安全編碼器是啥玩意兒
發(fā)布時間：2017-12-28 來源：智造商
我們知道，在機(jī)器設(shè)備中一套完整的安全控制系統(tǒng)需要包括：安全檢測元件、安全控制機(jī)構(gòu)和安全的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
安全檢測元件，如：安全區(qū)域掃描儀、安全地毯、安全光柵...等，用于感知是否有人員進(jìn)入到了運(yùn)動設(shè)備的潛在危險(xiǎn)區(qū)域；
安全控制機(jī)構(gòu)，如：安全控制器、繼電器，用于處理系統(tǒng)的安全邏輯，對人員面臨的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行辨識，并按照預(yù)設(shè)的安全策略向動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的安全動作指令。
安全的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安全變頻器、安全伺服驅(qū)動器、安全氣動元件...，依照控制器發(fā)出的指令執(zhí)行所需的安全動作，如：減速、限速、停止或切斷動力輸出...等。
而在設(shè)備運(yùn)行過程中，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否已經(jīng)按照要求做出適當(dāng)?shù)膭幼鞣磻?yīng)，以及執(zhí)行結(jié)果是否達(dá)到要求，例如：是否停下來了，是否在速度限值范圍...等等，這些，就是安全編碼器需要做的事情了。
所以，簡單的說，安全編碼器的作用，就是為設(shè)備的安全運(yùn)動提供可靠的位置和速度反饋，配合安全控制系統(tǒng)完成所需的安全功能。
為了方便大家理解，咱們先來看幾個典型的應(yīng)用場景：
1. 安全停止
當(dāng)操作人員的身體進(jìn)入設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域時，需要確保機(jī)器動作處于停止?fàn)顟B(tài)。安全控制器會根據(jù)安全光柵等檢測元件感知到的信號，判斷是否有人員已經(jīng)進(jìn)入所規(guī)定的危險(xiǎn)區(qū)域，如果是，那么控制器就會向變頻器、驅(qū)動器和液壓動作機(jī)構(gòu)發(fā)出停止運(yùn)行的指令。
但如果在這個安全指令的執(zhí)行過程中，編碼器檢測到運(yùn)動機(jī)構(gòu)沒能在規(guī)定時間內(nèi)停止，或者它們在人員仍處于該區(qū)域時出現(xiàn)異常動作，那么控制器就會立即向動力組件發(fā)出指令切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力電源輸出（STO）。這樣做的好處在于，不需要在每次有人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行操作時都切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力電源，可以在兼顧人員操作安全性的同時，確保設(shè)備的運(yùn)行效率。
2. 安全限速
在某些情況下，運(yùn)維人員是需要進(jìn)入設(shè)備危險(xiǎn)區(qū)域?qū)φ谶\(yùn)轉(zhuǎn)的部件進(jìn)行故障處理、檢修保養(yǎng)...等操作的。
例如，上圖中所示，操作人員需要一邊手動控制設(shè)備的慢速運(yùn)行，一邊完成對油墨滾筒的清理工作。此時，設(shè)備系統(tǒng)就需要以安全速度限制的控制模式運(yùn)行。如果設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常，如：速度超出限值、或者人員意外受到傷害，那么就必須立即切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如：驅(qū)動器...）的動力輸出，以保護(hù)人員安全。而這其中就需要使用安全編碼器（或安全電機(jī)反饋）為安全控制系統(tǒng)準(zhǔn)確提供各運(yùn)動部件的實(shí)時速度反饋。
3. 安全速度控制
有些設(shè)備在工作時須能夠根據(jù)其周圍人員所處位置的危險(xiǎn)程度，自動靈活的調(diào)整其本身的運(yùn)行速度。
例如，AGV 小車在行進(jìn)方向上，如遇到有人靠近并進(jìn)入其減速距離范圍時，應(yīng)能夠自動按照要求減慢速度，而若是有人員進(jìn)入危險(xiǎn)距離，還必須能夠及時停止。也就是說，AGV 需要根據(jù)人員靠近距離的不同，靈活調(diào)整其行進(jìn)速度。
而如果要在這里完成可靠的安全速度控制，也是需要使用安全編碼器來作為其閉環(huán)反饋的。
...
