечить двойной канал активации STO, чтобы исключить вероятность ложного срабатывания или отказа одного из контуров.

Преимущества STO перед обычным “Стоп”

• Быстрое и гарантированное отключение без программных задержек;
• Отсутствие износа механического тормоза;
• Минимизация остаточных токов в обмотках двигателя;
• Соответствие требованиям EN 61800-5-2 (безопасность приводов).

Безопасное торможение и его типы

Функции безопасного торможения — это логическое продолжение STO (Safe Torque Off). Если STO мгновенно отключает крутящий момент, то механизмы безопасной остановки (Safe Stop) позволяют выполнить контролируемое замедление двигателя до полной остановки с сохранением безопасности. Такие функции критически важны для оборудования, где внезапное обесточивание может привести к повреждению деталей, нарушению технологического процесса или даже к аварии.

Современные PAC и приводы с поддержкой функциональной безопасности (Functional Safety) реализуют несколько видов торможения, определённых стандартом EN 61800-5-2:

1. SS1 (Safe Stop 1) — безопасная остановка с контролируемым торможением

Функция SS1 используется там, где требуется плавная и предсказуемая остановка механизма перед переходом в безопасное состояние.

• Контроллер формирует команду на замедление двигателя до нулевой скорости.
• После достижения минимального значения система активирует STO.
• Процесс торможения контролируется встроенными датчиками скорости.

Пример применения: конвейеры, лифты, центрифуги — где важна управляемая остановка без рывков.

2. SS2 (Safe Stop 2) — безопасная остановка с удержанием положения

Функция SS2 останавливает двигатель под контролем PAC и сохраняет питание обмоток, чтобы удерживать вал в заданном положении. После остановки система переходит в режим SOS (Safe Operating Stop).

• PAC контролирует скорость до нуля;
• привод остаётся под током для удержания позиции;
• STO не активируется, но движение заблокировано.

Пример применения: роботизированные манипуляторы, подъемные платформы, системы позиционирования.

3. SOS (Safe Operating Stop) — безопасное удержание положения

Режим SOS удерживает привод в статическом положении с сохранением контроля положения.
В отличие от STO, здесь двигатель остаётся под током, но без разрешения на вращение.
Используется, если оборудование должно временно останавливаться, не теряя точной координаты.

Пример применения: прецизионные станки, дозирующие системы, линии упаковки.

4. SBC (Safe Brake Control) — безопасное управление тормозом

Функция SBC управляет электромагнитным тормозом двигателя. Когда активируется STO или SS1, SBC посылает сигнал на срабатывание механического тормоза, обеспечивая удержание вала.
Это особенно важно для вертикальных систем — например, подъемных или тянущих механизмов.

Пример применения: краны, лифты, лифтовые платформы, вертикальные оси роботов.

Интеграция тормозных функций

PAC-контроллеры с поддержкой SIL2–SIL3 могут выполнять комбинированные алгоритмы безопасности:

• SS1 + STO — контролируемая остановка с последующим отключением момента;
• SS2 + SOS — удержание положения без снятия питания;
• SS1 + SBC — замедление с одновременным управлением тормозом.

Такая архитектура обеспечивает не только безопасную остановку, но и сохранение устойчивости механизма под нагрузкой.

Нормативные стандарты безопасности PAC

Функциональная безопасность PAC-систем — это не просто набор инженерных решений, а строго регламентированная область, описанная международными стандартами. Эти документы определяют, как должна проектироваться, тестироваться и сертифицироваться система управления, чтобы гарантировать безопасную работу оборудования при любых отказах.

Ключевые нормативы, определяющие требования к безопасности PAC и приводных систем, — IEC 61508, ISO 13849, EN 61800-5-2 и IEC 62061. Каждый из них охватывает отдельный аспект безопасности, но в совокупности они формируют полную методологию оценки риска и выбора уровня защиты.

1. IEC 61508 — базовый стандарт функциональной безопасности

Это фундаментальный документ, определяющий понятие SIL (Safety Integrity Level). Он задаёт требования к проектированию, верификации, тестированию и сертификации электрических, электронных и программируемых систем, влияющих на безопасность.
IEC 61508 используется как методологическая основа для всех отраслевых стандартов (включая автоматизацию, энергетику, робототехнику и мехатронику).
Для PAC-систем он описывает:

• принципы построения безопасной архитектуры;
• требования к избыточности каналов;
• процедуры анализа рисков и отказов (FMEA, FMEDA);
• критерии сертификации компонентов на SIL1–SIL3.

2. ISO 13849 — безопасность машин и Performance Level (PL)

ISO 13849 определяет категории безопасности машин на основе уровня Performance Level (PL). В отличие от SIL, этот стандарт применяется к механическим и электромеханическим системам (например, прессам, транспортным механизмам).
Категории PL обозначаются от PL a (минимальная защита) до PL e (максимальная).
В PAC-системах ISO 13849 используется при проектировании пультов, датчиков, аварийных кнопок и цепей ручного управления.

