Safe-motion选择

栏: 6种方法连接储蓄在工业网络

西门子能源与自动化业务发展和行业标准经理J.B. Titus表示，运动控制行业“将出现大量新标准……这些新标准将以全新的方式为机器操作人员提供安全保障。”这种情况已经发生了。

老办法用于自动化机械安装的点对点有线安全系统不是最佳的，容易故障，维护成本高。

新方式——基于标准工业网络的安全网络集成到机器控制系统中——效率更高，更不容易出现危险的变通方法。

而且，它防止了这样的情况:

X博士走进来，向客户的高层展示一个大型定制质子加速器。他不打算打开高压束流能量电源，而只是展示了双等离子体质子枪实际上喷出了一个150毫安的质子束，能量为60千电子伏。

请注意，在60 KeV下的150 mA意味着9,000 W的光束，这足以使不锈钢束流管壁在没有冷却水保护的情况下发出樱桃红色的光。“当然，”X博士一边启动系统，一边解释说，“我们已经安装了联锁装置，以确保操作员不能打开光束，除非有冷却水流动。”

不幸的是，他接着说:“我们在最后的组装和测试中禁用了联锁。在装配和测试领域，我们使用智能代替联锁!”

在他说完这句话之后，这群人被6个12英寸的声音吓了一跳。气动的真空阀门砰的一声关闭，真空系统感觉到光束的热量已经融化了铜真空密封，随之而来的是喇叭声。冷却水不流动了。

今天的自动化设备安装远比原始的半手动控制系统复杂。如今，一条自动化生产线可以配备数百个安全传感器，而不是以前的十几个。简单的联锁开关硬连接到控制器输入不再做的工作。

这种联锁在正常操作时相当有效，但在安装和维护时效果较差。在最需要它们的故障排除操作中，它们尤其无效。

需要改变

Molex子公司Woodhead的总经理埃德蒙•纳布罗茨基(Edmund Nabrotzky)表示:“人们(曾经)认为，要想真正安全，就必须把一块坚硬的铜片通过某种管道从一个地方移动到另一个地方，然后把它放在一个坚硬的螺钉下面，再拧紧。”“你必须请一个特殊的电工来做这件事。每次你增加一个停止按钮或另一个安全门，你就需要另一块铜片直接从它回到面板的某个地方。”

在很长一段时间里，这被认为是让事情真正安全的唯一方法。现实却截然不同。

“我们在实际安装中看到，这些东西很容易失败，”Nabrotzky报告说。“它们的机械特性意味着它们可能会卡住，也可能会磨损。触点变得不那么可靠，一些安全系统因为太频繁而无法使用。

“我们也看到，当系统某处出现故障时，这很烦人。整条线都在下降，没有简单的方法来区分哪些是关键的安全问题，哪些不是。通常情况下，这条线路会关闭，直到有人弄清楚到底发生了什么，然后获得授权重新设置。”

博世力士乐电子驱动与控制部门自动化与机床部门经理卡尔•拉普(Karl Rapp)指出:“如今的机器运行速度快得多，但人的反应是恒定的，因此，通过设置门控和增加开关(这样当你打开门或按下E-stop开关时，系统就会关闭)的旧方式(机器控制)已不再适用。”

在20世纪80年代，机床加速度0.2 ~ 0.4 G是标准。今天，机床的加速度可以达到1 - 2g。此外，系统相当复杂，工具也很昂贵。当有人打开门或打出E-stop时，停止动作会损坏设备。此外，如果你切断电源，设备就会以不协调的方式减速。

Rapp继续说道:“然后，人们会安装安全延迟继电器，所以如果你按下E-stop，主轴就会减速，关键轴就会以协调的方式停止，这样控制器就有机会协调它们停止。”

尽管如此，错误必须被清除，系统必须被启用，并且必须有人检查以确保所有轴都是协调的。从大门外可能无法通过视觉确认移动相关轴。

这将导致反复进行调整，关闭门，重置控制器，启动系统，运行系统，关闭电源，打开门进行检查，然后重复这个过程，直到调整正确为止。最好的情况是，这个过程很麻烦。在最坏的情况下，机组人员会禁用安全装置。

新标准

模拟点对点安全系统可以创建一个铜线(红色)的老鼠窝，将传感器信号输入运动控制器，并在绊倒时自动切断电源。

网络安全系统使用现有的高速数据网络来携带与安全相关的信号以及控制信号。更智能的传感器可以发送状态信息和故障信息。

今天最先进的机器安全技术，在欧洲强大，并在其他地方扩展，包括两个基本组成部分:

安全网络是标准机器控制网络(如CANbus)的安全版本，具有额外的协议功能，使其能够可靠地传输与安全相关的信号。

集成的安全将建筑安全相关特性的概念(如将机器运动速度降至人类速度的能力)引入控制器和驱动硬件和软件。

Rapp回忆道:“在90年代中期，许多终端用户都希望运动系统更安全，所以安装和恢复变得更安全。我们开发了一个双通道策略，控制器在一个通道上，驱动器在另一个通道上。驱动器的命令接口变成了数字化，控制器的I/O通道变成了安全通道。”

