安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)*

劉艷強(qiáng) 宋永立 王健

(①北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191;②北京易能立方科技有限公司，北京 100101)

由于新時(shí)期機(jī)械自動(dòng)化需求的持續(xù)增長(zhǎng)，生產(chǎn)安全也正處于活躍增長(zhǎng)時(shí)期，因此機(jī)器安全成為人們普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外制造商也因此將產(chǎn)品安全性作為一種新的戰(zhàn)略性策略，并開(kāi)始改變傳統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方式，一種基于功能安全的智能化安全策略——功能安全集成(Integrated Functional Safety)成為制造商們新的競(jìng)爭(zhēng)契機(jī)。本文在對(duì)功能安全深入分析的基礎(chǔ)上，提出了新時(shí)期安全技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，討論了功能安全集成技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，最后結(jié)合安全集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，提出了安全集成伺服驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)未來(lái)機(jī)床控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展完善具有指導(dǎo)意義。

1 功能安全

功能安全技術(shù)已被應(yīng)用于許多不同領(lǐng)域，涉及機(jī)械制造業(yè)、流程工業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域。功能安全是受控設(shè)備(Equipment Under Control)通過(guò)對(duì)其輸入的正常響應(yīng)而獲得的整體安全的一部分，它取決于受控設(shè)備及其控制系統(tǒng)功能的正確執(zhí)行，因此功能安全防止的就是安全相關(guān)系統(tǒng)或設(shè)備的功能失效所導(dǎo)致的危險(xiǎn)發(fā)生。

1.1 功能安全的理論特點(diǎn)

IEC 61508是有關(guān)功能安全的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提出了功能安全的基本原理、術(shù)語(yǔ)、數(shù)學(xué)方法和管理模式等，為以電子作基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了標(biāo)準(zhǔn)型的指導(dǎo)，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)框架，在此框架內(nèi)還可同時(shí)考慮其他技術(shù)安全［2］。另外，功能安全已經(jīng)被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，并衍生出許多不同領(lǐng)域的安全標(biāo)準(zhǔn):如流程工業(yè)的IEC 61511，機(jī)械領(lǐng)域的IEC 62061、EN 954 －2、IEC 60204 －1，核領(lǐng)域的 IEC 61513等。

作為功能安全的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61508提出了一種保障產(chǎn)品系統(tǒng)安全的新思路，涉及安全技術(shù)和安全管理兩個(gè)方面。它將安全的理念貫穿于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)和管理全過(guò)程，采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行分析，并不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到功能安全的目的。IEC 61508的特點(diǎn)體現(xiàn)在:全新的功能安全保障理念、基于風(fēng)險(xiǎn)定量分析的評(píng)估機(jī)制、基于安全完整性等級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)、全生命周期的安全管理理念。

1.2 功能安全的方法原理

功能安全出發(fā)點(diǎn)就是，首先要對(duì)受控設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行全局分析，承認(rèn)所存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)將風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，與允許風(fēng)險(xiǎn)(Tolerable Risk)進(jìn)行比較，然后針對(duì)比較結(jié)果采取必要的風(fēng)險(xiǎn)降低措施，最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，使整個(gè)系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)(SIL)或性能等級(jí)(PL)達(dá)到選定的安全水平。

2 從“獨(dú)立安全預(yù)防”到“功能安全集成”

2.1 傳統(tǒng)的安全控制方案

控制系統(tǒng)可大致分為兩種，即用于機(jī)器運(yùn)行控制的系統(tǒng)和用于安全控制的系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)多采用“獨(dú)立的安全預(yù)防”控制方案，即安全系統(tǒng)與運(yùn)行控制系統(tǒng)相分離，通過(guò)用于運(yùn)行控制的控制器和用于安全控制的控制器共同實(shí)現(xiàn)安全功能。這樣，使得傳統(tǒng)的安全控制系統(tǒng)需要很多獨(dú)立的外部安全部件，如緊急制動(dòng)繼電器、速度檢測(cè)元件、限位/限速開(kāi)關(guān)等，并且需要設(shè)置大量的I/O來(lái)檢測(cè)輸入/輸出信號(hào)，使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣、邏輯復(fù)雜、布線紊亂、系統(tǒng)龐雜，不僅延長(zhǎng)了系統(tǒng)做出安全響應(yīng)的時(shí)間，而且增大了由于硬件隨機(jī)故障造成的整個(gè)系統(tǒng)的安全故障率。

