前言

運動控制領(lǐng)域的安全技術(shù)是機器安全控制的重要一環(huán)，在IEC62061/EN13849的規(guī)范中，關(guān)于運動控制的安全技術(shù)包含了多項，然而必須落實在具體的應(yīng)用并為生產(chǎn)及人員帶來安全保證，才能有實際的應(yīng)用。事實上，運動控制的安全概念涉及了較多方面。

1.安全技術(shù)思想的轉(zhuǎn)變

近年，安全技術(shù)正在成為工業(yè)自動化領(lǐng)域最為關(guān)注的技術(shù)熱點，然而，關(guān)于安全，盡管少數(shù)專業(yè)人士對其較為了解，但大部分人對其理解仍然是局部和片面的，有幾個重要思想必須得以糾正，否則就會產(chǎn)生因安全技術(shù)的片面而導(dǎo)致安全技術(shù)無法做出全局判斷。

1.1安全技術(shù)涉及的是生命周期管理理念而非“產(chǎn)品概念”

“我們的產(chǎn)品符合SIL3等級認證”這是一個典型的產(chǎn)品概念，某個產(chǎn)品的SIL3等級認證僅代表這個產(chǎn)品滿足認證所要求的電氣器件設(shè)計的安全要求，不代表系統(tǒng)的安全等級是SIL3，因為安全系統(tǒng)必須是一個全局的，全生命周期的概念，任何孤立的看待它的思想都是不合適的，它是一個從系統(tǒng)風(fēng)險評估、方案確定、設(shè)計、測試、仿真、運行、升級、維護全過程必須遵循安全規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的過程。安全系統(tǒng)更多意義是一個管理思想在技術(shù)上的延伸，而非僅僅是一個技術(shù)問題或者產(chǎn)品問題。

概括來講，安全系統(tǒng)更接近一個“生產(chǎn)運行的管理系統(tǒng)”，而非一個技術(shù)或產(chǎn)品的構(gòu)成，任何將安全理解為技術(shù)和產(chǎn)品的概念均是“局部的”或“片面的”。

1. 2安全帶來的是收益而非無回報的投入

安全系統(tǒng)的另一個問題在于企業(yè)對于安全投入的忽視，因為，安全系統(tǒng)總是被認為投入而沒有大的作用，另外就是會增加成本而無法實現(xiàn)，事實上，安全系統(tǒng)會給企業(yè)帶來收益體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 2.1安全帶來的生產(chǎn)效率提升

對于安全系統(tǒng)而言，由于采用了新的安全設(shè)計如貝加萊(B&R)提供的智能安全響應(yīng)技術(shù)(Smart Safe  Reaction)可以在不停機狀態(tài)下確保人身的安全，并同時確保了生產(chǎn)的連續(xù)性，人身安全對于企業(yè)的風(fēng)險在于人身事故所帶來的潛在賠付與法律責(zé)任的成本，而這一成本在安全得到更為重視的今天也變得更為巨大，因此，安全系統(tǒng)帶來的不僅僅是人身安全潛在利益，也在于生產(chǎn)連續(xù)性避免生產(chǎn)在制品的損失。

1. 2.2安全保護重要的設(shè)備投資

對于重要的設(shè)備如注塑模具、擠出機螺桿、紡織機械以及包裝機械設(shè)備的高精度凸輪機構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電機組、燃氣輪機等關(guān)鍵高值設(shè)備而言，安全系統(tǒng)也能確保他們避免被損壞，甚至損毀所帶來的潛在巨大財產(chǎn)損失。

1. 2.3安全技術(shù)突破技術(shù)壁壘與市場進入的準(zhǔn)入證

對于未來，國產(chǎn)設(shè)備若想要進入全球市場，安全技術(shù)會成為潛在的市場進入壁壘，而安全技術(shù)將成為未來機器領(lǐng)域的一個重要技術(shù)壁壘，這是為什么歐美日本等機械制造發(fā)達國家強調(diào)安全技術(shù)的重要性的原因，不僅僅是出于安全考慮，也是一個市場考慮，因此，必須未雨綢繆地實現(xiàn)對安全技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

