西門子S120驅動系統安全集成功能在發動機生產上的應用

呂剛

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

西門子S120驅動系統安全集成功能在發動機生產上的應用

呂剛

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

本文介紹了西門子S120系列驅動器安全集成功能的基本知識和雙通道概念，實際應用中幾種常見類型的介紹：安全扭矩關斷功能、安全停止方式1功能、安全剎車控制功能。以外部接線端子激活方式為準講述使用環境介紹，如何設置相關參數，激活和取消這些安全集成功能。以發動機機加工行業輔機的常見機床應用為典型案例，介紹了電氣設計，參數設置，工作機理的流程和實現。

安全集成功能安全扭矩關斷安全停止方式1安全剎車控制

1 引言

隨著機械加工工業技術的進步，性能的不斷提升，發動機制造業采用的加工機床的零部件越來越精密緊湊、電氣控制系統的硬件技術和軟件技術集成度越來越高、加載使用功能日益豐富、用戶程序編程和參數設置功能也越來越強大，而從使機床的體積變得越來越小，而各運動軸的運動軌跡更加復雜和交疊。為了防止相關故障和非安全工況導致機床零部件的碰撞損壞，以及加強對機床操作和維護人員的安全防護，使用單位對機床的安全保護功能的要求也越來越高。西門子驅動系統在多代系列產品中，安全集成技術越來越可靠且富有成效。其安全測試和實際運行情況越來越好。本文采用西門子新一代驅動系統S120系列的CU310DP控制單元+PM340功率單元的單軸控制驅動系統在發動機制造行業機加工設備中的應用為例，研究如何使用其安全集成功能來實現對設備驅動軸的保護和對操作維護人的安全防護。運用典型工況加以說明。

2 S120驅動系統安全集成功能的基本知識

該安全集成功能使得應用于人機雙方的保護機制更高效地得到執行。與傳統的用驅動電源繼電器斷路，或者斷開驅動器使能信號來切斷軸的正常運行以保護操作人和設備的做法相比，它的安全保護機制響應速度更快，應用范圍更加柔性化，能采用的技術手段更全面、更合理。采用安全集成功能的S120驅動系統及其連接器件需要滿足如下標準：

EN 954-1/ⅠSO 13849-1的第三種類和ⅠEC 61508的第二級安全級。

S120驅動系統安全集成功能一個很重要的理論和應用基礎就是雙通道監控。在驅動系統中，相關的硬件和軟件功能是在2個獨立的通道中運行并同步監控的。這2個通道是伺服電機軸的控制單元，以及該伺服電機軸的電機單元或電源單元。監控的內容包括關閉路徑，數據管理和數據比較。當2個通道監控的狀態和數據不一致時，安全集成功能就會觸發這2個通道，使之都處于軸停止控制狀態而無法運行。所以在相關參數設置以及外部器件接入的信號判別方面必須保證這2個通道處于同步一致的狀態。監控時鐘循環周期規定了這2個通道的安全集成功能監控掃描循環周期。參數r9780為控制單元的監控周期，參數r9880為電機單元的監控周期。一般情況下這2個周期設置為最小值4 ms，這樣監控下的安全集成功能反應速度最優。

3 S120驅動系統安全集成功能的分類與實現

S120驅動系統安全集成功能有基本功能和擴展功能，功能實現各有幾種分類。基本功能是S120驅動器提供的模板功能，而擴展功能需要高級別的固件版本及特別授權。為了更有針對性和應用性，以下僅討論S120系列CU310DP驅動器以接線端子的方式實現基本安全功能。

3.1 安全扭矩關斷

安全扭矩關斷是從驅動器內部關斷扭矩裝置的動力單元。當該功能激活時，驅動器隨即處于安全狀態，驅動系統的控制單元和電機單元運行指令脈沖被禁止。在驅動器安全功能被取消和重新啟動之前，驅動軸不會因為機床給出指令而產生位移，確保機床安全。需要注意的是：該功能是切斷了驅動軸的內部電源供給，使軸處于無扭矩自由狀態，若有外力施加則可能使軸發生位移。該功能使能和激活的方法如下：（1）設置控制參數p9601.0=1，使能控制單元的接線端子安全扭矩關斷功能。（2）設置控制參數p9801.0=1，使能電機單元的接線端子安全扭矩關斷功能。（3）控制參數p9620.0為設置安全扭矩關斷功能激活的控制單元信號源，是一個互聯參數。可以設置p9620.0＝r722.0－r722.3為信號源，即CU310DP控制單元的X121.1至X121.4為輸入接線端子。而X121端口為控制單元的輸入輸出端口。（4）CU310DP接線端子X120.7（EP 24Ⅴ+）和X120.8(EP M)為安全扭矩關斷功能的電機單元信號源。這2個信號源必須同步通斷，以確保2個通道安全監控的一致性。當信號源輸入出現1變0的變化脈沖，該功能被激活。（5）狀態參數r9772.1=1為控制單元的安全扭矩功能已激活，狀態參數r9872.1=1為電機單元的安全扭矩功能已激活。