2.2 新時(shí)期的功能安全集成

由于新時(shí)期機(jī)械自動(dòng)化需求的持續(xù)增長(zhǎng)，人們開(kāi)始改變傳統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)方式，一種基于功能安全的智能化安全性策略成為制造商們新的競(jìng)爭(zhēng)契機(jī)。這種新的安全性策略就是通過(guò)將用于安全的控制系統(tǒng)和機(jī)器運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)在執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)的同時(shí)兼顧安全的功能。

在新的控制方案實(shí)施過(guò)程中，采用智能化、網(wǎng)絡(luò)化的安全相關(guān)產(chǎn)品(部件)，并利用安全總線技術(shù)將安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信進(jìn)行合成，這樣不僅大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，而且使得安全相關(guān)信息的采集、處理、分析和評(píng)估的響應(yīng)時(shí)間大大縮短，安全控制器和安全設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖屎湾e(cuò)誤率也大大降低，明顯提高了系統(tǒng)的可用性、實(shí)時(shí)性和可靠性。采用安全集成自動(dòng)化后，只需要一個(gè)工程環(huán)境、一個(gè)控制器、一套驅(qū)動(dòng)、一套分布式I/O和一個(gè)總線就可以實(shí)現(xiàn)安全功能，集成系統(tǒng)簡(jiǎn)單緊湊。

3 安全集成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

3.1 安全集成驅(qū)動(dòng)原理

安全集成驅(qū)動(dòng)是通過(guò)將安全功能(對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中的安全邏輯)集成到驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，也就是將安全邏輯集成到NC中，同時(shí)利用安全總線技術(shù)完成控制通信和安全通信的集成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)達(dá)到一些設(shè)定的安全極限(如極限速度、極限位置、極限力矩等)時(shí)，相關(guān)安全功能信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的通道可以直接作用于驅(qū)動(dòng)控制器中的功率半導(dǎo)體器件，使驅(qū)動(dòng)進(jìn)入安全模式。這樣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行工作任務(wù)的同時(shí)兼顧安全功能，從而使驅(qū)動(dòng)更安全、更快捷、更有效。安全集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

3.2 安全集成功能介紹

根據(jù)IEC61800－5－2規(guī)定，安全集成功能包括:安全轉(zhuǎn)矩截止(STO)、安全停車1(SS1)、安全抱閘控制(SBC)、安全停車2(SS2)、安全速度限制(SLS)、安全位置限制(SLP)、安全轉(zhuǎn)矩限制(SLT)、安全運(yùn)行停車(SOS)、安全方向(SDI)、安全增量限制(SLI)、安全軟件凸輪(SCA)、安全速度監(jiān)控(SSM)和安全加速度限制(SLA)等。

這些安全功能或者直接嵌入到驅(qū)動(dòng)終端由驅(qū)動(dòng)器直接完成，或者集成到NC中，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)終端的信號(hào)反饋到NC中，進(jìn)而間接由安全集成驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)安全功能。下面對(duì)上述的安全功能［3］進(jìn)行介紹:

(1)安全轉(zhuǎn)矩截止(STO)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行監(jiān)控，并將其功能作為標(biāo)準(zhǔn)集成到電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部;同時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)刻進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)配合執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的某一功能故障或一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)，便激活安全功能切斷功率部分電源，使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡到停止?fàn)顟B(tài)，確保人身安全;同時(shí)STO還防止驅(qū)動(dòng)器意外重啟而造成的人身傷亡或機(jī)器損壞。

另外，實(shí)現(xiàn)這一功能的基礎(chǔ)是，STO激活后，能夠通過(guò)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)指定的關(guān)斷路徑切斷功率部分的電源，并將這一功能集成到電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊中。

(2)安全停車1(SS1)

用于激活電動(dòng)機(jī)減速停車功能，并且一定的延時(shí)后引發(fā)安全轉(zhuǎn)矩截止功能，從而使驅(qū)動(dòng)安全停車。另外，出現(xiàn)任何安全故障時(shí)，安全轉(zhuǎn)矩截止功能都會(huì)通過(guò)此功能得以啟動(dòng)。

需要注意的是:安全停車1功能只能結(jié)合安全轉(zhuǎn)矩截止功能一起實(shí)現(xiàn)，并且在一定的時(shí)延后自動(dòng)啟動(dòng)STO功能或SBC功能;如果在指定時(shí)延之內(nèi)SS1被取消，延時(shí)到達(dá)后，STO或SS1功能依然自動(dòng)啟動(dòng)，并且隨機(jī)自行關(guān)斷。

(3)安全抱閘控制(SBC)

