安全集成

法規框架

機器制造商和設備制造商必須確保他們的機器和設備不會因故障造成電擊、灼傷或輻射等危險。

例如，在歐洲，根據法律要求符合 EU 職業健康與安全法規的機械設備 2006/42/EC 法規。為了確保符合此法規，建議采用相應適用的歐洲標準。這就觸發了“一致性假設”，提供給了制造商和操作者符合國家法規和 EU 法規的法規安全。設備制造商使用 CE 標識對貨物自由移動所有相關的法規、規程的一致性進行文檔化。

安全標準

功能安全的指定采用了多種標準。例如，EN ISO 12100 涉及機器設備的風險評估與風險降低。IEC 61508 規定了電子及可編程安全相同系統的基本要求。EN 62061（僅適用于電氣和電子控制系統）和 EN ISO 13849-1，替代先前使用的 EN 954-1，定義了與安全性相關的控制系統的功能和安全相關要求。

上述標準定義了設備必須符合的各種不同安全要求，如風險，危險情況的頻率，發生的可能性和識別未定風險的機率。

• EN ISO 13849-1:性能級別 PL a … e；類別 B，1 ... 4
• EN 62061:安全集成度級 SIL 1 … 3

趨勢傾向集成安全系統

趨勢傾向于較大的復雜度并且增強了設備的模塊化，因此安全功能可以從傳統的核心安全功能（如使用主開關對整個機器進行取消激活）移植到設備控制系統和驅動。這樣，生產率也顯著提高，因為縮短了轉換時間，轉換期間，甚至一些子部件還可繼續加工，這取決于設備類型。

集成安全功能比傳統結構的設備運行速度會快很多。使用 Safety Integrated，設備安全可進一步提高。另外，由于運行速度更快，因此由集成安全系統控制的安全措施被認為不易受設備操作員的干擾，因此，顯著降低了有意識繞過安全功能的動機

 

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S120 變頻調速柜的集成安全功能

SINAMICS S120 變頻調速柜系統的主要功能已集成到 SIMOTION D 運動控制系統中。因此，SINAMICS S120 變頻調速柜的集成安全功能也可與 SIMOTION D 結合使用。

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S120 的特點是具有大量集成安全功能。與安全功能所需的傳感器和安全控制結合使用時，它們可確保根據實際情況為人員和機器提供有效保護。

它們符合以下安全類別的要求：

• 符合標準 EN ISO 13849-1 的 PL d 和類別 3 的規定要求
• SIL 2 依據 IEC 61508 和 IEC 61800-5-2

注意：

安全制動試驗 (SBT) 診斷功能滿足 EN ISO 13849-1 中類別 2 的要求。

集成安全功能由獨立的機構進行認證。您可從西門子聯系伙伴獲取相應的測試證書和廠商聲明書。

變頻器安全數據塊 (DSDB)

SIMOTION 分配的變頻調速柜的安全功能直接通過變頻調速柜上的 PROFIsafe 或故障安全數字量輸入來控制。
根據所選擇的安全功能，需要對在 SIMOTION 用戶程序中選擇的功能做出適當響應，以避免變頻器一端發生違反限值的情況。
例如，如果選擇了 SLS 功能，那么受影響的傳動裝置的轉速需要在可用時間內由 SIMOTION 控制在相應 SLS 限值以下。
如果選擇了 SOS，那么相應的軸必須停止運動并保持在該狀態。
有關選擇了哪種安全功能以及當前有效的設定轉速限值的信息通過 DSDB 進行傳送。該信息通常從變頻器傳送到 SIMOTION 用戶程序。
所選擇的 SBT 診斷功能在相反方向上從用戶程序傳送到變頻器。

