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运动控制领域的机器安全技术

时间:2014-05-09 来源:网络转载 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:

运动控制领域的安全技术是机器安全控制的重要一环,在IEC62061/EN13849的规范中,关于运动控制的安全技术包含了多项,然而必须落实在具体的应用并为生产及人员带来安全保证,才能有实际的应用。事实上,运动控制的安全概念涉及了较多方面。

1.安全技术思想的转变

近年,安全技术正在成为工业自动化领域最为关注的技术热点,然而,关于安全,尽管少数专业人士对其较为了解,但大部分人对其理解仍然是局部和片面的,有几个重要思想必须得以纠正,否则就会产生因安全技术的片面而导致安全技术无法做出全局判断。

1.1安全技术涉及的是生命周期管理理念而非“产品概念”

“我们的产品符合SIL3等级认证”这是一个典型的产品概念,某个产品的SIL3等级认证仅代表这个产品满足认证所要求的电气器件设计的安全要求,不代表系统的安全等级是SIL3,因为安全系统必须是一个全局的,全生命周期的概念,任何孤立的看待它的思想都是不合适的,它是一个从系统风险评估、方案确定、设计、测试、仿真、运行、升级、维护全过程必须遵循安全规范与标准的过程。安全系统更多意义是一个管理思想在技术上的延伸,而非仅仅是一个技术问题或者产品问题。

概括来讲,安全系统更接近一个“生产运行的管理系统”,而非一个技术或产品的构成,任何将安全理解为技术和产品的概念均是“局部的”或“片面的”。

1. 2安全带来的是收益而非无回报的投入

安全系统的另一个问题在于企业对于安全投入的忽视,因为,安全系统总是被认为投入而没有大的作用,另外就是会增加成本而无法实现,事实上,安全系统会给企业带来收益体现在以下几个方面:

1. 2.1安全带来的生产效率提升

对于安全系统而言,由于采用了新的安全设计如贝加莱(B&R)提供的智能安全响应技术(Smart Safe  Reaction)可以在不停机状态下确保人身的安全,并同时确保了生产的连续性,人身安全对于企业的风险在于人身事故所带来的潜在赔付与法律责任的成本,而这一成本在安全得到更为重视的今天也变得更为巨大,因此,安全系统带来的不仅仅是人身安全潜在利益,也在于生产连续性避免生产在制品的损失。

1. 2.2安全保护重要的设备投资

对于重要的设备如注塑模具、挤出机螺杆、纺织机械以及包装机械设备的高精度凸轮机构、风力发电机组、燃气轮机等关键高值设备而言,安全系统也能确保他们避免被损坏,甚至损毁所带来的潜在巨大财产损失。

1. 2.3安全技术突破技术壁垒与市场进入的准入证

对于未来,国产设备若想要进入全球市场,安全技术会成为潜在的市场进入壁垒,而安全技术将成为未来机器领域的一个重要技术壁垒,这是为什么欧美日本等机械制造发达国家强调安全技术的重要性的原因,不仅仅是出于安全考虑,也是一个市场考虑,因此,必须未雨绸缪地实现对安全技术的研发与应用。

2.SafeMotion所涵盖的范围

运动控制的安全如同IEC61508所定义的思想,即,任何一个环节的单独安全并不代表整体的安全,功能安全一致性必须以整个系统的各个环节均为安全才能定义为安全系统,因此,它包含了安全的编码器、电机、驱动技术、安全编程、安全通信多个环节,当然也包含了本次并不列入介绍范围的安全逻辑——处理器的安全。

2.1 SafeMOTION安全驱动技术

驱动的安全是为安全运动控制的核心,其基于安全的产品设计、功能开发、规范与标准,其中安全功能包含了STO、SS1、SLS、SMP等重要的功能设计要求,以确保运动过程的安全,本节将以贝加莱的SafeMOTION作为参考详细介绍其中一些关键的功能及应用实际。

2.1.1STO-安全扭矩切出(如图1所示)

STO是最基本的安全功能,是通过硬接线方式来实现,直接的驱动触发信号接入,这是大多数驱动和变频器均具有的基本功能,STO功能用于阻止驱动器非预期的重新启动,根据EN60204-1,5.4的规约,STO使得驱动脉冲无效,并且切断到电机的电源供应(EN60204-1 0类急停),这个状态在驱动内部可以监测。

例:当急停被按下时,必须切断电机的扭矩输出,当然,这个仅是指在需要切断扭矩输出的情况下,保持所设定的运动轴切断扭距,电机以自然惯性停车。

对于机器人应用而言,必须确保机械臂悬挂状态下的抱闸,安全功能需统筹考虑并设计。

图1-STO安全扭矩切出功能
图1-STO安全扭矩切出功能

2.1.2SLS-安全限速(如图2所示)