需要强调的是，I/O接口从模拟信号的点对点布线转变为数字信号的总线式传输。这大大减少了要进行的连接数量和要运行的导体数量。

任何信号系统至少为每个传感器提供两条信息:传感器的输出值和传感器的识别。在点对点模拟系统中，模拟电压或电流信号的值，但传感器识别来自于哪条信号线携带电压。在串行总线通信中，这两种信息都以数字信号的形式出现，这些数字信号通过同一组导体传输。模拟布线的复杂性随着传感器数量的增加而线性增加，而数字总线布线的复杂性是恒定的。例如，对于CANbus，两根导线携带所有的信号，无论有两个或20个传感器。

Rapp回忆道:“多家欧洲供应商开发了数字总线系统，无需切断电源就能提供安全运动。“例如，在80年代的德国，他们已经为电控机械制定了不少实质性的机械安全标准。”

欧洲原始设备制造商在出口的系统中把技术带到了美国，但这种做法并不受欢迎。虽然一些美国终端用户在当地决定接受它，但其他人购买了设备，并增加了锁断连接。他们没有使用安全运动系统，因为每次他们打开门，附加的联锁就会关闭机器。

在过去的几年里，这种情况已经开始改变。协调美国和欧洲标准的努力促使美国工业界重新评估电子控制移动设备的安全标准。

国际电工委员会(IEC)是这项努力的主要推动者。作为IEC正常维护周期的一部分，现行标准(IEC 61508)目前正在修订中。欧式安全系统将会流行。点连线系统将会过时。作为IEC成员国，美国将采用新标准。第1部分至第7部分的最终草案定于2008年1月分发给国家委员会投票，第1部分至第7部分的最终修订本定于2008年5月全面出版。

不仅仅是方便

Woodhead公司的Nabrotzky表示:“网络不仅仅是节省布线和安装成本。“它还提供了一个额外的诊断和功能的世界，这是标准二进制信号无法实现的。如果一个设备即将发生故障;如果拍照眼上的镜头变脏了;如果流量被粘性阀门阻碍，诊断信息就会以复杂的数据包形式传入(网络)。这使得网络非常非常有价值。”

你曾经有一个安全控制器和一个运动控制器，安全控制器运行所有的安全门、安全垫、光幕和按钮。Nabrotzky说:“新标准允许你把它们结合在一起。”“你不再有两个系统。显然，这节省了成本——你只买了过去买的设备的一半——但这也意味着你可以开始做一些非常有趣的事情。”

西门子的Titus指出:“安全PLC通过智能故障安全I/O卡提供了IEC 61508的分布式合规，可以更快地响应故障，而不会给PLC带来安全监控的开销负担。”

“机器和人可以更紧密地合作，”纳布洛茨基说。例如，在模拟系统中，机器人周围有一个区域，这个区域是用安全功能硬门控的。只要有人走近机器人，整个系统就会关闭。然而，如果你把控制系统和安全系统集成起来，就有可能知道机器人的位置和它在做什么。如果它正在工作空间的左侧做一些事情，而一个人进入了安全区的最右侧，机器人可能不需要关闭。只要没有干扰，继续运作也许是有意义的。如果程序将活动转移到人所在的位置，集成的智能系统可以使用传感器输入来识别，并采取适当的行动来确保安全。“这意味着你可以使用更小的植物，他指出。”

安全网络和综合安全在以下几个方面提供了省钱的机会:

• 自动化设计人员可以停止运行额外的电路、熔断器、断路器、铜线和安全系统的管道。

• 他们可以接入已经在工作单元中运行的控制系统网线。

• 他们可以在控制系统和安全系统上有更智能的选择。

• 更智能的安全/控制系统将保持更可靠的运行，更安全，更少的错误触发。

光幕或面积传感器仍然存在，但连接到网络而不仅仅是信号线。网络节省了资金，避免了运行额外线路的需要。此外，通过更复杂的信号系统，光幕可以做的不仅仅是说“我开了”或“我关了”。光幕可以开始说，“我很脏”或“我的地面松动了。”

安全的选择

仔细研究安全网络规范和标准可能会成为索赔、反诉和完全混乱的噩梦。然而，有两件事是清楚的:

• 几乎所有流行的机器控制网络标准都有一个安全运动变体。

• 几乎所有主要的控制设备制造商都有内置的安全运动功能或作为附加组件提供。

为了简化选择安全运动系统的任务，可以根据其他标准从选择的控制网络和设备供应商开始，然后询问安全运动以及安全功能如何与系统的其他部分集成。确保供应商理解您希望系统符合新的IEC 61508标准，并询问相关产品如何满足要求。

