前言

運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的安全技術(shù)是機(jī)器安全控制的重要一環(huán)，在IEC62061/EN13849的規(guī)范中，關(guān)于運(yùn)動(dòng)控制的安全技術(shù)包含了多項(xiàng)，然而必須落實(shí)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(shí)際的應(yīng)用。事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域最為關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)，然而，關(guān)于安全，盡管少數(shù)專業(yè)人士對(duì)其較為了解，但大部分人對(duì)其理解仍然是局部和片面的，有幾個(gè)重要思想必須得以糾正，否則就會(huì)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(jí)認(rèn)證”這是一個(gè)典型的產(chǎn)品概念，某個(gè)產(chǎn)品的SIL3等級(jí)認(rèn)證僅代表這個(gè)產(chǎn)品滿足認(rèn)證所要求的電氣器件設(shè)計(jì)的安全要求，不代表系統(tǒng)的安全等級(jí)是SIL3，因?yàn)榘踩到y(tǒng)必須是一個(gè)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(gè)從系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、方案確定、設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真、運(yùn)行、升級(jí)、維護(hù)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(gè)管理思想在技術(shù)上的延伸，而非僅僅是一個(gè)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(gè)“生產(chǎn)運(yùn)行的管理系統(tǒng)”，而非一個(gè)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(bào)的投入

安全系統(tǒng)的另一個(gè)問題在于企業(yè)對(duì)于安全投入的忽視，因?yàn)?，安全系統(tǒng)總是被認(rèn)為投入而沒有大的作用，另外就是會(huì)增加成本而無法實(shí)現(xiàn)，事實(shí)上，安全系統(tǒng)會(huì)給企業(yè)帶來收益體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 2.1安全帶來的生產(chǎn)效率提升

對(duì)于安全系統(tǒng)而言，由于采用了新的安全設(shè)計(jì)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(jī)狀態(tài)下確保人身的安全，并同時(shí)確保了生產(chǎn)的連續(xù)性，人身安全對(duì)于企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)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(hù)重要的設(shè)備投資

對(duì)于重要的設(shè)備如注塑模具、擠出機(jī)螺桿、紡織機(jī)械以及包裝機(jī)械設(shè)備的高精度凸輪機(jī)構(gòu)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)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(cái)產(chǎn)損失。

1. 2.3安全技術(shù)突破技術(shù)壁壘與市場(chǎng)進(jìn)入的準(zhǔn)入證

對(duì)于未來，國(guó)產(chǎn)設(shè)備若想要進(jìn)入全球市場(chǎng)，安全技術(shù)會(huì)成為潛在的市場(chǎng)進(jìn)入壁壘，而安全技術(shù)將成為未來機(jī)器領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)壁壘，這是為什么歐美日本等機(jī)械制造發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)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(gè)市場(chǎng)考慮，因此，必須未雨綢繆地實(shí)現(xiàn)對(duì)安全技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

2.SafeMotion所涵蓋的范圍

運(yùn)動(dòng)控制的安全如同IEC61508所定義的思想，即，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的單獨(dú)安全并不代表整體的安全，功能安全一致性必須以整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)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(jī)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、安全編程、安全通信多個(gè)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(dòng)技術(shù)

驅(qū)動(dòng)的安全是為安全運(yùn)動(dòng)控制的核心，其基于安全的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(jì)要求，以確保運(yùn)動(dòng)過程的安全，本節(jié)將以貝加萊的SafeMOTION作為參考詳細(xì)介紹其中一些關(guān)鍵的功能及應(yīng)用實(shí)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(shí)現(xiàn)，直接的驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)接入，這是大多數(shù)驅(qū)動(dòng)和變頻器均具有的基本功能，STO功能用于阻止驅(qū)動(dòng)器非預(yù)期的重新啟動(dòng)，根據(jù)EN60204-1,5.4的規(guī)約，STO使得驅(qū)動(dòng)脈沖無效，并且切斷到電機(jī)的電源供應(yīng)(EN60204-1 0類急停)，這個(gè)狀態(tài)在驅(qū)動(dòng)內(nèi)部可以監(jiān)測(cè)。

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

對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用而言，必須確保機(jī)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(jì)。

