安全的运动控制

    iemens Energy & Automation的市场开发部和工业标准部经理J.B.Titus说：“运动控制工业正在发生巨大的变化，新标准应运而生，这将为机械操作者带来新的安保方法。”这一切正在发生。
　　
    旧方法—自动机械安装的点对点式布线连接安全系统——比光纤差，容易出故障，维护费用高；
　　
    新方法—集成在机械控制系统中的基于标准工业网络的安全网络——更有效、不易引发危险。
　　
    它的安全功能是这样作用的：
　　
    X博士向客户演示大型定制质子加速器，他并没有打开高电压能量束的电源供给，只是显示双等离子管质子枪能以60KeV的电压射出150mA的质子束。
　　
    150mA、60KeV意味着9000W的质子束——如果没有水冷却的话，它足够将质子束的不锈钢管壁烤得红热。X博士在预热系统时候解释说：“当然，我们安装了连动装置，来确保在没有水冷的时候，操作人员不能打开质子加速器。”
　　
    不幸的是，他紧跟着就补充道：“在最后一次装配和测试时，我们放弃了连动装置，在安装和测试区，采用智能安全设备而不是连动装置。”
　　
    他刚说完，人群就被巨响吓到了，六个12英寸的气动真空阀关闭了，紧接着是警笛声，因为真空系统感测到了质子束的热量熔化了真空密封装置中的铜。
　　
    如今自动化设备的安装比那些粗糙的半人工的控制系统要复杂的多，以前他只带有几是个传感器，现在的自动生产线上可以带有几百个传感器。连接在控制器上的简单的连动开关已经无法胜任这些工作。
　　
    在通常使用中，这些连动装置是很有效的，但是在安装和维护时就不那么有效了。特别是在故障处理时，他很难起到作用，而此时正是急需它起到作用的时刻。

模拟点对点安全系统可以制造出一个铜线鼠巢（红色部分），用于引入传感器信号到达运动控
制器和驱动，达到出错时自动切断的目的。

急需改变
　　
    Molex分公司Woodhead的总经理Edmund Nabratzky说：“人们一度认为如果你要确保安全，就不得不把一根硬铜线穿过导管，再用螺帽压紧。你需要一个电工专门做这件事，而且每次你要增加一个停止按钮或一个安全栅的时候，你都需要再引出一条硬铜线，直接连到面板后面。”
　　
    这些做法，在很长的一个时间段内，被认为是确保安全的唯一方法。事实却完全不是这样。
　　
    Nabrotzky报告说：“在实际安装中我们注意到了，这些器件很容易产生故障。他们的机械特性使他们不可避免地容易粘连和磨损，随之而来的，是连接变得不可靠，经常出问题，安全系统也就无安全可言了。”
　　
    “我们也同样发觉这些器件很麻烦，当系统中某处发生了错误，整个条线都瘫痪了。而且对于关键安全环节和非关键环节的区分是没有什么捷径可循的。通常的解决方法是系统停运，等待发现故障的所在，然后获得授权，重新设置。”
　　
    Bosch Rexroth公司驱动和控制分公司的自动化和机床分部经理Karl Rapp指出：“机械的运转越来越快，而人的反应速度是不变的，所以例如门限和开关的老方法（通过打开门限或按紧急停止开关来关闭系统）就不足以完成 机械控制了。”
　　
    在20世纪80年代，机床的加速度通常是0.2到0.4G。如今，机床的加速度可以高达1到2G。而且，系统复杂，加工昂贵。在需要打开门限或按急停按钮时的任何犹豫都回队设备造成损坏。除此之外，如果你只是切断电源，设备的减速会很不协调。
　　
    Rapp继续道：“然后，人们将延时继电器引入，如果你按了急停按钮，转轴会减速，关键轴同步停止，这样控制者就有机会进行调整。”
　　
    故障需要清除，系统需要工作，工作人员需要检验是否所有的轴都就位。视觉校正可以用来移动相应的轴，但是在门限外部视觉校正有可能无法实施。
　　
    这导致重复的工作，调整、关闭门限、重置控制器、系统上电、系统慢行，系统断电、打开门限进行检查，这个过程一直反复循环知道校准结束。最好的情况是，此过程只是令人觉得厌倦而已，最坏的情况是，操作人员使安全特性失效。

网络安全系统使用现有的高速数据网络来承载安全信号和控制信号。
智能传感器可以发送状态信息和出错信息。

新标准
　　
    现代机械安全技术在欧洲发展的很完善，正在向世界其它地方扩张，它包括两个基本组件。
　　
    安全网络是基于标准机械控制网络的安全性版本，例如CANbus，加上协议的特征，使之能够可靠地承载要求安全的信号。
　　
    集成安全的概念是将安全特性集成于控制器和驱动软硬件中，例如可以将机器速度减慢至人类速度的能力。
　　
    Rapp回忆道：“在90年代中期，很多最终用户致力于推进系统的安全化，这使得设置和恢复变得安全了。我们开发了一种双通道策略，控制器在一个通道上，驱动器在另一个通道上。连接到驱动器上的指令变成了数字信号，这样控制器上的I/O通道就变成了安全通道。”