當(dāng)安全轉(zhuǎn)矩截止功能啟動(dòng)后，或當(dāng)任一安全監(jiān)視功能響應(yīng)后，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)進(jìn)入安全抱閘控制功能。并且此功能的執(zhí)行通過(guò)雙通道執(zhí)行，在功能執(zhí)行的過(guò)程中還要對(duì)抱閘的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)以閉環(huán)的位置控制或速度控制方式監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的位置狀態(tài)，保證電動(dòng)機(jī)處于安全的停車狀態(tài)，并維持外負(fù)載所需的動(dòng)力。例如塔吊下的重物被吊在空中的某一位置，就需要電動(dòng)機(jī)提供恒定的力矩以保證安全。

(5)安全速度限制(SLS)

設(shè)定某一速度值，并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)此設(shè)定值時(shí)，就會(huì)引發(fā)相應(yīng)的安全停止功能響應(yīng)，進(jìn)而激活安全集成驅(qū)動(dòng)功能響應(yīng)。

(6)安全停車2(SS2)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到某一設(shè)定的速度限定值時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速功能，并在減速過(guò)程中對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)或指定的延時(shí)后引發(fā)SOS功能。

(7)安全加速度限制(SLA)

同時(shí)要科學(xué)處理政府和社會(huì)的關(guān)系，充分發(fā)揮社會(huì)力量的主體作用，形成建設(shè)現(xiàn)代養(yǎng)老服務(wù)體系的強(qiáng)大合力。從2000年開(kāi)始，養(yǎng)老服務(wù)社會(huì)化方向日漸明晰，在以政府為主要責(zé)任主體的前提下,鼓勵(lì)社會(huì)力量通過(guò)各種方式和手段參與為老服務(wù),政府“獨(dú)當(dāng)一面”的格局逐漸改變，包括投資主體、運(yùn)行機(jī)制都體現(xiàn)了市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展格局，企業(yè)、社會(huì)團(tuán)體、個(gè)人等社會(huì)力量紛紛投入養(yǎng)老服務(wù)業(yè)，在投資運(yùn)營(yíng)、運(yùn)行機(jī)制、服務(wù)方式和內(nèi)容等方面，逐漸引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在有效提供高質(zhì)量的養(yǎng)老服務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)參與者的價(jià)值追求和經(jīng)營(yíng)目標(biāo)[18]。

安全加速度設(shè)置就是對(duì)電動(dòng)機(jī)加速和減速過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，防止加速度超過(guò)給定的安全值，從而減小機(jī)械的振動(dòng)，避免機(jī)械碰撞，杜絕事故的發(fā)生。

(8)安全位置限制(SLP)

在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位置進(jìn)行監(jiān)控，防止運(yùn)動(dòng)超越給定的位置極限，從而較少碰刀、機(jī)械碰撞等事故的發(fā)生。

(9)安全方向(SDI)

保證電動(dòng)機(jī)只能以某一指定的方向運(yùn)行，而不能由于人為的誤操作而出現(xiàn)反向運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，從而有效地保障機(jī)械安全，避免事故的發(fā)生。

(10)安全軟件凸輪(SCA)

用來(lái)執(zhí)行安全電子凸輪、安全范圍檢測(cè)或指定工作區(qū)域/受保護(hù)區(qū)域的功能，并且當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入指定的安全范圍時(shí)，輸出相應(yīng)的安全信號(hào)。另外，響應(yīng)SCA功能的安全信號(hào)是唯一被認(rèn)為安全的。

3.3 安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

圍繞伺服驅(qū)動(dòng)的安全性要求，安全集成伺服驅(qū)動(dòng)最基本的安全功能就是要求在各種異常狀態(tài)下，能夠及時(shí)地進(jìn)行反饋，并進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的停止、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的位置，實(shí)現(xiàn)安全驅(qū)動(dòng)要求。因此STO、SS1和SBC作為驅(qū)動(dòng)的基本功能被直接集成嵌入到驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部，并且由驅(qū)動(dòng)控制器直接控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)安全功能。

而 SS2、SLS、SLA、SLP、SOS、SDI等安全功能可被抽象成安全邏輯，將其集成到安全集成NC中，并通過(guò)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)視，同時(shí)將各個(gè)安全功能對(duì)應(yīng)的安全信號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)周期性地反饋給安全集成系統(tǒng)，從而最終通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的安全集成功能(STO、SS1和SBC)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)功能安全。