2.SafeMotion所涵蓋的范圍

運動控制的安全如同IEC61508所定義的思想，即，任何一個環(huán)節(jié)的單獨安全并不代表整體的安全，功能安全一致性必須以整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)均為安全才能定義為安全系統(tǒng)，因此，它包含了安全的編碼器、電機、驅(qū)動技術(shù)、安全編程、安全通信多個環(huán)節(jié)，當(dāng)然也包含了本次并不列入介紹范圍的安全邏輯——處理器的安全。

2.1 SafeMOTION安全驅(qū)動技術(shù)

驅(qū)動的安全是為安全運動控制的核心，其基于安全的產(chǎn)品設(shè)計、功能開發(fā)、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，其中安全功能包含了STO、SS1、SLS、SMP等重要的功能設(shè)計要求，以確保運動過程的安全，本節(jié)將以貝加萊的SafeMOTION作為參考詳細介紹其中一些關(guān)鍵的功能及應(yīng)用實際。

2.1.1STO-安全扭矩切出（如圖1所示）

STO是最基本的安全功能，是通過硬接線方式來實現(xiàn)，直接的驅(qū)動觸發(fā)信號接入，這是大多數(shù)驅(qū)動和變頻器均具有的基本功能，STO功能用于阻止驅(qū)動器非預(yù)期的重新啟動，根據(jù)EN60204-1,5.4的規(guī)約，STO使得驅(qū)動脈沖無效，并且切斷到電機的電源供應(yīng)(EN60204-1 0類急停)，這個狀態(tài)在驅(qū)動內(nèi)部可以監(jiān)測。

例：當(dāng)急停被按下時，必須切斷電機的扭矩輸出，當(dāng)然，這個僅是指在需要切斷扭矩輸出的情況下，保持所設(shè)定的運動軸切斷扭距，電機以自然慣性停車。

對于機器人應(yīng)用而言，必須確保機械臂懸掛狀態(tài)下的抱閘，安全功能需統(tǒng)籌考慮并設(shè)計。

圖1-STO安全扭矩切出功能

2.1.2SLS-安全限速（如圖2所示）

對于一個運行中的機器，其動能非零狀態(tài)即有潛在的危險，但是，降低速度即可確保人體受到傷害的大幅降低，同時也確保設(shè)備不會被中斷運行，因為，對于很多運行中的設(shè)備而言，若重新啟動可能意味著巨大的浪費。首先是在制品的破壞損失，由于啟動所需的準(zhǔn)備工時，例如紡紗過程、經(jīng)編過程就會產(chǎn)生很大的重新穿紗和斷紗處理工作。

SLS即為系統(tǒng)提供一個預(yù)先設(shè)置的限速，使得進入安全區(qū)域或者為了安全檢修而進入的低速運行狀態(tài)，確保人身的安全。

它的觸發(fā)可以是外部的開關(guān)/光幕，這種方式對于機器比較常見，例如：經(jīng)編機或機器人操作空間通常采用光幕來確保當(dāng)人進入工作區(qū)間時機器的速度降低至較低狀態(tài)，例如：從10m/S的線速度降低至1m/S，SLS必須在t0到t1這個時間區(qū)間降低速度，在安全系統(tǒng)中，這取決于安全通信總線的響應(yīng)能力，對于基于實時以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可以在us級時間進行指令的傳遞并在ms級時間里實現(xiàn)安全速度的設(shè)定值。

圖2-SLS安全限制速度

SLS功能用于監(jiān)測驅(qū)動器到一個可編程的最大速度，四個不同的限制值可以被激活，在SOS情況下，速度設(shè)定點不自動影響，在SLS激活后，更高級的控制必須使得驅(qū)動在一個參考時間里降到速度限制以下。

