位于德國(guó)呂貝克的 IMA Klessmann 有限公司是一家引領(lǐng)國(guó)際潮流的木工和工藝家具生產(chǎn)設(shè)備制造商。2017 年，該公司為法國(guó)最大的廚房櫥柜制造商之一，位于 Thones 的Fournier SA 公司，對(duì)一套復(fù)雜的多軌道木制工件運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)代化改造。在實(shí)施此項(xiàng)目過(guò)程中，通過(guò)使用倍福的模擬傳感器和 TwinSAFE SC 安全技術(shù)（TwinSAFE 單通道）非常簡(jiǎn)單、靈活且經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)了可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，以防止未經(jīng)授權(quán)的進(jìn)入。

廚房家具的板形工件在廠區(qū)根據(jù)作業(yè)列表從分揀倉(cāng)庫(kù)中移出，并被碼垛在兩個(gè)分料工位的托盤上。隨后通過(guò)合適的輸送設(shè)備從配貨區(qū)將碼垛好的工件堆輸送到下游設(shè)備中。在卸垛之后，這些設(shè)備會(huì)按照正確順序接收所需的工件，以便盡可能高效地組裝廚柜。根據(jù)其工作原理，危險(xiǎn)區(qū)域中的兩個(gè)揀選工位每個(gè)都有六道閘門用來(lái)卸垛。

據(jù)該項(xiàng)目的啟動(dòng)負(fù)責(zé)人，來(lái)自 IMA 的軟件開發(fā)人員 Michael Gube 所說(shuō)，這類應(yīng)用要求絕對(duì)不允許有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。由于該區(qū)域的輸送入口處每天的物料進(jìn)出量和需要移動(dòng)的物料質(zhì)量都很大，因此安全風(fēng)險(xiǎn)也非常高?？刂迫藛T進(jìn)入這些危險(xiǎn)區(qū)域的傳統(tǒng)方法是使用安全光柵和屏蔽功能。但是，在這種情況下，單靠這些措施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，安全光柵只能安裝在危險(xiǎn)區(qū)域的前面。光柵雖然能夠可靠地檢測(cè)到任何未經(jīng)授權(quán)的進(jìn)入，但即使激活了最大可能的制動(dòng)斜坡，也沒有足夠的時(shí)間停止危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)。其他措施，例如使用安全行車制動(dòng)器，會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成極大的負(fù)擔(dān)，并且長(zhǎng)期來(lái)看，在危及工藝過(guò)程安全的同時(shí)，還會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

兩級(jí)安全防護(hù)解決方案

因此，其中一個(gè)要求是通過(guò)第二個(gè)安全裝置來(lái)保障人員和工藝過(guò)程安全：如果有人企圖非法進(jìn)入揀選區(qū)域，他們必須通過(guò)兩個(gè)裝置：一旦他們通過(guò)第一個(gè)裝置，門架就會(huì)切換到安全限速（SLS）模式。當(dāng)有人員靠近接近第二個(gè)裝置時(shí)，設(shè)備會(huì)從安全速度停止。

第一個(gè)安全裝置由三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸送時(shí)間傳感器組成。當(dāng)沒有在這些傳感器所在的區(qū)域內(nèi)堆垛物料時(shí)，或物料堆垛未在此區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，安全風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)一直存在。此時(shí)可以通過(guò)以下方式避免人員進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)：一旦木板堆在輸送時(shí)間傳感器區(qū)域下方移動(dòng)，然后停止，輸送時(shí)間傳感器就會(huì)立即測(cè)量當(dāng)前堆垛高度（鎖存）。如果堆垛完全從該區(qū)域移出，則堆垛高度將被賦值為 0。停止時(shí)，測(cè)定的三個(gè)傳感器的值被傳輸給安全控制器，并不斷與輸送時(shí)間傳感器的實(shí)際值進(jìn)行比較?，F(xiàn)在，如果有人試圖在沒有堆垛時(shí)進(jìn)入，或翻越固定堆垛進(jìn)入，三個(gè)實(shí)際值中的至少一個(gè)會(huì)偏離鎖定位置。于是，門架立即會(huì)切換到安全限速（SLS）模式。

一旦有人已經(jīng)順利通過(guò)第一個(gè)安全裝置，他或她必須還要順利通過(guò)第二個(gè)裝置，而安全光柵直接放置在揀選區(qū)域前面。如果它們檢測(cè)到有人進(jìn)入，那么已經(jīng)以安全限速運(yùn)動(dòng)的軸最終會(huì)停止運(yùn)行。

Fournier 公司項(xiàng)目經(jīng)理 Pierre Favre（左），IMA Klessmann 公司軟件開發(fā)人員兼該項(xiàng)目調(diào)試經(jīng)理 Michael Gube（右）

通過(guò) TwinSAFE SC 端子模塊采集來(lái)自總共 36 個(gè)傳輸時(shí)間傳感器的模擬量信號(hào)