下面介紹了當前可用的集成安全功能。功能安全性滿足有關變速驅動系統的國際標準 IEC 61800-5-2 中定義的要求。

SINAMICS 變頻調速柜中的集成安全功能可大致分為四類：

用于安全停止變頻器的功能
• 安全扭矩斷開 (STO)
• 安全停機 1 (SS1)
• 安全停機 2 (SS2)
• 安全操作停止
用于安全制動管理的功能
• 安全制動控制 (SBC)
• 安全制動試驗 (SBT)（此診斷功能超出了標準 IEC 61800-5-2 的范圍）
用于安全監控驅動運動的功能
• 安全限速 (SLS)
• 安全速度監視 (SSM)
• 安全方向 (SDI)
用于安全監控驅動位置的功能
• 安全限制位置 (SLP)
• 安全位置 (SP)（此功能超出了 IEC 61800-5-2 的范圍）

安全扭矩斷開 (STO)

STO 功能是最常用的變頻器集成基本安全功能。它可確保產生轉矩的能量不會繼續影響電機，并防止意外起動。

作用

此功能可防止變頻器意外重啟，符合 EN 60204-1 標準 5.4 節的要求。安全轉矩停止功能可抑制變頻器脈沖（相當于 EN 60204-1 的停止類別 0）。驅動器可以可靠地實現零轉矩。這個狀態在驅動器內部監控。

應用舉例

STO 的直接效果就是，變頻器無法提供產生轉矩的能量。STO 可在變頻器因負載轉矩或充分的短時間摩擦而自然達到停止狀態的任何場合使用，或在變頻器的減速停止對安全來說無關緊要的情況下使用。

通過 STO，人員可在防護門打開（重啟互鎖）以及在具有運動軸的機器/裝置（如搬運或輸送系統）上使用的情況下安全工作。

客戶利益

與采用機電式開關裝置的標準安全技術相比，集成 STO 安全功能的優點是無需使用單獨的部件以及相應接線與維護工作。由于電子式切換速度很快，與常規解決方案中的機電式部件相比，此功能的切換時間較短。

安全停機 1 (SS1)

SS1 功能可使電機迅速而安全地停止運轉，并在停止之后將電機切換到無轉矩模式，即激活 STO 功能。

作用

SS1 功能可按照標準 EN 60204-1 的停止類別 1 的要求安全停止傳動裝置。若選擇了 SS1 功能，傳動裝置會在設置的安全延時過后，沿著一個快速制動斜坡自主制動，并自動激活安全轉矩關閉和安全制動控制功能（如果已組態）。

如果對變量“SS1 with external stop (SS1E)”進行參數化，則選擇該功能時驅動器不能自動制動。在此情況下，更高級別的控制必須在參數化的 STO 過渡時間內使驅動器停止。SBR（安全制動斜坡）和 SAM（安全加速度監控）功能沒有激活。SS1E 是用于需要由運動控制系統成組停止的驅動器的有用功能，以防對機器或產品造成潛在損害。

應用舉例

SS1 功能在發生安全相關事件時使用，變頻裝置盡可能快速地停止，隨后轉為 STO 狀態（如急停狀態）。因此，此功能可用于出于操作人員的安全而將很大的離心質量盡可能快地帶到停止狀態，或盡可能快地將高速旋轉的電機制動。典型應用包括鋸、磨床主軸、離心機、卷取機和立體倉庫等。

客戶利益

通過 SS1 功能有目標地停止變頻器可以降低危險，提高機器的生產效率，并減小機器中的安全間隙。原則是要將變頻器主動帶到靜止狀態，這與僅使用 STO 功能時的情況不同。通常無需使用易于磨損的復雜機械制動器將電機制動。

安全停機 2 (SS2)

SS2 功能可迅速而安全地將電機帶到靜止狀態，然后在電機停止時啟動 SOS 功能。

作用

“安全停止 2”功能可按照 EN 60204-1 的停止類別 2 將變頻器安全停止。在選擇了 SS2 功能后，變頻器將沿一條快速停止斜坡獨立制動。與 SS1 相比，驅動控制隨后仍能繼續運行，即，電機能夠提供維持零速所需的全部轉矩。停機可被安全監控（安全運行停機功能）。

應用舉例

與 SS1 一樣，SS2 功能可確保對電機進行最快速的減速。不過，電機電源并沒有關閉�？刂葡到y會防止其離開靜止位置 – 即使電機受到外力的影響，也是如此。SS2 的典型應用包括機床等。