3. IEC 62061 — SIL для систем управления машинами

Этот стандарт — отраслевое продолжение IEC 61508, адаптированное под машиностроение. Он описывает применение SIL к системам управления машин, включая ПЛК, PAC и модули ввода/вывода.
IEC 62061 регулирует:

• как рассчитать требуемый уровень SIL на основе оценки риска;
• как реализовать функции безопасности в программируемых контроллерах;
• какие требования предъявляются к диагностике и проверке работоспособности систем.

4. EN 61800-5-2 — безопасность регулируемых электроприводов

Этот стандарт описывает функциональную безопасность частотных преобразователей и приводов. Он регулирует реализацию встроенных функций безопасности, таких как STO, SS1, SS2, SBC, SOS, SLS (Safe Limited Speed).
EN 61800-5-2 предписывает, как должны взаимодействовать PAC, привод и механика для обеспечения безопасного управления моментом, скоростью и положением.

Связь между SIL и Performance Level (PL)

Многие производители и интеграторы используют оба стандарта — IEC 61508 (SIL) и ISO 13849 (PL). Они различаются подходом, но оба оценивают вероятность отказа системы.

PAC-контроллеры, поддерживающие SIL2 или SIL3, могут применяться в системах, где требуется высокий уровень надёжности — например, при управлении роботами, подъемными устройствами и линиями с повышенной опасностью.

Интеграция функций безопасности в PAC-системы

Интеграция функций безопасности в PAC (Programmable Automation Controller) — это ключевой этап при проектировании современных промышленных систем управления. От того, как реализованы и согласованы функции безопасности (SIL, STO, SS1, SBC и др.), зависит не только сертификация оборудования, но и реальная защита людей и механизмов при сбоях или авариях.

Современные PAC-системы объединяют обычные функции управления и функции безопасности в единой архитектуре, сохраняя при этом разделение контуров и аппаратную изоляцию каналов. В отличие от традиционных решений, где функции безопасности выполняли внешние реле или отдельные ПЛК, современные PAC с поддержкой SIL2 или SIL3 позволяют реализовать комплексную безопасность в рамках одной платформы.

1. Архитектура PAC с интегрированными функциями безопасности

Существует несколько типовых архитектур PAC-систем, обеспечивающих безопасное управление:

• PAC с встроенными модулями безопасности.
  Безопасные входы и выходы, сертифицированные по IEC 61508, интегрированы в модульную структуру контроллера. Это упрощает проектирование и снижает количество внешних соединений.
• PAC + внешний модуль безопасности (Safety CPU).
  Контур безопасности реализуется на отдельном процессоре, который обменивается данными с основной логикой управления по защищённому протоколу. Пример — Siemens S7-1500F, Rockwell GuardLogix, Schneider M580 Safety.
• PAC с внешним устройством безопасности.
  Для простых систем применяется внешний блок (например, реле безопасности или safety gateway), который управляет STO, торможением или аварийным остановом.

Каждая архитектура должна обеспечивать независимость контуров управления и безопасности. То есть отказ обычного канала не должен влиять на выполнение безопасной функции.

2. Коммуникация и безопасные протоколы

Для передачи данных между безопасными и стандартными компонентами используются специализированные протоколы с защитой от ошибок:

• PROFIsafe (на базе PROFINET);
• Safety over EtherCAT (FSoE);
• CIP Safety (EtherNet/IP);
• Safety over CANopen.

Эти протоколы обеспечивают контроль целостности данных, временные метки, дублирование пакетов и верификацию источника сигнала. Благодаря этому PAC может безопасно управлять STO, торможением, клапанами или роботизированными приводами даже через сеть.

3. Реализация STO и тормозных функций в PAC

PAC-контроллер с поддержкой SIL может напрямую управлять функцией STO или тормозными режимами (SS1, SS2, SBC) через безопасные выходы. Например:

• при поступлении сигнала аварийной остановки контроллер активирует SS1 — двигатель замедляется;
• затем PAC подаёт команду STO, физически обесточивая силовую часть;
• при необходимости срабатывает SBC, удерживая механизм тормозом.

Такая последовательность реализуется программно, но под контролем аппаратных цепей, обеспечивающих надёжность реакции.

4. Диагностика и тестирование

PAC с функциями безопасности имеет встроенные механизмы самоконтроля:

• периодическая проверка входов/выходов;
• контроль целостности памяти и циклов исполнения;
• автоматическая диагностика коротких замыканий и обрывов цепей;
• тестирование реакции STO и торможения.

Все события фиксируются в журнале безопасности (safety log) и могут передаваться в SCADA-систему для анализа.