模擬值處理可以節(jié)省大量成本

對(duì)于 Michael Gube 來(lái)說(shuō)，TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 的模擬信號(hào)處理能力是實(shí)現(xiàn)高效的安全解決方案的前提：“以前，這臺(tái)設(shè)備上存在安全缺陷，即使是輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)也被建造成無(wú)法進(jìn)入。但是，在個(gè)別情況下仍然可以進(jìn)入，例如，如果僅運(yùn)輸堆垛下面用的底板時(shí)。安全光柵太靠近正在移動(dòng)的門架，這意味著一旦發(fā)生危險(xiǎn)，無(wú)法快速停止。如果使用最初的解決方案，例如使用安全門或雷達(dá)掃描儀，則需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行機(jī)械返工和高昂的成本費(fèi)用才能實(shí)現(xiàn)。而 TwinSAFE SC和傳輸時(shí)間傳感器作為替代方案對(duì)我們來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)單、更靈活，同時(shí)也更具成本效益?！?/p>

用于模擬傳感器信號(hào)的安全功能塊

Michael Gube 認(rèn)為 TwinCAT 3 軟件中具有可擴(kuò)展性高并適合此應(yīng)用的安全功能塊，可以非常方便地實(shí)施基于傳輸時(shí)間傳感器中的模擬信號(hào)的安全功能。系統(tǒng)的復(fù)雜性也不再是問題。它由兩臺(tái)具有相同硬件和軟件的設(shè)備構(gòu)成，每臺(tái)設(shè)備都使用一臺(tái)倍福的 CX9020 嵌入式控制器、一個(gè) TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 和六個(gè) TwinSAFE SC 模擬量輸入端子模塊 EL3124-0090（每個(gè)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)使用一個(gè)端子模塊）。倍福應(yīng)用/支持工程師 Bettina Keller 補(bǔ)充道：“此外，每臺(tái)機(jī)設(shè)備使用四個(gè) TwinSAFE 數(shù)字量輸入端子模塊 EL1904 進(jìn)行安全確認(rèn)和雙通道屏蔽輸入，一個(gè) TwinSAFE 數(shù)字輸出端子模塊 EL2904 用于控制安全接觸器。TwinCAT 中的 TwinSAFE 功能塊可以方便地配置所有所需的功能，如屏蔽程序的最長(zhǎng)允許持續(xù)時(shí)間。”Michael Gube 也證實(shí)了這一點(diǎn)：“通過(guò)安全功能塊可以簡(jiǎn)單、快速地實(shí)現(xiàn)最多樣化的安全功能。

每個(gè)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)上有三個(gè)傳輸時(shí)間傳感器（由三個(gè)光點(diǎn)顯示）用來(lái)監(jiān)測(cè)工件堆垛高度

這樣帶來(lái)的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)就是它可以普遍適用于更復(fù)雜的模擬量輸入信號(hào)?！?/span>

Bettina Keller 在解釋用于此類簡(jiǎn)化的安全實(shí)施的構(gòu)建模塊時(shí)說(shuō)道：“系統(tǒng)的核心部分是具有擴(kuò)展安全功能的 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910。除了具有 EL6900 所具備的安全功能塊之外，它還提供一些經(jīng)過(guò)認(rèn)證的安全功能塊，比如處理模擬量信號(hào)，以及諸如計(jì)數(shù)器、限值和比較等更復(fù)雜的功能。另外，EL6910 支持 TwinSAFE SC 技術(shù)，只有此項(xiàng)技術(shù)才能通過(guò) TwinSAFE SC 擴(kuò)展將標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT I/O 的數(shù)據(jù)安全地傳輸給 EL6910。因此，現(xiàn)在可以對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行分析和校驗(yàn)，并在邏輯端子模塊內(nèi)進(jìn)行評(píng)估，但出于安全考慮，至少有一個(gè)數(shù)據(jù)源必須是TwinSAFE SC 組件?！?/span>

基于需求的解決方案具有可擴(kuò)展性，且可以集成

正如 Michael Gube 所解釋的那樣，倍福 PC 控制技術(shù)的精細(xì)可擴(kuò)展性帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)之一就是可以安裝全新的安全解決方案：“整套生產(chǎn)設(shè)施都由 TwinCAT 2 軟件控制。但是，TwinCAT 3 軟件的生成需要通過(guò)TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 直接連接模擬傳感器。倍福的模塊化控制技術(shù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行擴(kuò)展，并能夠通過(guò)由 CX9020嵌入式控制器與 TwinCAT 3 以及 TwinSAFE 和 TwinSAFE SC 端子模塊組成的子系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)新的安全功能?！?/span>

Michael Gube 認(rèn)為此解決方案具有很高的靈活性：“根據(jù)適用的安全規(guī)定，危險(xiǎn)區(qū)域必須在整個(gè)寬度上以 250 毫米的間隔進(jìn)行監(jiān)控。因此，我們?cè)诿颗_(tái)寬度為 700 毫米的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)上使用三個(gè)傳輸時(shí)間傳感器。未來(lái)如果由于工件較大需要使用更寬的輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)，我們只需要添加相應(yīng)數(shù)量的傳感器即可。然后可以通過(guò) TwinCAT 軟件輕松配置安全功能，特別是由于 TwinCAT 3 下的安全工程非常方便和高效?！?/span>