客戶利益

SS2 功能可確保將軸迅速停止。由于控制仍保持激活狀態，因此，在取消此安全功能后，生產運行可繼續進行，不會受到影響。這可確保調整和停機時間都較短，生產效率提高。

安全操作停止

使用 SOS 功能，停止的電機保持在位并通過驅動控制進行監控。

作用

SOS 功能包括安全停機監控。驅動器控制仍保持運行。電機因而可以傳遞全部的轉矩以保持當前位置�？蓪�實際位置進行可靠監控。與安全功能 SS1 和 SS2 不同的是，轉速整定值不會獨立受到影響。在啟用 SOS 后，更高等級的控制必須在一個參數化的時間內使驅動器停止然后保持位置定位點。

應用舉例

對于機器或機器的一部分必須在某工序中保持安全靜止、但變頻器必須還要提供保持轉矩的應用，SOS 是一種理想解決方案�？梢员ＷC即使有反轉矩，驅動器也可以保持在其當前位置。與 SS1 和 SS2 不同的是，在這種情況下，變頻器不會獨立制動。它會等待上位控制器在一段可調的延遲時間內，將相關的軸作為一個同步組來減速停止。這樣可以防止對機器或產品造成任何損害。SOS 的典型應用包括卷繞機、制品加工和包裝機和機床。

客戶利益

盡管可能會出現反作用力，但不需要使用機械部件來使軸保持其位置。由于切換時間很短且位置控制始終處于激活狀態，因此，可以縮短調整和停機時間。無需在退出 SOS 功能后對軸進行重新校準。在禁用 SOS 功能后，軸可立即再次移動。

安全制動控制 (SBC)

通過 SBC 功能，可對抱閘進行安全控制。SBC 總是與 STO 功能同時激活。

作用

將使用安全雙通道技術對斷電狀態下處于激活狀態的抱閘進行控制與監視。由于進行雙通道控制，在控制電纜發生絕緣故障的情況下，仍可以激活抱閘。通過測試脈沖，可提前檢測到這種錯誤。

注意

安全制動控制并不檢測制動器自身的機械故障，如制動襯片磨損等。對于書本型的電機模塊，電機制動器的端子為集成式的。書本型逆變柜需要使用額外的安全制動適配器。裝置型逆變柜需要使用額外的安全制動適配器。

應用舉例

SBC 功能與 STO 或 SS1 功能結合使用，可防止軸在無轉矩狀態下移動（例如，由于重力）。

客戶利益

同時，使用此功能時，無需使用外部硬件和相關接線。

安全制動測試 (SBT)

SBT 診斷功能按固定時間間隔或在人員進入危險區之前，執行指定功能測試。

作用

檢查已發生磨損的抱閘的功能是否正常的一個良好方法是在已關合的抱閘上施加一個力矩。使用不同的扭矩值，可以測試具有兩個抱閘（如電機抱閘和外部抱閘）的傳動系統。

應用舉例

SBT 診斷功能與 SBC 功能相結合，適合實現安全制動。

客戶利益

該功能檢測制動器的機械部件中的故障或磨損。通過自動測試抱閘功能的有效性，可以降低維護成本，提高機器設備的安全性和可用性。

注意：

SBT 功能不適用于 SINAMICS S110。

安全限速 (SLS)

安全限制轉速 (SLS) 功能可確保變頻調速裝置不會超出預設的轉速限制。

作用

SLS 功能根據設置的速度限值對變頻調速裝置進行監控�？梢赃x擇四種不同的限值。和在 SOS 情況下一樣，速度設定值不會自動受到影響。啟用 SLS 功能后，更高級別的控制必須在可參數化的時間內將驅動器控制在所選時間限制以下。若超出速度限制，會發生變頻調速裝置集成故障響應，該響應可自定義。

可以將一個系數應用于通過 PROFIsafe 以 16 位分辨率傳輸的 SLS 限值 1。這樣就能指定幾乎無限個限值。
注意：此功能不適用于 SINAMICS S110。