2.1.3 SS1-安全停車（如圖3所示）

當(dāng)驅(qū)動的安全功能被激活并且運動由于負載慣量而沒有足夠快的停止，可以由整流器主動制動，這個集成的快速制動功能取消了受磨損影響的機械制動的需求。

圖3-SS1安全停車1

當(dāng)安全編碼器被檢測到失效，或者系統(tǒng)設(shè)計為具有SS1的功能并被高一級的控制器激活SS1，對于SS1而言，其速度斜坡曲線可以被預(yù)先配置，系統(tǒng)監(jiān)控其速度的下降，當(dāng)下降至所設(shè)定的速度時即STO-切出扭矩，使得機器停車，應(yīng)用時必須考慮到斜坡到達時的制動距離是否被計算為安全。

另外一個安全停車是SS2，不同于SS1是驅(qū)動提供完全停止扭矩。

2.1.4SOS-安全運行停車（如圖4所示）

SOS是對多軸應(yīng)用的機器同步停車很重要的功能，當(dāng)SOS被激活時，驅(qū)動器必須保持一個制動扭矩使得驅(qū)動軸保持當(dāng)前位置，與SS1和SS2不同的在于驅(qū)動器并不自動制動，它由控制器給出斜坡下降，使得各個相關(guān)軸在可調(diào)整的延時里保持步調(diào)一致。

對于紡織機械如特里科經(jīng)編機、細紗長車、多電機驅(qū)動的粗紗，以及印刷機的同步停車而言至關(guān)重要，因為，這使得機器可以保持安全情況下，能夠確保在制品如紗線、紙張、薄膜不被拉斷，造成廢品以及再開機的復(fù)雜機械與電氣重啟時間。

圖4-安全運行停車SOS

2.1.5SLI安全增量限制（如圖5所示）

安全增量限制-由編碼器的計算值來激活或安全邏輯設(shè)計激活，其配合其它如STO、SOS、SLS共同使用，當(dāng)出現(xiàn)編碼器未檢測到、編碼器失效值時該功能將被激活。

圖5.SLI-安全限定增量功能

安全運動控制模塊通過對編碼器位置進行監(jiān)控，也同時監(jiān)測編碼器的滯后偏差、失效等，并為位置設(shè)定窗口范圍，在此范圍內(nèi)則不觸發(fā)SLI功能，對于那些送料進給或傳輸?shù)膽?yīng)用，通過監(jiān)測增量可以確保送料在安全范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)超量而帶來的損害。

2.1.6其它安全運動控制功能

除了以上幾個功能外，限于篇幅，其它不作細節(jié)介紹，僅為參考，以貝加萊(B& R )的SafeMOTION的功能設(shè)計為例，還包括一些其它的安全功能，如圖6、圖7所示。

圖6.SMP示意圖

SMP最大安全位置，控制器將監(jiān)控安全位置窗口及獨立于位置監(jiān)控速度限制，以確保驅(qū)動器按照設(shè)計運行，并能安全找到原點。

圖7-SLP-安全限定位置

安全限制位置SLP-這對于那些金屬加工、CNC系統(tǒng)而言保證刀具的安全至關(guān)重要，SBC- SBC用于控制在零電流運轉(zhuǎn)的制動，例如電機制動，剎車控制電路是一個故障安全，兩通道設(shè)計，安全方向SDI確保不會產(chǎn)生因誤操作而造成的禁止的反轉(zhuǎn)，以確保機器與人員安全，限于篇幅不再贅述。

2.2編碼器與電機軸的連接監(jiān)測（如圖8所示）

圖8-編碼器與電機軸連接

安全運動控制必須考慮電機與編碼器之間的軸連接的潛在風(fēng)險，包括對軸的連接滯后偏差、編碼器檢測的破損與滑脫的監(jiān)控，以確保運動控制的錯誤并及時響應(yīng)。