TwinSAFE SC 將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)集成到安全技術(shù)中

使用 TwinSAFE SC 技術(shù)（TwinSAFE 單通道技術(shù)）可以利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)任何網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)總線中的安全任務(wù)。為此，EtherCAT端子模塊中的數(shù)據(jù)（通過(guò) TwinSAFE SC 功能擴(kuò)展）被饋送到TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 中，在那里進(jìn)行安全相關(guān)的多通道處理。

然后在 TwinSAFE 邏輯端子模塊中分析、校驗(yàn)和評(píng)估來(lái)自各種來(lái)源的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)認(rèn)證的功能塊可用于實(shí)現(xiàn)此目的，例如縮放、比較/評(píng)估（1oo2、2oo3、3oo5）和限制。出于安全考慮，其中一個(gè)數(shù)據(jù)源必須是 TwinSAFE SC 組件。其余數(shù)據(jù)可以來(lái)自其它標(biāo)準(zhǔn) I/O、驅(qū)動(dòng)控制器或測(cè)量傳感器。因此，系統(tǒng)中的所有過(guò)程數(shù)據(jù)都可用于安全技術(shù)。TwinSAFE SC 技術(shù)從而在倍福系統(tǒng)領(lǐng)域中開辟了全新的可能性，并能夠簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)地將所有安全任務(wù)完全集成到現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)中。

借助 TwinSAFE SC 技術(shù)，它通?？梢赃_(dá)到相當(dāng)于符合 EN ISO13849-1 標(biāo)準(zhǔn)的 PL D /Cat.3 或符合 EN 62061 標(biāo)準(zhǔn)的 SIL 2。目前可以提供以下來(lái)自模擬量輸入、位置（角度/位移）測(cè)量和通信領(lǐng)域的 TwinSAFE SC EtherCAT 端子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：

– EL3124-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，4...20 mA，差分輸入，16 位

– EL3214-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，PT100（RTD），三線制連接

– EL3314-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，帶開路識(shí)別功能的熱電偶

– EL5021-0090：1 通道 Sin/Cos 編碼器接口端子模塊，1 Vpp

– EL5101-0090：增量編碼器接口端子模塊

– EL6224-0090：IO-Link 端子模塊

除此之外還有 EtherCAT 端子盒 EP3174-0092，它是一個(gè) 4 通道模擬量輸入端子盒（±10 V 或 0/4...20 mA，差分輸入，16 位），防護(hù)等級(jí)為 IP 67，可直接分散安裝在設(shè)備上。

使用 TwinSAFE SC 進(jìn)行安全等級(jí)測(cè)量的示例應(yīng)用（category 3，PL d）：它說(shuō)明了如何使用 TwinSAFE SC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)的液位測(cè)量。為此可以使用兩種不同的測(cè)量方法。首先，將一個(gè)帶 0...10 V 接口的超聲波傳感器連接到 TwinSAFE SC EtherCAT 端子盒EP3174-0092，其次是將一個(gè)帶 4...20 mA 接口的液位探針連接到標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 端子模塊 EL3152。通過(guò)安全 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 內(nèi)的 Compare 功能塊對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較或校驗(yàn)。

EtherCAT 端子盒 EP3174-0092 中的信號(hào)首先通過(guò) Scale 功能塊縮放，使得兩個(gè)信號(hào)具有相同的值范圍。隨后，信號(hào)通過(guò) Limit 功能塊進(jìn)行檢查。Limit 功能塊的結(jié)果和 Compare 功能塊的 IsValid 輸出通過(guò) Mon 功能塊使用，以切斷 K1 和 K2 觸點(diǎn)。另外，Scale 功能塊的 StuckAtError 輸出可以連接到 Mon 輸入。因此，可以檢測(cè)到不必要的信號(hào)凍結(jié)。說(shuō)的更明白一點(diǎn)，本概覽圖中并未顯示觸點(diǎn)控制，但用戶應(yīng)牢記在心。

使用 TwinSAFE SC 進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的示例應(yīng)用（category 3，PL d）：在這里，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)都配有溫度傳感器，其中一個(gè)帶 K 型熱電偶（連接到標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 端子模塊 EL3312），另一個(gè)帶 PT1000 測(cè)量電阻（連接到 TwinSAFE SC EtherCAT 端子模塊EL3214-0090）。通過(guò)安全 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 內(nèi)的 Compare 功能塊對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較或校驗(yàn)。

隨后，信號(hào)通過(guò) Limit 功能塊進(jìn)行檢查。Limit 功能塊的結(jié)果和 Compare 比較功能塊的 IsValid 輸出通過(guò) Mon 功能塊使用，以切斷 K1 和 K2 觸點(diǎn)。說(shuō)的更明白一點(diǎn)，本概覽圖中并未顯示觸點(diǎn)控制，但用戶應(yīng)牢記在心。

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