圖1-STO安全扭矩切出功能

2.1.2SLS-安全限速（如圖2所示）

對(duì)于一個(gè)運(yùn)行中的機(jī)器，其動(dòng)能非零狀態(tài)即有潛在的危險(xiǎn)，但是，降低速度即可確保人體受到傷害的大幅降低，同時(shí)也確保設(shè)備不會(huì)被中斷運(yùn)行，因?yàn)?，?duì)于很多運(yùn)行中的設(shè)備而言，若重新啟動(dòng)可能意味著巨大的浪費(fèi)。首先是在制品的破壞損失，由于啟動(dòng)所需的準(zhǔn)備工時(shí)，例如紡紗過程、經(jīng)編過程就會(huì)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(gè)預(yù)先設(shè)置的限速，使得進(jìn)入安全區(qū)域或者為了安全檢修而進(jìn)入的低速運(yùn)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(duì)于機(jī)器比較常見，例如：經(jīng)編機(jī)或機(jī)器人操作空間通常采用光幕來確保當(dāng)人進(jìn)入工作區(qū)間時(shí)機(jī)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(gè)時(shí)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(duì)于基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可以在us級(jí)時(shí)間進(jìn)行指令的傳遞并在ms級(jí)時(shí)間里實(shí)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(cè)驅(qū)動(dòng)器到一個(gè)可編程的最大速度，四個(gè)不同的限制值可以被激活，在SOS情況下，速度設(shè)定點(diǎn)不自動(dòng)影響，在SLS激活后，更高級(jí)的控制必須使得驅(qū)動(dòng)在一個(gè)參考時(shí)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(dòng)的安全功能被激活并且運(yùn)動(dòng)由于負(fù)載慣量而沒有足夠快的停止，可以由整流器主動(dòng)制動(dòng)，這個(gè)集成的快速制動(dòng)功能取消了受磨損影響的機(jī)械制動(dòng)的需求。

圖3-SS1安全停車1

當(dāng)安全編碼器被檢測(cè)到失效，或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具有SS1的功能并被高一級(jí)的控制器激活SS1，對(duì)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(shí)即STO-切出扭矩，使得機(jī)器停車，應(yīng)用時(shí)必須考慮到斜坡到達(dá)時(shí)的制動(dòng)距離是否被計(jì)算為安全。

另外一個(gè)安全停車是SS2，不同于SS1是驅(qū)動(dòng)提供完全停止扭矩。

2.1.4SOS-安全運(yùn)行停車（如圖4所示）

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

對(duì)于紡織機(jī)械如特里科經(jīng)編機(jī)、細(xì)紗長(zhǎng)車、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的粗紗，以及印刷機(jī)的同步停車而言至關(guān)重要，因?yàn)?，這使得機(jī)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(jī)的復(fù)雜機(jī)械與電氣重啟時(shí)間。

圖4-安全運(yùn)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(jì)算值來激活或安全邏輯設(shè)計(jì)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(cè)到、編碼器失效值時(shí)該功能將被激活。

圖5.SLI-安全限定增量功能

安全運(yùn)動(dòng)控制模塊通過對(duì)編碼器位置進(jìn)行監(jiān)控，也同時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)于那些送料進(jìn)給或傳輸?shù)膽?yīng)用，通過監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)控制功能

除了以上幾個(gè)功能外，限于篇幅，其它不作細(xì)節(jié)介紹，僅為參考，以貝加萊(B& R )的SafeMOTION的功能設(shè)計(jì)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(dú)立于位置監(jiān)控速度限制，以確保驅(qū)動(dòng)器按照設(shè)計(jì)運(yùn)行，并能安全找到原點(diǎn)。

圖7-SLP-安全限定位置

安全限制位置SLP-這對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)的制動(dòng)，例如電機(jī)制動(dòng)，剎車控制電路是一個(gè)故障安全，兩通道設(shè)計(jì)，安全方向SDI確保不會(huì)產(chǎn)生因誤操作而造成的禁止的反轉(zhuǎn)，以確保機(jī)器與人員安全，限于篇幅不再贅述。

2.2編碼器與電機(jī)軸的連接監(jiān)測(cè)（如圖8所示）

圖8-編碼器與電機(jī)軸連接

安全運(yùn)動(dòng)控制必須考慮電機(jī)與編碼器之間的軸連接的潛在風(fēng)險(xiǎn)，包括對(duì)軸的連接滯后偏差、編碼器檢測(cè)的破損與滑脫的監(jiān)控，以確保運(yùn)動(dòng)控制的錯(cuò)誤并及時(shí)響應(yīng)。

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

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

2.3機(jī)器人的安全-SafeROBOTICS

機(jī)器人的安全與同步定位控制的運(yùn)動(dòng)控制不同，其安全設(shè)計(jì)也不同于其它安全功能，最早為機(jī)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(jī)器人提供了運(yùn)行操作空間的人身安全保證。

這項(xiàng)技術(shù)也被稱為SLS &TCP，即，對(duì)機(jī)器人末端中心點(diǎn)的安全速度限制，它并不簡(jiǎn)單的類似SLS功能，因?yàn)?，機(jī)器人的TCP速度并非由單個(gè)軸所定義的，而且，它的安全動(dòng)作也牽扯到機(jī)器人本身的計(jì)算，因此，它是一個(gè)更為復(fù)雜的安全設(shè)計(jì)，盡管從表面上看，它是降低速度來實(shí)現(xiàn)安全性。