3.2 安全停止方式1

安全停止方式1是基于安全扭矩關斷功能基礎上更有效和更有控制性的安全停止保護功能。它的原理是：當該功能激活時，驅動器啟動電磁制動，使伺服電機以OFF3方式制動，當超過驅動器參數設置的時間后，伺服電機即進入安全扭矩關斷模式。OFF3是驅動器以斜坡方式減速制動的一種制動功能。以OFF3方式制動時，參數定義的時間到達時，伺服電機即制動完畢進入靜止狀態。

安全停止方式1基于安全扭矩關斷功能之上，使能該功能的前提是已使能了安全扭矩關斷功能。以下是該功能使能和激活的方法：（1）設置控制參數p9601.0=1和p9801.0=1，使能控制單元和電機單元的安全扭矩功能。（2）設置控制參數p9620.0為安全停止方式1激活的控制單元信號源?？刂茊卧碗姍C單元信號源的設置方法與安全扭矩關斷功能的相同。（3）控制參數p1135為OFF3斜坡下降時間，設置一個合適的數值。（4）控制參數p9652和p9852為控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間。從安全停止方式1激活起，至達到該功能延遲時間時，安全停止方式1取消，進入安全扭矩關斷狀態。這2個參數設置數值相同，最好略大于p1135，以確保該伺服電機能安全停止。

當狀態參數r9772.1=1和r9872.1=1時，安全停止方式1功能結束，進入控制單元和電機單元安全扭矩關斷功能激活的狀態。

3.3 安全剎車控制

安全剎車控制功能用于控制伺服電機的內部抱閘裝置。當該功能激活時，抱閘裝置的接通電流斷開，伺服電機被抱閘而剎車，即使在外力如軸機械裝置的自身重力驅使下也能保持停轉，從而保持電機處于安全停車狀態。安全剎車功能的硬件基礎是伺服電機帶內部剎車裝置，并且驅動器電機動力接口剎車線已接。與普通的驅動器檢測到硬件或軟件出錯后抱閘裝置自動關閉不同，該功能是雙通道控制。在期望的安全工況不滿足時，控制單元和電機單元同時觸發，激活安全剎車控制功能，確保機床安全。必須在安全扭矩關斷或者安全監控功能使能的基礎上該功能才能被激活，也就是安全剎車控制功能必須和其一起使用才有效。該功能使能和激活的方法如下：

（1）設置參數p9601≠0和p9801≠0，在本文討論的應用中，可設置p9601.0=1和p9801.0=1，即安全剎車控制功能和安全扭矩關斷功能同時使用。（2）設置控制參數p9620.0為安全剎車控制功能激活的控制單元信號源?？刂茊卧碗姍C單元信號源的設置方法與安全扭矩關斷功能的相同。（3）設置控制參數p9602=1，使能控制單元的安全剎車控制功能；設置控制參數p9802=1，使能電機單元的安全剎車控制功能。（4）設置參數p1215=1為順序控制剎車類型。參數p1215為伺服電機剎車類型。為了使安全剎車控制功能有效，該參數的數值不允許為0或者3。

狀態參數r9772.4為控制單元的安全剎車功能觸發請求，狀態參數r9872.4為電機單元的安全剎車功能觸發請求。

3.4 基本安全功能應用環境

這3個安全功能在驅動系統上能正常應用需要滿足一定的安全功能版本。對于控制單元和電機單元，最低的安全版本都是Ⅴ02.04.01。在狀態參數r9770和r9870中可以查看控制單元和電機單元的安全版本。

以上介紹的相關參數都是與安全相關的參數，需要在調試模式下進行更改。設置控制參數p0010=95為調試模式。輸入正確的密碼參數p9761的值后，就可以修改這些安全參數。修改完畢后將p0010改回原來數值并將設備關機再開機，設置好的安全功能即生效。

3.5 基本安全功能撤銷與驅動系統運行再激活

當安全功能觸發后，相應的軸處于停止運行的保護模式狀態。在這種模式下，該軸運行的驅動使能信號丟失，脈沖指令被禁止。重新使軸恢復運行前的準備完畢模式，需按以下步驟進行：

（1）取消控制單元和電機單元的安全保護功能信號源激活模式，即將這2個通道的信號源信號輸入狀態由0變為1。（2）給出驅動使能信號。（3）取消驅動器重新上電禁止指令并且重新上電。方法是：①ON/OFF1輸入信號源由1變為0，即取消驅動器重新上電禁止指令；②ON/OFF1輸入信號源由0變為1，即驅動器重新上電。

