基于伺服電機的安全控制系統設計

文斌

（華生電機（廣東）有限公司，廣東 深圳 518125）

0 引言

隨著國內產業轉移和升級，國產機電設備逐步進入了歐美市場。歐美國家針對進入市場的機械設備，頒布了具體的安規標準，符合標準，才準許進入其市場。同時，這些機械設備，如CNC 加工中心、注塑機，通常是在高速、高壓、高溫的環境下運行，安全運行一直都是必須考慮的重要因素。如何在滿足安規的條件下，確保機器運行和操作者處于安全狀態，同時又不影響生產運行和產品質量，這就對設備的安全控制系統提出了更高的要求。作為機械設備的核心控制部件，電機尤其是伺服電機在安全控制系統中扮演重要的角色，結合伺服電機來設計安全控制系統，提高設備的安全等級，使其高效、穩定、安全地運行，成為了設備安全控制系統研究的一個主要方向。

1 安全控制系統思想

圖1 傳統安全措施運行流程

圖2 安全系統運行流程

工業生產中傳統的安全保護措施是通過切斷產生危險的能量源（如電源）、停止生產來保護在危險生產區域的工作人員。具體流程如圖1 所示。缺點是：在確保安全的同時，中斷了生產，無法使安全和高效統一。因此，通過重新定義安全，引入安全控制系統，可實現安全和效率的統一。

EN 61508［1］標準中定義的安全概念是一個相對安全的概念，即安全是“不存在不可接受的風險”［1］。它認為，當一個系統整體風險降低到可容忍或者可接受的區域時，這個系統就是安全的。這樣，安全問題就轉化為風險問題，若風險可控，安全就可控，并通過安全系統來控制風險，降低風險，提高安全性，實現安全和效率的統一。具體如圖2 所示。

2 基于伺服電機的安全控制系統

基本過程控制系統，提供了最低等級的保護，降低了生產裝置中可能存在的風險。如果基本控制系統不能將風險降低到可容忍的風險等級以內，就需要增加安全控制系統，將風險降低到可容忍的風險等級以內。圖3 是基于伺服電機的安全控制系統框圖。從圖中看出，安全控制系統與機械運動組件、伺服電機系統一起形成安全反饋系統。

圖3 基于伺服電機的安全系統框圖

作為基本控制系統和安全控制系統的核心部件，伺服放大器配置有可以接受安全信號的安全接口來實現安全功能。EN 61800-5-2［2］標準中定義了多種經驗證過的實現電機安全功能的方法，如表1 所示。可選擇表1 中一種或幾種安全功能的組合，構成安全控制系統。下面，以松下伺服電機為例，結合其它部件，設計一套安全控制系統。

表1 IEC61800-5-2 中所列部分安全功能

3 松下伺服電機的安全控制系統設計

松下A5 系列伺服電機推出了基于STO 模式的恒轉矩關閉安全功能［3］。其基本原理是在安全輸入信號的回路（硬件）中，通過強制性地關閉伺服驅動器內部的功率晶體管的驅動信號而關閉電機電流，將電機的輸出力矩關閉，實現安全功能。圖4 是恒轉矩關閉功能安全電路原理圖［3］。表2 為相應安全接口信號分配［3］。圖5 是從異常狀態進入安全狀態的工作時序圖［3］。圖6 是從安全狀態恢復到正常工作狀態的工作時序圖［3］。

圖4 恒轉矩關閉功能安全電路原理圖

表2 功能安全相應接口信號分配

圖5 進入安全狀態的工作時序圖

通常使用安全控制器來配合STO功能進行安全控制。歐姆龍的安全繼電器單元G9S-301［4］是 符 合 歐 洲規格EN954-1 所要求的安全等級4的安全器件，其內部已經具有安全控制中所要求的冗余設計、自動檢測、單一故障檢測和短路保護檢測功能。下面以 G9S -301 為例，說明如何使用安全控制器進行安全控制。圖7 是安全控制器與STO 接口的連線圖。圖中T31/T33 與安全監控接口EDM+/EDM-串聯連接，形成了監控回路。S14/S24 與安全輸入接口SF1+/SF2+連接，SF1-/SF2-連接至電源GND。進入安全狀態，安全控制器工作，安全輸入SF1+/SF2+電平變化，伺服驅動器檢測到異常，關閉內部的功率晶體管的驅動信號，關閉電機電流，關閉電機的輸出力矩，電機停止工作，安全監控信號輸出，進行安全監控。當從安全狀態恢復到正常工作狀態時，安全監控信號檢測，安全控制器啟動，安全輸入有效，打開內部驅動信號，伺服準備輸出，接通輸入，電機通電運行，進入正常工作狀態。

圖6 從安全狀態恢復到正常工作狀態的工作時序圖

圖7 連接安全控制器配合使用安全功能

4 結語

本文首先說明了安全和風險的關系，引申出應用安全控制系統進行設計的基本思路，介紹了伺服電機安全控制的方法，并以松下伺服電機為例，說明了如何利用安全控制器配合STO 功能搭建安全控制系統。隨著新思路和新技術的不斷涌現，構建更安全可靠的電機控制系統的方法也會層出不窮，如利用無線通訊進行遠程安全控制等。這些新技術的應用會促進安全控制新思路和新理論的誕生，但安全、可靠、高效、操作方便的安全控制系統始終是安全設計發展的方向。

［1］EN 61508：Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety related systems［S］.

［2］EN 61800-5-2：Adjustable speed electrical power driver system-Part 5-2 Safety Requirements-Functional［S］.

［3］深圳市入江機電設備有限公司.Panasonic 使用說明書（綜合篇）［M］.

［4］歐姆龍自動化（中國）統轄集團.安全產品綜合樣本2007［M］.