應用舉例

若人員位于機器的危險區中，并且其安全性只能通過降低轉速來保證，此時就可使用 SLS 功能。典型應用包括操作員為了維護或調整而必須進入機械設備的危險區的場合，例如，需要由操作員手動穿線的卷繞機。為防止對操作員造成傷害，滾筒只能在較低的安全轉速下旋轉。SLS 也常常在一種兩級安全方案中采用。當人員位于不太關鍵的區域中時，將會激活 SLS 功能，僅在危險程度較高的較小區域中將驅動系統停止。SLS 不僅可用于操作員保護，而且可用于機械設備保護（例如，在不得超出最大轉速時）。

客戶利益

SLS 功能有助于大大縮短停產時間，或大大簡化甚至加快調整速度。所取得的總效果是機器設備的可用性提高。并且，可以省去像轉速監控器這樣的外部部件。

安全速度監視 (SSM)

SSM 功能可在變頻調速裝置的運轉速度低于可調速度限值時發出警告。只要轉速保持在閾值之下，此功能就會發出安全信號。

作用

若轉速下降到設定值以下，就會生成安全信號。例如，可根據具體情況，通過編程在安全控制器中處理該信號以對事件做出響應。

應用舉例

使用 SSM 功能的一種最簡單情況是，可在速度下降到某個非關鍵速度以下時將安全門解鎖。另一個典型示例是，僅當離心機的運轉轉速低于設定的速度限值時，才可以灌充該離心機。

客戶利益

與 SLS 不同的是，超出轉速限制時，不會有變頻器集成的故障響應�？梢栽谝粋�安全控制單元中對安全反饋進行分析，從而可使用戶對具體情況適當做出響應。

安全方向 (SDI)

SDI 功能可以確保傳動只能在選擇的方向上轉動。

作用

將會可靠檢測出偏離正在監控的旋轉方向的情況，并啟動所組態的變頻器集成故障響應�？梢赃x擇要監控的選擇方向。

應用舉例

當變頻器只能在一個方向上運動時，可以使用 SDI 功能。一個典型應用是，假如機器在安全方向上運動（即離開操作員的方向），則操作員可以進入到危險區中。在這種狀態下，操作員可以安全地將物料送到工作區域中或從工作區域移走物料。

客戶利益

使用此功能時無需使用外部部件，如轉速監控器和相關接線。當機器從操作員移開時將危險區解除還可提高生產效率。若不使用 SDI 功能，在送入或取出物料時就必須將機器安全停止。

安全限制位置 (SLP)

SLP 功能對軸進行監控，以確保其處于允許的移動范圍內。

作用

若激活了 SLP，將會安全監視由組態的軟限位開關限制的移動范圍。若超出允許的移動范圍，則會發生故障響應，該響應可自定義。即使機器正在運轉，也可以在兩個移動范圍之間切換。

應用舉例

SLP 用于機器操作員需要進入保護區（例如，為了送入或清除物料）的應用場合。軸位置的安全監控可確保軸無法移動到為操作員設立的保護區內（從而給他們帶來危險），例如，堆垛機、龍門起重機或加工中心。

客戶利益

SLP 可用于實現有效的保護區監控。使用此功能可以省去外部組件（硬限位開關）且不會產生相關接線費用。由于在超出限值后會迅速產生響應，安全間隙可以減小。

注意：

SLP 功能不適用于 SINAMICS S110。

安全位置 (SP)

SP 功能可通過安全 PROFIsafe 通信將變頻調速裝置中安全測定的實際位置值傳送到安全控制器。

作用

與根據限值對當前實際位置進行監控并在發生過沖時激活變頻器中集成的故障響應的 SLP 功能不同的是，SP 功能將當前實際位置值傳送到安全控制器。位置監控是在控制器的安全程序中實現的。大量 PROFIsafe 報文用于傳送位置值。根據需要，位置值可用 16 位或 32 位分辨率來傳送。與位置值一起，還會傳送時間戳。