ON/OFF1信號源為互聯控制參數p840設置的內容。在驅動器正常運行時，信號源為狀態1。當出現下降沿時，會使驅動器沿斜坡函數發生器斜線進行制動并取消脈沖。為了使用靈活方便，一般設置信號源為驅動器的輸入端子，如p840=r722.2。

4 S120安全集成功能在機加工行業輔機中的應用范例

4.1 應用范例背景介紹

在發動機制造行業，除加工中心等數控設備外，還有很多輔機設備。比如PLC流水線設備、清洗機、座圈導管壓機、油道水道測漏機、缸孔缸套測量機等。這些設備會經常需要在某個區域、某個方向精準定位，進行工位動作。用西門子S120系列驅動器就可以很好地達到敏捷反應和高精度的定位要求。在此以機體缸孔缸套測量機為典型案例進行說明。它是以西門子S7-300 PLC為控制器，通過PROFⅠBUS總線與2臺CU310DP驅動器通訊。一臺驅動器控制X向即水平方向，水平移動機體至各個缸孔工位的測量位置，對應M1伺服電機；另一臺驅動器控制Z向即垂直方向，垂直移動測量機構至缸孔指定深度進行測量，對應M2伺服電機。由于M2軸為垂直軸，為了消除自重驅動軸位移的影響，軸的電機配備了抱閘。應用上文討論的S120驅動器安全集成功能，M1軸配置安全停止方式1安全功能，M2軸配置安全停止方式1+安全剎車控制安全功能。圖1為硬件及接線電氣圖。

4.2 相關驅動安全參數設置

4.2.1 M1軸

p9601=1、p9801=1：使能控制單元和電機單元的安全扭矩關斷功能；p9620.0=r722.0：設置安全停止方式1的信號源為控制單元的第一輸入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：設置軸減速的OFF3斜坡下降時間；p9652=500 ms、p9852=500 ms：設置控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間；p840=r722.1：設置ON/OFF1的信號源為控制單元的第二輸入端子DⅠ1，即X121.2；控制單元參數p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3 r/min：定義控制單元的輸入輸出端子X121.7和X121.8為輸出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8為安全扭矩關斷功能激活狀態信號，DⅠ9為軸轉速下降至低于3轉的準靜止狀態信號。

4.2.2 M2軸

圖1 安全集成功能應用電氣接線圖

p9602=1、p9802=1：使能控制單元和電機單元的安全剎車控制功能；P1215=1：設置電機剎車類型為順序控制剎車類型；p9601=1、p9801=1：使能控制單元和電機單元的安全扭矩關斷功能；p9620.0=r722.0：設置安全停止方式1和安全剎車控制功能的信號源為控制單元的第一輸入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：設置軸減速的OFF3斜坡下降時間；p9652=500ms、p9852=500 ms：設置控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間；p840=r722.1：設置ON/OFF1的信號源為控制單元的第二輸入端子DⅠ1，即X121.2。

控制單元參數p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3rpm：定義控制單元的輸入輸出端子X121.7和X121.8為輸出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8為安全扭矩功能激活狀態信號，DⅠ9為軸轉速下降至低于3轉的準靜止狀態信號。

4.3 安全集成功能觸發工作原理

4.3.1 急停按鈕觸發安全集成功能

圖1中3TK2825為西門子安全繼電器，使用及接線可參考其使用說明書。當急停按鈕S1被按下，Y11與Y12接口斷路，Y21與Y22接口斷路，即斷開了安全繼電器的接觸器使能，從而使繼電器處于斷開狀態。Y13與Y14和Y23與Y24的觸點同步斷開。由圖1可見，Y24接線通向M1軸驅動器和M2軸驅動器的安全功能電機單元觸發信號源接口，Y14接線通向M1軸驅動器和M2軸驅動器的安全功能控制單元觸發信號源接口，于是觸發了M1軸和M2軸各自設置好的安全集成功能。PLC控制器輸入點DⅠ3和DⅠ4可讀取各自驅動器DO8的狀態，得知兩軸處于安全可靠的停車狀態。4.3.2安全門打開觸發安全集成功能

圖1中的門鎖單元采用Euchner公司的EUC安全繼電器。按下按鈕S3請求打開機床安全門，PLC控制器的DⅠ2輸入點接收到一個0信號狀態后，PLC程序復位其輸出點DO2信號狀態為0。由于安全繼電器的Y13和Y23接口的接線來自于DO2，當DO2狀態為0后，Y14與Y24接口各自通向的M1軸和M2軸的控制單元、電機單元安全集成功能信號源被觸發，M1軸進入安全停止方式1至安全扭矩關斷狀態，M2軸進入安全停止方式1至安全扭矩關斷+安全剎車控制狀態。當兩軸的速度下降到零速時，當各自驅動器的輸出信號DO9輸出狀態1送至PLC的輸入信號DⅠ5和DⅠ6，并且當PLC的DⅠ3和DⅠ4信號也接收到了安全扭矩關斷狀態信號時，PLC程序置位其輸出信號DO1，安全門繼電器Q1得電，用戶就可以打開安全門進入機床區域。安全門打開后，安全門繼電器觸點斷開使安全繼電器3TK2825處于使能斷開狀態。