寻找安全网络(通过控制网络传递安全相关信号)和综合安全(使人类更容易与通电设备密切工作而不会使联锁失效的功能)。

Nabrotzky总结道:“我们现在生活的世界是由大量的管道和电线连接，一个装满继电器和断路器的柜子，以及一个单独的安全系统控制器组成的。”“在未来世界，所有这些设备都将消失....安全和控制集成在一起，既节省了资金，又保持了工厂的运行。”

安全的机器控制网络

安全总线	建立在	特性	供应商
GuardMotion	serco	有了安全关闭功能，驱动器输出被安全禁用，以消除电机扭矩。	罗克韦尔/艾伦布拉德利www.rockwellautomation.com
Profisafe	现场总线	Profisafe安全措施在软件中实现，并作为安全层添加到Profibus第7层(ISO/OSI模型)的顶部，而不改变其他层。安全层负责与安全相关的用户或过程数据的通信(安全应用)，除了对非安全关键功能(如诊断)不变的现有标准应用之外。安全设备与标准设备连接到同一条传输线，并与额外的安全控制器或组合的标准/安全控制器通信。因此Profisafe使用单通道传输。	www.profibus.com
Profisafe	Profinet(以太网)	安全相关和标准通信都可以通过相同的Profinet总线电缆实现。	www.profinet.com
SafetyBus p	CANbus	传感器和执行器通过分散的I/O模块连接到SafetyBus p系统。在应用程序中，逻辑上属于一起的组件可以配置为组，并在出现错误时分别关闭。	www.safetybus.com
社保网警	以太网	开放标准、实时响应、安全特性被纳入软件驱动程序。	www.safetybus.com/4_Service/4.6_Service_Safetynet.htm
serco三世	serco	SERCOS接口为配置多厂商控制系统提供了即插即用互操作性的灵活性。设计师不局限于一家制造商的产品，而是可以自由选择最佳的产品来解决个人运动和I/O控制问题。	www.sercos.com

作者信息

C.G.马西是高级编辑。联络他的地址是charlie.masi@reedbusiness.com．

6种方法连接储蓄在工业网络

电线和电缆——金属和光纤——传输大量的工业网络通信。电缆的技术趋势包括材料和设计，以确保内部信号被屏蔽或调节到足够有用。其他趋势包括:

设计的挑战．Belden的工业市场经理Frank Koditek表示，工业以太网实现的现实已经超越了连接工作站和控制台，要求以太网电缆在恶劣的工业环境中运行，远远超出了商业条件。电缆设计者需要考虑的因素包括:

机器人/连续弯曲和运动应用，其中电缆在设备上弯曲时必须提供指定的性能，如机器人、c轨道和其他重复运动设备。

温度范围可以从零度以下，大多数夹套材料开裂或破碎，到高温炉应用，可能导致材料变形或熔化。

会损坏已安装的电缆并导致网络中断或关闭的压碎、磨损和切割危险。

会立即或随时间损坏或破坏电缆护套并降低或中断电气性能的油和溶剂。

暴露在户外环境和地下应用中，雨水、阳光或浸泡会降低电缆的性能。

距离，隔离和免疫当代控制公司总裁乔治·托马斯说，以太网是电缆的热门领域，提供同轴、双绞线和光纤的选择。他补充说，在这三种技术中，光纤提供了更远的距离、电隔离、抗电磁干扰和雷击。

物质的进步。图尔克的产品包括工业网络绳，该公司表示，材料的进步极大地帮助了工业网络，使用户和原始设备制造商能够更好地将电缆护套与环境需求相匹配。PVC(聚氯乙烯)是标准的、多用途的电缆护套材料，通常用于网线。但网络连接的日益普及将其推向了传统PVC无法进入的环境。

新材料使电缆更坚固，这一点在贝尔登数据凝灰岩工业以太网电缆扩展线中得到了证明。

图尔克说，为了解决这个问题，制造商现在正在使用其他材料，如TPE(热塑性弹性体)和PUR(聚氨酯)来制作网线护套。TPE提供了更高的灵活性和耐焊渣，用于汽车应用或其他使用焊接或机器人的应用。PUR比PVC更耐磨损，将网线扩展到充满摩擦的区域。图尔克补充说，无卤素电缆护套对于有火灾风险的地区非常重要。

极端的灵活性。据拉普集团称，一些电缆具有耐油性和柔韧性，可用于电力和控制电缆，并已获得外露运行批准。这种电缆具有很高的抗压性，符合NEC危险区域标准，用于1类，分部1位置的柔性电缆，符合欧盟RoHS(有害物质限制)要求，具有抗紫外线性能，并批准直接埋地。

铜或纤维的选择。罗克韦尔自动化公司表示，制造商正在大幅增加现有平台中内置的信息和控制功能的使用，包括使用铜或光纤连接连接到EtherNet/IP(工业以太网协议)的I/O模块。

更短的电缆长度。Opto 22的工程师指出，当电缆运行时，可以避免使用集线器或交换机，使用雏菊链配置的以太网，而不是星形设计，从而节省整体网络成本。

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Mark T. Hoske是总编辑。联系他atMHoske@cfemedia.com。

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