應用舉例

使用 SP 功能，可以創建定制的安全方案。此功能適合在需要靈活安全功能的機器設備上使用。其功能多樣，例如，可用來借助于安全凸輪功能實現與軸相關的安全范圍檢測。SP 功能也可用于實現多軸安全方案、多維保護區和分區方案。

客戶利益

位置監控或速度監控是在控制器的安全程序中實現的，因此，用戶可靈活開發量身定制的安全功能。安裝程序中還必須指定對超出限值的響應。這需要較高的初始編程開銷，但提供了啟動不同故障響應的機會。

注意：

SP 功能不適用于 SINAMICS S110。

基本集成安全功能和擴展集成安全功能

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S12 的故障安全集成功能分組為“基本功能”和“擴展功能”。
基本功能包括在標準供貨范圍內。
擴展功能必須通過許可證激活。

• 基本功能
  • 安全扭矩斷開 (STO)
  • 安全制動控制 (SBC)
  • 安全停機 1 (SS1)
• 擴展功能
  • 安全停機 1 (SS1)，帶 SBR 或 SAM
  • 安全停機 2 (SS2)，帶 SBR 或 SAM
  • 安全操作停止
  • 安全限速 (SLS)
  • 安全速度監視 (SSM)
  • 安全方向 (SDI)
  • 安全限制位置 (SLP)
  • 安全位置 (SP)
  • 安全制動試驗 (SBT) 診斷功能

通過將擴展功能 SS1 和 SS2 與 SAM 相結合，可在制動過程中執行安全加速監控 (SAM)，以確保在制動階段就已檢測到故障。

使用 SS1 和 SS2，可將安全制動斜坡 (SBR) 配置為替代功能。

基本功能 – 通過設備上的內置端子、TM54F 終端模塊或通過 PROFIsafe 激活 – 不需要編碼器。

激活集成安全功能

可通過以下方式激活集成安全功能：

基本功能：

• 通過 SIMOTION D4x5-2 或 CU320-2 控制單元以及功率單元上的端子
• 通過 SIMOTION D410-2 或 CU310-2/CU305 控制單元的安全相關數字量輸入
• 通過 TM54F 終端模塊的安全相關數字量輸入
  （注意：TM54F 不能在 CU305 上使用），
• 通過 PROFINET 或 PROFIBUS 與 PROFIsafe 配置文件

擴展功能：

• 通過 TM54F 終端模塊的安全相關數字量輸入
  （注意：TM54F 不能在 CU305 上使用），
• 通過 SIMOTION D410-2 或 CU310-2/CU305 控制單元的安全相關數字量輸入
• 通過 PROFINET 或 PROFIBUS 與 PROFIsafe 配置文件
• SLS 和 SDI 功能也可以組態為永久激活。
• SBT 診斷功能無法通過安全相關數字量輸入或 PROFIsafe 來激活，
  • 但可通過安全控制通道從 SIMOTION 用戶程序激活
  • BiCo 信號
  • 用于測試停止選擇

PROFIsafe

SINAMICS 支持基于 PROFIBUS 和 PROFINET 的 PROFIsafe 協議。

PROFIsafe 是一個開放式通訊標準，其支持在同一根通訊電纜（有線或無線）上進行標準和安全相關的通訊。因此也就不需要第二個單獨的總線系統。將對發送的報文進行連續監視以確保安全通信。

避免可能出現的錯誤，例如：電報丟失、重復或接收順序錯誤。這是通過以安全方式對報文連續編號、在定義的時間內監視其接收情況并傳輸報文發送器和接收器的 ID 來實現的。一個 CRC（循環冗余檢查）數據安全機構也同時使用。

SIMOTION 智能設備 F-Proxy

下圖以 PROFINET 為例，顯示了 SIMATIC 安全控制器與分配給 SIMOTION D 的集成傳動裝置之間的典型 PROFIsafe 通信拓撲。該拓撲也可通過 PROFIBUS 實現（PROFIBUS 不能用 SCOUT TIA 進行組態）。