5. Пример интеграции

Типовая безопасная архитектура PAC может включать:

• контроллер с сертификацией SIL2/SIL3;
• модуль безопасных входов (E-stop, датчики дверей, концевики);
• модуль безопасных выходов (STO, SBC);
• безопасный протокол связи (например, PROFIsafe);
• дублирующий контур диагностики.

Такое решение позволяет контролировать как технологический процесс, так и состояние оборудования в режиме реального времени, минимизируя задержки реакции и снижая количество внешних компонентов.

Практические рекомендации по проектированию PAC с безопасными функциями

Разработка PAC-систем с функциями безопасности требует не просто знания стандартов, а комплексного инженерного подхода. Ошибки, допущенные на этапе проектирования, невозможно компенсировать программно — безопасность должна быть заложена в архитектуру с самого начала. Ниже приведены ключевые рекомендации, которые помогут обеспечить надёжность, соответствие нормативам и удобство эксплуатации.

1. Начинать с анализа рисков (Risk Assessment)

Перед выбором оборудования и архитектуры необходимо провести детальную оценку рисков — определить, какие опасные ситуации возможны, и какие функции безопасности должны их предотвращать.
Для каждой зоны машины определяется:

• характер опасности (механическая, электрическая, тепловая);
• вероятность возникновения и тяжесть последствий;
• требуемая функция безопасности (например, STO, SS1, SBC).

На основании анализа задаётся требуемый уровень SIL или Performance Level (PL).

2. Подбирать компоненты по уровню безопасности

Все устройства — PAC, модули ввода/вывода, приводы, датчики и тормозные блоки — должны иметь сертификаты, подтверждающие уровень безопасности не ниже требуемого.

• Для систем средней сложности обычно применяются устройства SIL2 / PL d;
• Для роботизированных или подъемных установок — SIL3 / PL e.

Если хотя бы один элемент не соответствует уровню, система автоматически “снижается” до уровня этого компонента.

3. Реализовывать избыточность и аппаратную диагностику

Надёжная PAC-система должна иметь резервирование каналов, аппаратную диагностику и защиту от одиночных отказов. Это включает:

• двойные сигнальные цепи для STO и E-stop;
• диагностику целостности входов/выходов;
• контроль связи между модулями (CRC-проверка, контроль времени отклика).

Такие меры минимизируют вероятность отказа безопасности из-за единичной неисправности.

4. Использовать сертифицированные библиотеки безопасности

Программная часть PAC должна разрабатываться с использованием библиотек, прошедших сертификацию IEC 61508.
Например: Siemens Safety Library, Schneider SoSafe, Beckhoff TwinSAFE, Rockwell GuardLogix.
Использование готовых блоков (STO, SS1, SBC, SOS) снижает вероятность ошибок и ускоряет сертификацию проекта.

5. Документировать и проверять систему

Каждая функция безопасности должна быть описана и проверена:

• схема подключения;
• логика работы;
• временные параметры срабатывания;
• периодичность тестирования.
  После сборки необходимо выполнить ввод в эксплуатацию с проверкой STO, торможения и аварийных остановов.

Проверка проводится с фиксацией результатов в протоколах, которые прилагаются к паспорту системы безопасности.

6. Поддерживать раздельность контуров

Контур безопасности должен быть физически и логически изолирован от обычного управления. Даже при программной интеграции в одном PAC, сигналы безопасности должны иметь отдельные аппаратные входы и независимую обработку.

Такое разделение позволяет гарантировать, что ошибка в обычной логике не повлияет на выполнение функций безопасности.

7. Обучение и эксплуатация

Инженеры и операторы должны знать, какие функции безопасности реализованы и как они работают. Необходимо проводить инструктаж по процедурам STO, аварийного останова и обслуживанию тормозных систем.
Также рекомендуется выполнять периодические проверки корректности работы контуров безопасности — не реже одного раза в год.

Заключение

Безопасность PAC-систем — это не дополнительная функция, а фундаментальный элемент промышленной автоматизации. В современных производственных комплексах контроллеры управляют приводами, датчиками и сложными технологическими процессами, где ошибка в алгоритме или отказ одного узла может иметь критические последствия. Поэтому соблюдение стандартов SIL (IEC 61508), реализация функций STO (Safe Torque Off) и применение безопасных режимов торможения (SS1, SS2, SOS, SBC) — это обязательные условия для любого проекта, где задействовано электрическое или механическое оборудование.

Грамотно спроектированная PAC-система с интегрированными функциями безопасности позволяет:

• предотвратить случайные запуски механизмов;
• обеспечить безопасное обслуживание и наладку;
• исключить повреждения оборудования и травмы персонала;
• соответствовать международным требованиям сертификации.

Разработка таких решений требует системного подхода — от анализа рисков до валидации функций безопасности. Только согласованная работа контроллера, привода, датчиков и тормозных устройств может гарантировать высокий уровень защиты и надёжность оборудования в условиях реальной эксплуатации.