編碼器速度與負載速度不匹配，靜態(tài)失調(diào)包括電機加速失控和編碼器位置與負載位置不匹配的錯誤。

通過監(jiān)測編碼器的電氣狀態(tài)可以觸發(fā)相關(guān)的安全機制，SS1、STO、SBC等功能均需監(jiān)測編碼器相應(yīng)的速度、位置、滯后誤差等。

2.3機器人的安全-SafeROBOTICS

機器人的安全與同步定位控制的運動控制不同，其安全設(shè)計也不同于其它安全功能，最早為機器人提供了基于總線技術(shù)安全的是來自貝加萊的SafeROBOTICS技術(shù)，該技術(shù)為機器人提供了運行操作空間的人身安全保證。

這項技術(shù)也被稱為SLS &TCP，即，對機器人末端中心點的安全速度限制，它并不簡單的類似SLS功能，因為，機器人的TCP速度并非由單個軸所定義的，而且，它的安全動作也牽扯到機器人本身的計算，因此，它是一個更為復(fù)雜的安全設(shè)計，盡管從表面上看，它是降低速度來實現(xiàn)安全性。

機器人的安全是未來機器人大量使用時代必須考慮的因素。

3.安全設(shè)計與流程

安全系統(tǒng)的設(shè)計必須遵照嚴格的流程來進行，并設(shè)計為每個環(huán)節(jié)的驗證和確認，否則將會導(dǎo)致無法達到預(yù)期的安全系統(tǒng)效果，在每個環(huán)節(jié)，均需參照國際IEC/ISO/EN標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，并由經(jīng)過認證的安全工程師來進行整個過程的監(jiān)控，以及具有資質(zhì)的認證機構(gòu)如TUV或SGS對整個安全過程進行全程認證。

3.1安全管理系統(tǒng)建立

基于IEC61508和EN62601標(biāo)準(zhǔn)，對下列問題進行定義：

● 識別所有機器及周邊安全相關(guān)的活動；

● 制定滿足功能安全一致性要求的政策與管理策略；

● 明確相關(guān)人員責(zé)任

● 文檔過程、記錄與資源管理

● 驗證并確認計劃

必須為機器的安全制定相應(yīng)的管理體系，而不僅僅是技術(shù)和產(chǎn)品本身，因此，從這個角度說安全系統(tǒng)是一個管理系統(tǒng)問題并不為過，并且，IEC61508、EN62061及其它標(biāo)準(zhǔn)均采用的是基于生產(chǎn)運營管理的失效分析等方法與體系，其過程與管理運營控制遵循相同的管理理念與思想。

3.2風(fēng)險評估

可參考的標(biāo)準(zhǔn)有EN ISO12100-1：

● 判斷機器可能造成的危害；

● 逐一評價已確定的風(fēng)險（可能性、頻次以及避免危害的可能性、嚴重性）

這個階段是非常重要的，所有的潛在的可能必須被考慮在內(nèi)，風(fēng)險評估的完整性、準(zhǔn)確性是安全系統(tǒng)設(shè)計成功的基礎(chǔ)保障。

3.3降低安全風(fēng)險

降低風(fēng)險的措施，包括已有的安全設(shè)計方法，當(dāng)然，也包括更安全的設(shè)計以及更好的設(shè)計流程，對于機械系統(tǒng)而言，相應(yīng)的安全保護措施也必須予以考慮，對于相應(yīng)的安全信息，從殘留風(fēng)險管理角度來看，也包括機器本體上的安全警示標(biāo)簽、警示燈、報警措施及操作規(guī)范與文件。

3.4提出安全要求和設(shè)定目標(biāo)

必須為安全系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)，并且參考國際、行業(yè)、國內(nèi)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如：電梯行業(yè)、金屬加工行業(yè)、船舶與交通等，各自有其對設(shè)備與系統(tǒng)的安全要求，作為安全目標(biāo)，也可高于該目標(biāo)。