在此情況下，需要分別將安全控制器組態為 PROFINET 控制器或 PROFIBUS 主站。此時，SIMOTION D 是智能設備或智能從站。SIMOTION D 通過 F-Proxy 機制將 PROFIsafe 報文傳送到傳動裝置。

以 SIMOTION D4x5-2 為例的故障安全集成解決方案：通過支持 PROFIsafe 的 PROFINET 控制安全功能

如果分配給 SIMOTION D/C/P 的傳動裝置通過 CU3x0-2 控制單元來連接，則也可以實現此拓撲。

安全速度/位置感測

增量式編碼器或絕對值編碼器可用來安全感測驅動器上的位置值。

安全實際值檢測依賴于增量通道 A/B 的冗余分析，增量通道 A/B 提供 1 V_pp 的正弦/余弦信號。只能使用通過純模擬技術生成和處理 A/B 通道信號的編碼器類型。

也可以使用 HTL/TTL 增量式編碼器。在此情況下，使用兩個獨立的編碼器實現安全實際值感應。還必須考慮可能的最低轉速分辨率。

編碼器信號經由編碼器單元讀取。

有關編碼器單元的信息，請參見西門子工業產品網上商城的“驅動技術/變頻器/交流低壓變頻器/高性能 SINAMICS S/SINAMICS S120 內置變頻器/輔助系統組件/編碼器系統連接”下面的內容，或參見產品目錄 D 21.4“SINAMICS S120 和 SIMOTICS – 運動控制變頻器”。

可使用集成 DRIVE?CLiQ 接口的電機作為替代產品。轉速或位置實際值是直接在電機中作為安全值生成的，并通過經由 DRIVE-CLiQ 的安全通信提供給提供給控制單元。

也可使用經過認證的采用 DRIVE-CLiQ 接口的內置旋轉編碼器（請參見ment/65402168" target="_blank" style="color: rgb(153, 0, 0); text-decoration: none; cursor: pointer;">https://support.industry.siemens.com/cs/document/65402168）。

對編碼器進行機械連接時，必須要使編碼器軸無法拔出或滑出。相關說明，請見 IEC 61800-5-2：2007 的表 D.16。

下面的網址提供了滿足電氣和機械要求的西門子電機的列表：
ment/33512621" target="_blank" style="color: rgb(153, 0, 0); text-decoration: none; cursor: pointer;">https://support.industry.siemens.com/cs/document/33512621

以下系統可用于安全速度/位置檢測：

• 單編碼器系統或
• 雙編碼器系統

單編碼器系統

示例：單編碼器系統

在單編碼器系統中，電機編碼器專用于安全實值感測。

雙編碼器系統

示例：主軸上的雙編碼器系統

對于雙編碼器系統，變頻調速裝置的安全實際值由兩個獨立的編碼器提供。這些實際值通過 DRIVE-CliQ 傳輸到控制裝置中。使用沒有 DRIVE-CLiQ 連接的電機時，必須配備傳感器模塊。

HTL/TTL 增量編碼器可用作帶雙編碼器系統的替代產品�？梢允褂脙蓚� HTL/TTL 編碼器、一個雙 HTL/TTL 編碼器或者一個 HTL/TTL 編碼器和一個正弦/余弦編碼器。

無編碼器的安全實際值檢測

另外還提供有擴展功能“安全停止 1”(SAM/SBR)、“安全限速” (SLS)、“安全速度監控” (SSM) 和“安全方向” (SDI)，可實現無編碼器檢測（僅與交流電機和 SIEMOSYN 電機配套使用）。

用于電機控制的編碼器對于這里的安全功能沒有作用。

注意：

如果電機可由負載加速（例如，垂直軸因重力作用而承受負載），則不能使用“不帶編碼器”的故障安全集成擴展功能。

《故障安全集成功能手冊》包含有關無編碼器安全功能的附加信息。

http://support.automation.siemens.com/WW/view/en/27103700/133300

下面列出了各種安全功能以及實際值檢測條件。