對(duì)于安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)際上已有相關(guān)的安全集成驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如西門(mén)子對(duì)安全集成技術(shù)的典型應(yīng)用就是SINUMERIK 840D sl/SINAMICS S120。它是通過(guò)將安全功能集成到NC和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)功能安全的目的。此產(chǎn)品的安全等級(jí)滿足IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的安全完整性等級(jí)(SIL)2級(jí)和ISO13849－1標(biāo)準(zhǔn)的性能等級(jí)(PL)d級(jí)。

再如科爾摩根公司的安全驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品是S700伺服驅(qū)動(dòng)，該產(chǎn)品滿足的安全等級(jí)是IEC62061 SIL2，其主要應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)性和高精度的加工任務(wù)。

對(duì)于安全集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，我們可以借鑒西門(mén)子安全集成產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)機(jī)制［3］:

(1)雙通道監(jiān)視結(jié)構(gòu)

所有與安全集成功能相關(guān)的主要硬件和軟件，以相互獨(dú)立的雙通道模式執(zhí)行。并且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)監(jiān)視通道通過(guò)控制單元NC和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)模塊或電源模塊執(zhí)行。

每個(gè)監(jiān)視通道的工作原理:在每個(gè)操作執(zhí)行之前，首先預(yù)定義所要求的狀態(tài)，并且在動(dòng)作執(zhí)行之后要有相關(guān)的反饋信號(hào)。如果通過(guò)比較監(jiān)視通道的反饋信號(hào)發(fā)現(xiàn)所期望的響應(yīng)并未滿足，驅(qū)動(dòng)就會(huì)進(jìn)入停止響應(yīng)模式，并輸出相關(guān)的警示信息。

(2)關(guān)斷信號(hào)路徑

在安全集成系統(tǒng)中有兩個(gè)獨(dú)立的關(guān)斷路徑，并且所有的關(guān)斷信號(hào)都是低電平有效。這樣，可以保證在器件失效或線路故障時(shí)能夠使系統(tǒng)立即進(jìn)入安全模式。

(3)循環(huán)監(jiān)視機(jī)制

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中，相關(guān)安全功能會(huì)以監(jiān)視周期的方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)視，以保證時(shí)刻將反饋信息通過(guò)雙通道返回，以保證功能安全。

(4)安全相關(guān)的輸入信號(hào)

安全相關(guān)的輸入信號(hào)就是通過(guò)相關(guān)的安全檢測(cè)，將以上介紹的安全功能進(jìn)行信號(hào)化，作為過(guò)程的輸入。另外，這些數(shù)據(jù)信號(hào)能夠被傳遞到雙通道，并用來(lái)選擇或取消安全功能。

(5)交叉數(shù)據(jù)比較

在雙監(jiān)視通道中，安全相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)被循環(huán)地交叉比較。如果任何數(shù)據(jù)不一致的話，就會(huì)通過(guò)任意的安全功能激活安全停止功能，進(jìn)入安全模式。

通過(guò)建立這樣的安全機(jī)制后，就可以應(yīng)用安全集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將STO、SS1和SBC基本安全功能直接集成嵌入到驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部，并在安全集成NC的協(xié)同控制下，實(shí)現(xiàn)安全集成伺服驅(qū)動(dòng)控制。

安全集成驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原理方案［3］如圖2所示。其中，其他的安全相關(guān)功能集成到安全集成NC中，并將其用一定的極限值進(jìn)行量化，通過(guò)檢測(cè)部件將安全相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)周期性地反饋給安全集成NC和安全伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，然后通過(guò)雙通道監(jiān)視機(jī)制將反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行交叉比較，一旦發(fā)現(xiàn)雙通道的數(shù)據(jù)比較不一致，就會(huì)引發(fā)相應(yīng)的安全功能響應(yīng)，并最終通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的安全功能響應(yīng)實(shí)現(xiàn)安全控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在進(jìn)一步分析了功能安全的概念和理論特點(diǎn)后，闡述了安全集成技術(shù)的原理和特點(diǎn)，對(duì)安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了描述，最后結(jié)合安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，給出了安全集成伺服驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。

安全集成伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究可以說(shuō)是方興未艾，但盡管如此，它的前途是光明的，正如功能安全一樣，安全集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)代表了一次機(jī)器安全的革命，相信不久的明天，功能安全將滲透到各行各業(yè)。

［1］靳江紅，吳宗之，胡玢.對(duì)功能安全基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508的研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(2):71－75.

［2］史學(xué)玲.功能安全標(biāo)準(zhǔn)的理論特點(diǎn)和管理模式［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2006(4):2－4.

［3］Siemens.Function manual SINUMERIK safety integrated［Z］.Siemens，2010.