过去,运动控制和安全控制完全是分开的,各自有着一套相对独立的控制系统回路。
那时,运控设备的安全意味着:当有人进入机器或按下紧急停止(E-Stop)按钮时,应立即切断电机或/和执行机构的动力电源。
而今天,安全则意味着在防止人员受到伤害的同时,减少设备故障停机时间,保障机器的顺利运行和正常的生产流程,确保运营效率的提升。
在这个过程中,需要基于设备各个特定区域的安全控制需求,使用一些可以检测机器故障和异常(通常由一系列参数定义)的传感器、控制系统和执行机构。
设备对于安全故障的响应,其范围可以从彻底的断电停止运行,到切断驱动系统动力电源,也就是我们熟知的安全扭矩关断(STO);
也可以是在操作员控制下的点动或慢速运行,例如:借助安全速度控制实现设备在低速不停机条件下的维修和保养...
同时,由于不同设备之间或者同一台设备的不同工位之间,其所面临的安全风险以及其所需的安全性能,都是有着一定的差异的,因此有关设备安全性的定义,也就非常取决于我们所面对的设备(控制)对象,是因“人”而异的。
在某些情况下,安全意味着机器会在检测到人员进入危险区域的同时,停止动作以防止其受到伤害;
而在另外一些情况下,安全则包括一整套能够为设备各执行机构提供急停/闭锁/限速...等控制能力的电气控制系统回路,以防止其因维修或维护操作需要进入危险区域而带来的非计划性故障停机。
简单来说,机器安全的核心可以归结为以下三个基本概念:
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冗余
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多样性
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监控和自检能力
冗余
如果在系统中使用的元器组件本身不具备足够的安全性,同时它们又对设备安全功能起到至关重要的作用,那么可以通过复制这些组件、线路或系统的方法使其达到一个相对合适的安全水平。
这样,在一个组件发生故障的情况下,另一个组件仍然可以正常执行该功能,从而防止单点故障对系统安全性产生的影响。
例如:使用双重电路的传感器;或者在检测运动速度和位置时使用双反馈回路(如上图)…等等。
多样性
是指通过在关键任务中使用多种技术,进一步降低由于共模(或相同)故障导致安全功能损失的风险和可能性。
例如:在检测同一个物体运动位置时同时使用两种不同类型输出和接口协议的编码器(如上图);或者在将安全传感器接入系统时,同时使用 NPN 和 PNP 两套检测信号;在处理安全任务时使用不同系列或类型的处理器或控制器、继电器、存储介质、编程语言和软件来执行相同的功能。
当然,除了技术原因,共模故障也很可能源自于设备系统的应用实施。例如,如果安装方法不正确,采用双编码器是不会带来任何好处的,因为在这种情况下,故障或危险动作仍然是有可能发生的,而操作人员对此却很可能完全不知情。
监控和自检
是设备系统实现自我检测的方法。
例如:可以使用看门狗定时器,或通过将两个通道的信号相互比较的方法在软件中构建自检逻辑。
再比如,在物体运动过程中,双编码器反馈电缆断开,此时它们的位置数据反馈会在同一时间停止,而产生的错误可能是“运动停止”,也有可能是“无通讯连接”。这种情况下,就需要通过自检和对传感器开关的实时诊断去监控现场环境的实际情况。
简单来说, 冗余是指相同技术的重复复制;多样性是说在复制(元件、回路或系统)时使用两种不同的技术;监控和自检则是设备状态的检查和自诊断,然后根据状态结果采取适当的措施。
上面这三个原则的实施,是从设备生产流程和运行环境的监测输入信号开始的;
然后去到设备的系统控制架构,根据输入信号和预设的逻辑定义不同区域的安全动作;
再到运动执行机构,如伺服驱动器、变频器...等等,以确保最终的设备动作运行流程是完全按照设计要求完成的。
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