4.3.3 各軸到達位置極限觸發安全集成功能

如圖1所示，當因意外情況使M1軸和M2軸的運動超程，壓到各自正負硬極限開關的任意一個時，即LS1、LS2、LS3、LS4中任何一個開關處于斷開狀態時，極限安全指示燈LP1熄滅，PLC輸入點DⅠ7輸入狀態為0后，PLC程序復位其輸出點DO2，即DO2輸出狀態為0。由于DO2是M1軸、M2軸的電機單元和控制單元的信號源，故安全集成功能被觸發，軸進入到安全停車+安全剎車狀態，防止機床軸在意外情況下繼續運動導致機床損壞。

當讀取到兩軸的安全扭矩關斷信號時，PLC控制器啟動一個脈沖來復位其輸出點DO3，使軸的ON/OFF1信號為0，允許驅動系統重新上電。

4.3.4 驅動系統重新上電運行

準備條件：（1）當兩軸壓到某個硬極限開關時，關閉極限切除開關KS1，使極限安全指示燈LP1亮，PLC輸入點DⅠ7狀態為1。若兩軸位置都在硬極限范圍內，PLC輸入點DⅠ7正常，狀態為1。（2）確認安全門在關閉位置。（3）急停按鈕S1已釋放。當上述條件滿足后，啟動驅動器上電運行。方式是：按下機床安全上電按鈕S2，PLC置位其輸出點DO2，給3TK2825的Y13和Y14接口提供電源。同時復位其輸出點DO1，使安全門繼電器失電，安全門鎖上。為適應3TK2825的工作原理，PLC輸出點DO1并聯了一個延時1秒斷開繼電器KM1。因此一秒后3TK2825的Y33和Y34出現短路脈沖，啟動其接觸器的線圈和觸點，進入正常運行，Y14和Y24接通電源，兩軸的雙通道安全集成功能信號源的觸發信號被取消。PLC控制器隨即啟動一個脈沖來置位其輸出點DO3，使系統重新上電。至此重新上電的按鈕S2可松開，驅動器恢復到正常運行模式。

5 結束語

與其他公司的驅動產品和西門子前代的產品相比，應用了安全集成功能的S120系列驅動器在對機床和操作者的保護方面更可靠、更完善，反應速度更快，應用手段更豐富。機床設計者在程序設計和部件接線方面也更加方便快捷和簡單。安全集成功能使發動機制造工行業中輔機的使用更加安全可靠，因此具有推廣的使用價值。在機床的設計和維修層面，本文中的介紹提供了一些方法和思路，供參考借鑒。

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圖3 平均行駛功率與整車速度對應擬合計算結果

3 結論

（1）本文分析對比了國標GB/T19055-2003中400 h交變負荷試驗與規范A 400 h可靠性試驗規范的試驗工況。可見，在代表機械疲勞總數的累計轉動次數上國標與規范A在400 h可靠性試驗上都能進行有效考核，同時規范A稍微略多于國標。

（2）代表發動機熱負荷狀態的單位小時輸出功、折合車速及行駛里程，規范A則稍低于國標的要求。

（3）通過分析，規范A耐久和國標耐久各有考核的重點。作為乘用車整車開發過程中發動機的考核標準，除考慮疲勞、強度等因素外，還有動態相應性等。如何進行選擇需要綜合考慮并與自身開發目標相匹配。本文則在側重常規疲勞、單位強度及時間周期累計方面進行總結，得到了一種汽油發動機可靠性試驗規范的對比選擇方法，對可靠性試驗規范的選擇有一定的指導作用。

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The Application of Siemens'S120 Drive System Safety-Ⅰntegrated Function in Assistant Machines in the Engine Manufacture

Lv Gang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The article introduces the basic knowledge and doubt-channel conception of Siemens S120 drive system safety-integrated function.There are several common types in actual application:safe torque off function,safe stop1 function,safe brake control function.Ⅰntroduction is made only on using of external connection terminal to activate safe function,including application background,how to set correlative parameters,how to activate or cancel these safe integration functions.Electric design,parameter setting,flow and achievement of working principle are illuminated by taking application of such system in assistant machines in engine manufacturing industry as typical example.

safety-integrated function,safe torque off,safe stop 1,safe brake control

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.012

來稿日期：2014-04-24

呂剛（1978-），男，工程師，主要研究方向為發動機生產設備的維修及維護。