類似的應(yīng)用場景還有很多，篇幅關(guān)系，這里就不一一列舉了。
不過總的來說，在機(jī)器安全控制系統(tǒng)中，十分有必要使用安全編碼器作為電機(jī)、負(fù)載或/和傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動反饋，來幫助完成對設(shè)備部件動作狀態(tài)的閉環(huán)監(jiān)測。盡管安全控制器或/和集成安全的驅(qū)動器...等安全產(chǎn)品都能夠?qū)崿F(xiàn)對安全控制流程的管理，但如果沒有安全級別編碼器作為可靠的動作狀態(tài)反饋，它們的功能其實(shí)是受限的。
其實(shí)從理論上說，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)編碼器也是可以用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動安全的反饋功能的，但卻必須證明其在每種情況下都能夠達(dá)到所需的安全性能水平。 而這就得具備非常詳細(xì)的產(chǎn)品知識，通常需要得到產(chǎn)品服務(wù)商或/和制造商的支持。 尤其是對于單編碼器系統(tǒng)來說，需要排除運(yùn)動負(fù)載和編碼器之間的耦合故障，這一點(diǎn)十分關(guān)鍵。
相比之下，使用安全編碼器就要簡單得多，因?yàn)樗鼈兌际欠咸囟ǖ陌踩珮?biāo)準(zhǔn)的，所有必要的安全相關(guān)信息都已經(jīng)是現(xiàn)成的了，例如：我們之前提到過的 Kinetix VPC 系列電機(jī)中使用的 HIPERFACE DSL 伺服反饋就已經(jīng)達(dá)到了 SIL2/PLd 級別的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。
那么，和普通的編碼器相比，安全編碼器有什么特別之處呢？
首先，從外觀上看，安全編碼器會采用比較堅(jiān)固耐用的外形設(shè)計(jì)，有著比較出色的環(huán)境防護(hù)等級，尤其是抗沖擊和振動方面通常都會有著很不錯的表現(xiàn)。
其次，安全編碼器與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接必須是充分可靠的。大部分安全編碼器的輸入軸都會采用平鍵或切面的機(jī)械連接鎖合方式；而如果是盲孔/通孔空心軸型編碼器，通常也都會配備增強(qiáng)型夾緊環(huán)。
信號輸出方面，很多安全編碼器，尤其是安全伺服反饋，都會提供兩個通道的位置反饋，以幫助安全控制器或集成安全驅(qū)動系統(tǒng)對編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 循環(huán)冗余校驗(yàn)。例如：傳統(tǒng) HIPERFACE 反饋協(xié)議編碼器就已經(jīng)提供了 Sin/Cos 兩組反饋信號；而我們之前介紹過的 HIPERFACE DSL 協(xié)議編碼器，則是在一般位置變化量的基礎(chǔ)上，將兩組安全位置數(shù)據(jù)集成在了其高速數(shù)字化反饋通道中，從而實(shí)現(xiàn)了安全級別的伺服反饋。
此外，安全編碼器不僅能夠向設(shè)備提供位置反饋，還會對編碼器內(nèi)部的信號檢測狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，例如：Sin^2 + Cos^2 = 1 檢測、數(shù)據(jù)傳輸幀技術(shù)、供電電壓/傳感器電流/環(huán)境溫度監(jiān)測、運(yùn)行時間計(jì)數(shù)、故障狀態(tài)...等等，并通過模擬量、開關(guān)量或者數(shù)字通訊端口（如： HIPERFACE DSL）將其輸出反饋給設(shè)備安全控制系統(tǒng)，這其中數(shù)字化反饋的優(yōu)勢在于能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供更多更全面的診斷狀態(tài)信息。
而有些安全編碼器的雙安全位置反饋輸出是由其內(nèi)部兩套冗余傳感和診斷元件檢測生成的，這種 1oo2 的雙檢測回路安全架構(gòu)能夠幫助編碼器元件達(dá)到 SIL3 級別的安全標(biāo)準(zhǔn)。
上面提到的這些在安全編碼器內(nèi)部可能會用到的技術(shù)元素，都是可以在一定程度上幫助其提升產(chǎn)品的可靠性和安全性的。編碼器廠家通常會基于已所采取的安全技術(shù)措施，按照一定的安全標(biāo)準(zhǔn)為其編碼器產(chǎn)品標(biāo)稱相應(yīng)的安全性能指標(biāo)，即：PFHd 值 / 每小時危險(xiǎn)失效概率。
不過，值得注意的是，設(shè)備系統(tǒng)的安全等級是取決于其中可靠性級別最低的元件的。因此，將一只具備較高安全級別（如：SIL3）的安全編碼器接入安全等級較低的控制器/驅(qū)動器，是無法讓系統(tǒng)也達(dá)到同等高級別的安全性能的。
如果運(yùn)控機(jī)構(gòu)中使用了帶有安全反饋的電機(jī)，則需要為其配備具有集成安全功能的變頻/伺服驅(qū)動單元。而如果該運(yùn)控系統(tǒng)的伺服反饋使用的是數(shù)字式通訊協(xié)議（例如：HIPERFACE DSL），那么只需要借助驅(qū)動器和電機(jī)之間唯一的一根兩芯動力線纜的連接，即可以實(shí)現(xiàn) SIL2 以上的安全反饋。
對于那些并不具備安全反饋的電機(jī)傳動系統(tǒng)，就有必要在運(yùn)動機(jī)構(gòu)中使用單獨(dú)的安全編碼器產(chǎn)品了，然后須將其輸出信號接入安全控制器/系統(tǒng)中的安全反饋接口模塊。這種做法比較適合用于一些老式伺服運(yùn)控系統(tǒng)的安全升級改造，或者普通異步變頻傳動系統(tǒng)的安全集成，如：AGV 小車、物流傳輸系統(tǒng)、起重行車設(shè)備...等等。