機(jī)器人的安全是未來機(jī)器人大量使用時(shí)代必須考慮的因素。

3.安全設(shè)計(jì)與流程

安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵照嚴(yán)格的流程來進(jìn)行，并設(shè)計(jì)為每個(gè)環(huán)節(jié)的驗(yàn)證和確認(rèn)，否則將會(huì)導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)期的安全系統(tǒng)效果，在每個(gè)環(huán)節(jié)，均需參照國(guó)際IEC/ISO/EN標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，并由經(jīng)過認(rèn)證的安全工程師來進(jìn)行整個(gè)過程的監(jiān)控，以及具有資質(zhì)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)如TUV或SGS對(duì)整個(gè)安全過程進(jìn)行全程認(rèn)證。

3.1安全管理系統(tǒng)建立

基于IEC61508和EN62601標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)下列問題進(jìn)行定義：

● 識(shí)別所有機(jī)器及周邊安全相關(guān)的活動(dòng)；

● 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(yàn)證并確認(rèn)計(jì)劃

必須為機(jī)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(gè)角度說安全系統(tǒng)是一個(gè)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(yùn)營(yíng)管理的失效分析等方法與體系，其過程與管理運(yùn)營(yíng)控制遵循相同的管理理念與思想。

3.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

可參考的標(biāo)準(zhǔn)有EN ISO12100-1：

● 判斷機(jī)器可能造成的危害；

● 逐一評(píng)價(jià)已確定的風(fēng)險(xiǎn)（可能性、頻次以及避免危害的可能性、嚴(yán)重性）

這個(gè)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(xiǎn)評(píng)估的完整性、準(zhǔn)確性是安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的基礎(chǔ)保障。

3.3降低安全風(fēng)險(xiǎn)

降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，包括已有的安全設(shè)計(jì)方法，當(dāng)然，也包括更安全的設(shè)計(jì)以及更好的設(shè)計(jì)流程，對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)而言，相應(yīng)的安全保護(hù)措施也必須予以考慮，對(duì)于相應(yīng)的安全信息，從殘留風(fēng)險(xiǎn)管理角度來看，也包括機(jī)器本體上的安全警示標(biāo)簽、警示燈、報(bào)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(guó)際、行業(yè)、國(guó)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(duì)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(duì)應(yīng)IEC61508和EN13849，其安全等級(jí)有相應(yīng)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)與方法，可參考相關(guān)資料。

3.5設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的設(shè)計(jì)進(jìn)行定義，如SIL和PL，對(duì)失效、錯(cuò)誤響應(yīng)時(shí)間、安全距離、危害的頻次等等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)安全運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的功能塊、架構(gòu)與流程、編程并測(cè)試功能。

3.6驗(yàn)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(shí)危險(xiǎn)失效發(fā)生的可能性（PFHd）來衡量系統(tǒng)隨機(jī)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(xiàng)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(duì)于安全系統(tǒng)而言，整個(gè)安全管理系統(tǒng)建立、目標(biāo)設(shè)定、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試與驗(yàn)證所有過程必須制定嚴(yán)格的文檔管理系統(tǒng)，并經(jīng)認(rèn)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(rèn)為不滿足功能安全的要求。

3.8認(rèn)證符合標(biāo)準(zhǔn)

認(rèn)證部分是最為重要的，由第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、設(shè)計(jì)等所有的文檔、流程與規(guī)范、測(cè)試等全部進(jìn)行按照標(biāo)準(zhǔn)的審核，才可以簽字認(rèn)證通過，未經(jīng)認(rèn)證的系統(tǒng)不能稱為安全系統(tǒng)。

安全運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)過程，必須嚴(yán)格參考IEC61508、EN13849等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并與安全技術(shù)提供商、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、客戶共同來完成，本文僅作參考。

作者簡(jiǎn)介：

宋華振（1972-）男，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理、工程師，主要技術(shù)專長(zhǎng)為運(yùn)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)通信技術(shù)。

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

1996年8月，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司正式落戶中國(guó)上海，本地化的銷售與精湛的技術(shù)隊(duì)伍為中國(guó)客戶帶來更迅捷的服務(wù)響應(yīng)。十幾年來，貝加萊（中國(guó)）一直專注于為國(guó)內(nèi)用戶提供高品質(zhì)的自動(dòng)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(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機(jī)床、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)；以及過程自動(dòng)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(guó)際認(rèn)證，產(chǎn)品質(zhì)量、性能等受到了用戶的普遍贊譽(yù)，贏得了信譽(yù)。如今，貝加萊（中國(guó)）已成立了北京、廣州、濟(jì)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(guó)的大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。