安全編碼器是啥玩意兒
發布時間：2017-12-28 來源：智造商
我們知道，在機器設備中一套完整的安全控制系統需要包括：安全檢測元件、安全控制機構和安全的動力執行機構。
安全檢測元件，如：安全區域掃描儀、安全地毯、安全光柵...等，用于感知是否有人員進入到了運動設備的潛在危險區域；
安全控制機構，如：安全控制器、繼電器，用于處理系統的安全邏輯，對人員面臨的潛在危險進行辨識，并按照預設的安全策略向動力執行機構發出相應的安全動作指令。
安全的動力執行機構，安全變頻器、安全伺服驅動器、安全氣動元件...，依照控制器發出的指令執行所需的安全動作，如：減速、限速、停止或切斷動力輸出...等。
而在設備運行過程中，運動執行機構是否已經按照要求做出適當的動作反應，以及執行結果是否達到要求，例如：是否停下來了，是否在速度限值范圍...等等，這些，就是安全編碼器需要做的事情了。
所以，簡單的說，安全編碼器的作用，就是為設備的安全運動提供可靠的位置和速度反饋，配合安全控制系統完成所需的安全功能。
為了方便大家理解，咱們先來看幾個典型的應用場景：
1. 安全停止
當操作人員的身體進入設備危險區域時，需要確保機器動作處于停止狀態。安全控制器會根據安全光柵等檢測元件感知到的信號，判斷是否有人員已經進入所規定的危險區域，如果是，那么控制器就會向變頻器、驅動器和液壓動作機構發出停止運行的指令。
但如果在這個安全指令的執行過程中，編碼器檢測到運動機構沒能在規定時間內停止，或者它們在人員仍處于該區域時出現異常動作，那么控制器就會立即向動力組件發出指令切斷執行機構的動力電源輸出（STO）。這樣做的好處在于，不需要在每次有人員進入危險區域進行操作時都切斷執行機構的動力電源，可以在兼顧人員操作安全性的同時，確保設備的運行效率。
2. 安全限速
在某些情況下，運維人員是需要進入設備危險區域對正在運轉的部件進行故障處理、檢修保養...等操作的。
例如，上圖中所示，操作人員需要一邊手動控制設備的慢速運行，一邊完成對油墨滾筒的清理工作。此時，設備系統就需要以安全速度限制的控制模式運行。如果設備運行出現異常，如：速度超出限值、或者人員意外受到傷害，那么就必須立即切斷執行機構（如：驅動器...）的動力輸出，以保護人員安全。而這其中就需要使用安全編碼器（或安全電機反饋）為安全控制系統準確提供各運動部件的實時速度反饋。
3. 安全速度控制
有些設備在工作時須能夠根據其周圍人員所處位置的危險程度，自動靈活的調整其本身的運行速度。
例如，AGV 小車在行進方向上，如遇到有人靠近并進入其減速距離范圍時，應能夠自動按照要求減慢速度，而若是有人員進入危險距離，還必須能夠及時停止。也就是說，AGV 需要根據人員靠近距離的不同，靈活調整其行進速度。
而如果要在這里完成可靠的安全速度控制，也是需要使用安全編碼器來作為其閉環反饋的。
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類似的應用場景還有很多，篇幅關系，這里就不一一列舉了。
不過總的來說，在機器安全控制系統中，十分有必要使用安全編碼器作為電機、負載或/和傳動機構的運動反饋，來幫助完成對設備部件動作狀態的閉環監測。盡管安全控制器或/和集成安全的驅動器...等安全產品都能夠實現對安全控制流程的管理，但如果沒有安全級別編碼器作為可靠的動作狀態反饋，它們的功能其實是受限的。
其實從理論上說，傳統的旋轉編碼器也是可以用于實現運動安全的反饋功能的，但卻必須證明其在每種情況下都能夠達到所需的安全性能水平。 而這就得具備非常詳細的產品知識，通常需要得到產品服務商或/和制造商的支持。 尤其是對于單編碼器系統來說，需要排除運動負載和編碼器之間的耦合故障，這一點十分關鍵。
相比之下，使用安全編碼器就要簡單得多，因為它們都是符合特定的安全標準的，所有必要的安全相關信息都已經是現成的了，例如：我們之前提到過的 Kinetix VPC 系列電機中使用的 HIPERFACE DSL 伺服反饋就已經達到了 SIL2/PLd 級別的功能安全標準。
那么，和普通的編碼器相比，安全編碼器有什么特別之處呢？
首先，從外觀上看，安全編碼器會采用比較堅固耐用的外形設計，有著比較出色的環境防護等級，尤其是抗沖擊和振動方面通常都會有著很不錯的表現。
其次，安全編碼器與運動機構的機械連接必須是充分可靠的。大部分安全編碼器的輸入軸都會采用平鍵或切面的機械連接鎖合方式；而如果是盲孔/通孔空心軸型編碼器，通常也都會配備增強型夾緊環。
信號輸出方面，很多安全編碼器，尤其是安全伺服反饋，都會提供兩個通道的位置反饋，以幫助安全控制器或集成安全驅動系統對編碼器數據進行 CRC 循環冗余校驗。例如：傳統 HIPERFACE 反饋協議編碼器就已經提供了 Sin/Cos 兩組反饋信號；而我們之前介紹過的 HIPERFACE DSL 協議編碼器，則是在一般位置變化量的基礎上，將兩組安全位置數據集成在了其高速數字化反饋通道中，從而實現了安全級別的伺服反饋。
此外，安全編碼器不僅能夠向設備提供位置反饋，還會對編碼器內部的信號檢測狀態進行實時監測，例如：Sin^2 + Cos^2 = 1 檢測、數據傳輸幀技術、供電電壓/傳感器電流/環境溫度監測、運行時間計數、故障狀態...等等，并通過模擬量、開關量或者數字通訊端口（如： HIPERFACE DSL）將其輸出反饋給設備安全控制系統，這其中數字化反饋的優勢在于能夠為系統提供更多更全面的診斷狀態信息。
而有些安全編碼器的雙安全位置反饋輸出是由其內部兩套冗余傳感和診斷元件檢測生成的，這種 1oo2 的雙檢測回路安全架構能夠幫助編碼器元件達到 SIL3 級別的安全標準。
上面提到的這些在安全編碼器內部可能會用到的技術元素，都是可以在一定程度上幫助其提升產品的可靠性和安全性的。編碼器廠家通常會基于已所采取的安全技術措施，按照一定的安全標準為其編碼器產品標稱相應的安全性能指標，即：PFHd 值 / 每小時危險失效概率。
不過，值得注意的是，設備系統的安全等級是取決于其中可靠性級別最低的元件的。因此，將一只具備較高安全級別（如：SIL3）的安全編碼器接入安全等級較低的控制器/驅動器，是無法讓系統也達到同等高級別的安全性能的。
如果運控機構中使用了帶有安全反饋的電機，則需要為其配備具有集成安全功能的變頻/伺服驅動單元。而如果該運控系統的伺服反饋使用的是數字式通訊協議（例如：HIPERFACE DSL），那么只需要借助驅動器和電機之間唯一的一根兩芯動力線纜的連接，即可以實現 SIL2 以上的安全反饋。
對于那些并不具備安全反饋的電機傳動系統，就有必要在運動機構中使用單獨的安全編碼器產品了，然后須將其輸出信號接入安全控制器/系統中的安全反饋接口模塊。這種做法比較適合用于一些老式伺服運控系統的安全升級改造，或者普通異步變頻傳動系統的安全集成，如：AGV 小車、物流傳輸系統、起重行車設備...等等。