SIL和PLC分別對應(yīng)IEC61508和EN13849，其安全等級有相應(yīng)的計算標(biāo)準(zhǔn)與方法，可參考相關(guān)資料。

3.5設(shè)計實現(xiàn)安全功能系統(tǒng)

參考安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如EN ISO13849或EN62061等標(biāo)準(zhǔn)對運動控制相關(guān)的設(shè)計進行定義，如SIL和PL，對失效、錯誤響應(yīng)時間、安全距離、危害的頻次等等相關(guān)參數(shù)進行計算并設(shè)計。

設(shè)計安全運動控制相關(guān)的功能塊、架構(gòu)與流程、編程并測試功能。

3.6驗證安全系統(tǒng)

使用子系統(tǒng)定義的SIL限制要求（SIL CL）來確定系統(tǒng)安全完整性，使用子系統(tǒng)定義的每小時危險失效發(fā)生的可能性（PFHd）來衡量系統(tǒng)隨機硬件的安全完整性，使用常見失效原因分析（CCF）列表去檢查所有必需的相關(guān)項目在創(chuàng)建的安全系統(tǒng)當(dāng)中沒有遺漏，根據(jù)SIL的定義確定獲得SIL的水平。

3.7文檔化管理

對于安全系統(tǒng)而言，整個安全管理系統(tǒng)建立、目標(biāo)設(shè)定、風(fēng)險評估、系統(tǒng)設(shè)計、測試與驗證所有過程必須制定嚴格的文檔管理系統(tǒng)，并經(jīng)認證，任何技術(shù)文檔的缺失均代表安全系統(tǒng)不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，也同樣被認為不滿足功能安全的要求。

3.8認證符合標(biāo)準(zhǔn)

認證部分是最為重要的，由第三方認證機構(gòu)對整個系統(tǒng)的管理系統(tǒng)、風(fēng)險評估、設(shè)計等所有的文檔、流程與規(guī)范、測試等全部進行按照標(biāo)準(zhǔn)的審核，才可以簽字認證通過，未經(jīng)認證的系統(tǒng)不能稱為安全系統(tǒng)。

安全運動控制是一個非常嚴謹?shù)脑O(shè)計過程，必須嚴格參考IEC61508、EN13849等國際標(biāo)準(zhǔn)并與安全技術(shù)提供商、認證機構(gòu)、客戶共同來完成，本文僅作參考。

作者簡介：

宋華振（1972-）男，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司市場部經(jīng)理、工程師，主要技術(shù)專長為運動控制與實時通信技術(shù)。

貝加萊（B&R）工業(yè)自動化是一家全球性自動化領(lǐng)導(dǎo)廠商，專業(yè)致力于創(chuàng)新自動化前沿技術(shù)，總部位于奧地利，目前已在全球68個國家設(shè)立了分支機構(gòu)，擁有166個辦事處。“完美自動化”與“您的全球自動化合作伙伴”是貝加萊工業(yè)自動化的使命與追求。

1996年8月，貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司正式落戶中國上海，本地化的銷售與精湛的技術(shù)隊伍為中國客戶帶來更迅捷的服務(wù)響應(yīng)。十幾年來，貝加萊（中國）一直專注于為國內(nèi)用戶提供高品質(zhì)的自動化全線產(chǎn)品和優(yōu)秀的技術(shù)解決方案?，F(xiàn)在，貝加萊的產(chǎn)品和方案已廣泛應(yīng)用于機械自動化領(lǐng)域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機床、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)；以及過程自動化領(lǐng)域，如電力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行業(yè)。目前，貝加萊產(chǎn)品已通過ISO 9001、UL、TÜV、GOST-R等國際認證，產(chǎn)品質(zhì)量、性能等受到了用戶的普遍贊譽，贏得了信譽。如今，貝加萊（中國）已成立了北京、廣州、濟南、西安、成都和沈陽辦事處，上海及各辦事處建立了完備的技術(shù)培訓(xùn)中心，以及分布在全國的大學(xué)聯(lián)合實驗室。