    需要重点强调的是I/O接口，它从点对点的模拟信号连线转变成了数字信号总线式结构。这很大程度地减少了连接的数量和指令的数量。
　　
    任何信号系统都为每一个传感器提供2部分信息：传感器输出值和传感器编号。在点对点的模拟系统中，模拟电压和电流承载着这个输出值，但是传感器编号是由电压线承载的。在串行总线通信中，这两部分信息都出现在同一组数字信号段中，使用相同的指令集。模拟连线的复杂度和传感器数量成正比，而数字总线连线的复杂度是恒定的。例如CANbus，两条线就足以承载所有的信号，不管传感器的数量是2还是20。
　　
    Rapp回忆道：“很多欧洲供应商开发数字总线系统，在无需关断电源的情况下提供安全运动。例如，德国80年代时，针对电控机械，已经出现了很多机械安全标准。”
　　
    欧洲的OEM厂商通过向美国出口这种系统将安保技术带入了美国，但是却并不很受欢迎。一些美国的最终用户做了些本土化的修改后加以使用，一些最终用户干脆将一些功能关闭。他们不喜欢这种安全运动系统的原因是他们每次开门，系统都会被内部联动装置关断一次。
　　
    在过去的几年里，这种状况开始改变了。在美国和欧洲标准统一上所做的努力让美国工业界开始重新重视电控运动设备的安全标准。
　　
    国际电工委员会（IEC）是这种努力的先驱。作为IEC正常工作的一部分，现行标准IEC61508现在被修订了。欧洲模式的安全系统将被加入其中。点对点连线系统会被排除在外。美国作为IEC的成员国，会采用新标准。1到7部分的最终草案将在2008年1月份国家委员会内投票，最终版本将在2008年5月份发布。

不只是方便
　　
    Woodhead公司的Nabrotzky说：“网络所做的并不只是节省了布线和安装上的开销，它同样开创了一个新世界，它将外部诊断技术和其他功能引入系统，这些功能对于传统的标准二进制信号是根本不可能实现的。如果一个设备除了问题、如果摄像头的镜头脏了、如果流量被粘连的阀体阻断，这些诊断信息可以打包成复杂的数据报，通过网络传输，这使得网络很有价值。”
　　
    过去你有两个控制器：安全控制器和运动控制器，安全控制器负责控制所有的安全门限、安全垫、光幕传感器和按钮。Nabrotzky说：“新标准允许你把两者合二为一，你不再有两个系统，很明显，这样节省成本——你只需要购买一半的设备，却可以同样满足要求。”
　　
    Siemens公司的Titus指出：“安全的PLC分布式地满足IEC61508，它具有一块智能自动防故障I/O卡，能对故障作出直接的快速响应，无需PLC做上层监控。”
　　
    Nabrotaky说：“机械和人可以更近距离的工作。”例如，在传统模拟系统中，一个机器人周围有一个区域，是严格限制进入的。只要人类一接近机器人，整个系统就关断。如果你集成了控制和安全系统，就可以知道机器人的位置和它正在做什么。如果它正在工作区域的左边工作，而此时人进入了安全区域的右手边，机器人是没有必要关断的。只要没有区域上的冲突，就可以一直工作。如果程序控制的动作朝向工作人员，集成的智能系统就可以用传感器来识别，并作出适当的反应来确保安全。“这就意味着你可以使用更小的厂房。”
　　
    安全网络和集成安全系统提供了多种方法以节约成本：

　　■  自动化设计人员们在设计安全系统的时候，可以不再使用外部电路、熔丝、断路器、铜线和导管。
　　■  他们可以直接使用已经在厂区使用的控制系统网络光缆作为安全网络的物理媒介。
　　■  在控制系统和安全系统的实现上，他们有更多智能化的选择。
　　■  一个更智能的安全/控制系统可以持续可靠运转，具有更高的安全性和更少的故障。
　　
    光幕传感器或区域传感器仍旧使用，但是连接到网络上，而不是单线。网络可以节省资金，避免外部布线。而且网络具有复杂的信号系统，光幕传感器不仅仅可以提供自己是“开”还是“关”的信息，它甚至可以提供“镜头脏了”和“固定松动”等信息。

安全选项
　　
    安全网络规范和标准的深入分析将会是很复杂混乱的事情，但是，有两件事是很清楚的：

　　■  事实上所有流行的机械控制网络标准都有一个安全运动变量。
　　■  事实上主要的控制设备生产商都有安全运动特征，不管是内嵌的还是通过附加选件。
　　
    为了简化安全运动系统的选型，首先选择控制网络和设备供应商，然后询问安全运动和安全功能如何与系统其他部分集成。确保供应商明白你需要的是符合新版IEC61508标准的系统，然后再询问其他相关产品的性能。
　　
    寻找安全网络（在控制网络上传输安全相关信号）和集成安全特性（确保工作人员能够靠近正在运行的设备，而无须去掉联动装置）Nabrotzky总结道：“现在我们正在使用的是硬接线安全系统，它有很多管路和铜线连接组成，机柜内布满了继电器和断路器，为安全系统单独配置了一个控制器。在将来，这些设备都将消失，安全和控制系统集成在一起，以一种既能确保正常工作又能节省资金的方式。”