对于一个运行中的机器,其动能非零状态即有潜在的危险,但是,降低速度即可确保人体受到伤害的大幅降低,同时也确保设备不会被中断运行,因为,对于很多运行中的设备而言,若重新启动可能意味着巨大的浪费。首先是在制品的破坏损失,由于启动所需的准备工时,例如纺纱过程、经编过程就会产生很大的重新穿纱和断纱处理工作。

SLS即为系统提供一个预先设置的限速,使得进入安全区域或者为了安全检修而进入的低速运行状态,确保人身的安全。

它的触发可以是外部的开关/光幕,这种方式对于机器比较常见,例如:经编机或机器人操作空间通常采用光幕来确保当人进入工作区间时机器的速度降低至较低状态,例如:从10m/S的线速度降低至1m/S,SLS必须在t0到t1这个时间区间降低速度,在安全系统中,这取决于安全通信总线的响应能力,对于基于实时以太网的网络可以在us级时间进行指令的传递并在ms级时间里实现安全速度的设定值。

图2-SLS安全限制速度
图2-SLS安全限制速度

SLS功能用于监测驱动器到一个可编程的最大速度,四个不同的限制值可以被激活,在SOS情况下,速度设定点不自动影响,在SLS激活后,更高级的控制必须使得驱动在一个参考时间里降到速度限制以下。

2.1.3 SS1-安全停车(如图3所示)

当驱动的安全功能被激活并且运动由于负载惯量而没有足够快的停止,可以由整流器主动制动,这个集成的快速制动功能取消了受磨损影响的机械制动的需求。

图3-SS1安全停车1
图3-SS1安全停车1

当安全编码器被检测到失效,或者系统设计为具有SS1的功能并被高一级的控制器激活SS1,对于SS1而言,其速度斜坡曲线可以被预先配置,系统监控其速度的下降,当下降至所设定的速度时即STO-切出扭矩,使得机器停车,应用时必须考虑到斜坡到达时的制动距离是否被计算为安全。

另外一个安全停车是SS2,不同于SS1是驱动提供完全停止扭矩。

2.1.4SOS-安全运行停车(如图4所示)

SOS是对多轴应用的机器同步停车很重要的功能,当SOS被激活时,驱动器必须保持一个制动扭矩使得驱动轴保持当前位置,与SS1和SS2不同的在于驱动器并不自动制动,它由控制器给出斜坡下降,使得各个相关轴在可调整的延时里保持步调一致。

对于纺织机械如特里科经编机、细纱长车、多电机驱动的粗纱,以及印刷机的同步停车而言至关重要,因为,这使得机器可以保持安全情况下,能够确保在制品如纱线、纸张、薄膜不被拉断,造成废品以及再开机的复杂机械与电气重启时间。

图4-安全运行停车SOS
图4-安全运行停车SOS

2.1.5SLI安全增量限制(如图5所示)

安全增量限制-由编码器的计算值来激活或安全逻辑设计激活,其配合其它如STO、SOS、SLS共同使用,当出现编码器未检测到、编码器失效值时该功能将被激活。

图5.SLI-安全限定增量功能
图5.SLI-安全限定增量功能

安全运动控制模块通过对编码器位置进行监控,也同时监测编码器的滞后偏差、失效等,并为位置设定窗口范围,在此范围内则不触发SLI功能,对于那些送料进给或传输的应用,通过监测增量可以确保送料在安全范围内,避免出现超量而带来的损害。

2.1.6其它安全运动控制功能

除了以上几个功能外,限于篇幅,其它不作细节介绍,仅为参考,以贝加莱(B& R )的SafeMOTION的功能设计为例,还包括一些其它的安全功能,如图6、图7所示。

图6.SMP示意图
图6.SMP示意图

SMP最大安全位置,控制器将监控安全位置窗口及独立于位置监控速度限制,以确保驱动器按照设计运行,并能安全找到原点。

图7-SLP-安全限定位置
图7-SLP-安全限定位置

安全限制位置SLP-这对于那些金属加工、CNC系统而言保证刀具的安全至关重要,SBC- SBC用于控制在零电流运转的制动,例如电机制动,刹车控制电路是一个故障安全,两通道设计,安全方向SDI确保不会产生因误操作而造成的禁止的反转,以确保机器与人员安全,限于篇幅不再赘述。

2.2编码器与电机轴的连接监测(如图8所示)

图8-编码器与电机轴连接
图8-编码器与电机轴连接

安全运动控制必须考虑电机与编码器之间的轴连接的潜在风险,包括对轴的连接滞后偏差、编码器检测的破损与滑脱的监控,以确保运动控制的错误并及时响应。

编码器速度与负载速度不匹配,静态失调包括电机加速失控和编码器位置与负载位置不匹配的错误。

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