五分钟读懂故障安全（Fail-safe）系统

技术的不断进步使得工业控制系统的持续稳定运行能力得到了显著提升。然而，设备故障仍是不可避免的。为了保障设备和操作人员的安全，在故障发生时，我们需要一种特殊的技术来介入，这种技术被称作“故障安全技术”或“Fail-safe technology”。

简而言之，故障安全技术的主要功能是在设备发生故障时，能够引导设备进入安全状态或位置。这项技术最初被应用于铁路信号系统，如今已广泛渗透到多个工业控制领域。

采用故障安全技术的系统被称为“故障安全系统”或“Fail-safe system”，这类系统主要应用于对安全性要求极高的场景中。它们由经过特殊设计的故障安全CPU和故障安全模块共同组成，以确保在故障发生时能够迅速响应。

故障安全型CPU通过了TüV（一个德国的安全认证机构）的严格认证。这意味着，在发生故障时，这类CPU能够确保控制系统平稳过渡到安全模式。以西门子S7系列为例，其故障安全CPU的型号后缀通常带有“F”，如CPU319F，这里的“F”即代表“Fail-safe”。为了便于区分，这类CPU在模块和硬件配置上均使用了醒目的黄色标签。

故障安全CPU能够执行专门的故障安全程序。这些程序由一系列安全运行组构成，它们独立于常规程序之外，负责监控系统的输入并根据需要控制安全输出。为了实现这一功能，故障安全CPU需要与故障安全模块紧密配合。

故障安全模块的设计目的是在检测到故障时，能够迅速将系统引导至安全状态。这类模块在分布式控制系统中尤为常见。与普通模块不同，故障安全模块内部采用了双通道设计，两个处理器相互监控并自动检测IO回路的状态，从而在故障发生时能够立即将模块置于安全状态。

在西门子S7系列PLC中，故障安全模块的种类繁多，包括电源模块、数字量输入/输出模块以及模拟量输入模块等。这些模块共同协作，为工业控制系统提供了全方位的安全保障。

具体来说，故障安全电源模块负责为其他模块提供稳定的工作电压，并能够在必要时安全地切断输出模块的工作电压；数字量输入模块则负责记录与安全相关的传感器状态，并将这些信息实时传递给故障安全CPU；数字量输出模块则能够提供必要的保护措施，如短路保护和串接保护，并确保执行器在故障发生时能够安全关闭；而模拟量输入模块则负责获取与安全相关的模拟传感器的信号。这些模块之间通过专用的故障安全总线协议进行通信，一旦通信中断，将立即触发故障安全模块的报警机制。