为什么伺服电机驱动器要集成安全功能

Question

如题所述

Answer 1

目前市面上很多伺服电机驱动器都有集成安全功能，似乎这已成为驱动器未来发展的一个趋势了。那么伺服电机驱动器集成安全功能对设备生产的何影响呢？为什么要使用带集成安全功能的驱动器呢？下面我们一起简单探讨下。
为了能更简单的将这个问题说清楚，我们今天会以安全功能中最基本的“安全停止”功能为例，如果能理解这个基本功能，那么一些增强型的安全功能在驱动器上的集成也就不难理解了。
我们知道，让设备停止运行的最安全有效的方法就是关断电源、切断电机输入电流，所以通常在设备检修、需要有人进入设备运行区域时，需要切断相应的电机和驱动器的电源，而我们通常的方法是按下急停E-Stop，急停的的触点会断开驱动器的电源主开关。
而这种切断电源的停车方式，又分为好几种不同的级别，比如断电后自由停车或主动停车后再断电等。我们今天的例子则是最简单最基本的断电自由停车，即急停直接切断电源后运动部件仍会靠惯性继续滑行一段时间，称为停止级别“CAT 0”。
通过上图几种安全线路，是可以基本做到这样的安全停车的，这通常需要在急停回路中使用安全继电器、安全接触器开关等器件。
从安全停车的功能上看，这样切断驱动器的电源，往往并不能快速关断驱动器的电流输出和电机的扭矩输出，因为驱动器的直流母线上会储存一定的能量，在驱动器主电源断开后，一部分直流母线残余的能量仍然可以让驱动器再运转一段时间（时间长短取决于系统容量），直到直流母线电压过低为止。所以，这样的切断驱动器电源的方式其实并不能确保安全停车的性能的一致性。
从安全功能的集成和实施角度看，正如上图所示，无论是在驱动器电源侧还是输出侧使用安全开关，整个系统都由于安全功能的增加变得更复杂，元器件的数量、接线数量，以及因此带来的工程设计实施量也因此而增加，想象一下随着设备自动化程度的提高，传动和运动轴数不断增加会对系统的安全性要求不断提高，这样安全系统的集成成本自然也会倍增。
再看设备生产运行，由于这样的安全功能是通过硬接线方式实现的，当在生产过程中发生安全停车的故障时，如果对系统不熟悉（尤其是那些大型系统），排查和区分安全故障点的难度是很大，这就无形中增加了设备的停机时间。另外，对于很多传动控制系统，如伺服传动，切断动力电源必须断开驱动器输入主电源，这样，每次安全停机后的设备恢复生产，不得不重复驱动器的上电初始化过程，这样便进一步延长了设备故障停机的时间，影响了设备生产效率和开机率。
所以，这样看来，使用传统的驱动器产品完成 CAT0 的安全停车，会提高系统实施成本和降低设备生产效率，影响设备生产的总体拥有成本，而且不能确保停车性能的一致性。
那么，如果使用集成安全功能的驱动器是怎样的呢？
对于集成了安全功能的驱动器，上述的安全停止功能通常称为“安全扭矩关断 STO ”。具备集成STO的驱动器，通常在其驱动器上会有一副双触点的常闭的安全信号端子，设备的外部安全信号可以通过这副安全信号触点控制关断驱动器的放大器动力回路输出。只有当这两副触点都处于导通的状态，驱动器才能正常工作；而当任意一副触点断开，驱动器的交流输出都会被关断，这样电机没有了电流输入，就处于无扭矩自由状态了。这和前面说的“CAT 0”的停车功能是一样的。
这样的安全关断扭矩的方式，是直接切断驱动器电流输出的，比切断驱动器电源的方式更为直接、快捷，可以做到在STO 触发的瞬间立即切断电机电源，使其失去扭矩输出。所以从安全功能的角度看，这样的安全停车的性能会更可靠。

由于这种停车是通过关闭驱动器动力回路输出的方式实现的，因此其安全控制回路中就不再需要接触器，安全信号（如安全继电器和急停开关）可以直接接入驱动器的STO端子。省去安全接触器和相关的接线，将使得安全系统得到极大的简化，元器件的数量、接线数量，以及相关的工程设计和实施都将被极大的节省。因此，从工程实施的角度看，系统集成和使用的成本不会因为安全性和自动化的性能的提升而倍增。
那么设备运行时呢？
在安全扭矩关断出发后，通常集成STO的驱动器都可以将其安全故障状态通过其集成的显示器显示出来（有的还可以将此故障信息通过网络推送到操作员HMI 终端显示），这样就极大的节省了安全故障的诊断实现，缩短了设备的停机时间。
另外，集成 STO 后，在安全停车的时候仅仅是切断了驱动器的动力输出回路，驱动器电源并没有被切断，这样，在安全停机后恢复运行时，驱动器不需要重新进行上电初始化，这样可以缩短设备安全恢复生产的时间，提升了生产效率和开机率。
通过上面的比较我们可以看到，使用集成STO安全扭矩关断的驱动器产品，可以通过更加简单、快捷有效的方法实现 CAT0 的安全停车功能，而且相较于传统的驱动器，在设备设计、集成、实施和运行维护上的总体成本会更低。
如果我们能够理解上述驱动器集成安全 STO 的价值，就不难理解今天的主题“为什么驱动器要集成安全功能”了。CAT 0 的安全停止只是设备安全中，最基本最简单的安全控制方式了。而当设备安全的功能和级别不断提高，其在设备设计、集成、实施和运维上都将更加复杂，比如更高的安全停车方式、安全运行区域、安全停车监控、安全运行速度和方向等等，如果在驱动器上集成这些高级别的安全功能，配合集成化的安全控制系统，将更加显著的帮助简化安全系统、减少元器件和提升设备运营效率。