SIL3安全编码器助力实现工业4.0

• 关键词：编码器,工业4.0
• 摘要：TR-Group集团成立于1983年，是国际领先的传感器制造商和系统解决方案的供应商，是集生产与销售于一体的自动化系统集团公司。

TR-Group集团成立于1983年，是国际领先的传感器制造商和系统解决方案的供应商，是集生产与销售于一体的自动化系统集团公司。公司总部位于德国Trossigen，在工业自动化领域有着30多年的历史和经验积累，公司总部目前拥有400多位员工，在30多个国家设立了子公司及销售代表处，一直是工业自动化领域的忠实合作伙伴。

TR-Group传感器业务子公司TR-Electronic GmbH的核心是研发和生产各种传感器，包括旋转编码器、直线位移传感器和集成位置检测及控制的智能控制伺服电机、光栅尺、激光测距仪等产品。TR-Electronic于1983年开始生产光电绝对值旋转编码器，是机械齿轮计圈技术的发明者之一，生产的绝对值多圈旋转编码器最高分辨率可达36位，几乎可以提供目前工业自动化领域使用的所有工业接口的旋转编码器。生产的外径为22mm的绝对值编码器CMV22S/M是目前世界上外径最小的绝对值编码器，生产的QDH80S/M系列绝对值编码器是专为剧院舞台控制技术研发的双重冗余产品，生产的CD_75系列编码器是世界上首款经过SIL3安全认证编码器。TR-Electronic能够成为一家在业界技术和产品领先的编码器制造商，完全归功于400多名员工在产品技术和产品组合中的不断创新和完善，以及30多年来与客户成功的编码器项目合作的经验积累。通过与德国当地高校的技术合作，为公司提供与时俱进的产品技术和研发人员，同时客户对编码器产品机械结构、输出方式，人机界面和接口技术的不断新的要求，确保了TR技术的革新和产品的创新。

编码器的发展发展方向

工业即将进入工业4.0时代，需要通过信息物理融合的智能机器来实现智能工厂和智能生产。需要实现智能机器，机器设备会在必要部位使用传感器来实现感知，但简单的实现感知只能实现自动化，并不能达到真正意义上的智能。智能的另一面是机器设备需要知道执行的自动化动作是安全可靠的，无错的。或者说控制器首先必须知道机器设备的传感器是否是处于正常工作状态，输出的传感数据是有效可靠的，才能去执行智能和安全机器动作。因此，国际上的许多编码器生产企业开始研发具有诊断功能的安全编码器。但目前大部分方案是都需要借助外部模块来诊断编码器的状态和编码器输出数据的安全性。TR-Electronic是编码器安全方面的专家，从2003年研发生产的双重冗余绝对值安全编码器，2009年推出SIL3认证的安全编码器到2011年推出全系列以Profisafe, Open safety等安全协议为基础的SIL3安全认证编码器，TR-Electronic不断的在安全领域实现技术革新和产品创新，成为了安全旋转编码器领域的先驱和专家。

SIL3/PLe安全认证的旋转编码

TR-Electronic的CDV75S/M实轴和CDH75S/M空心轴SIL3安全认证编码器，是世界上首款推出无需配置额外安全模块而能独立达到SIL3/PLe标准（SIL3：IEC61508/EN62061，PLe：EN ISO 13849-1）的安全旋转编码器，并且此款编码器的研发过程，技术和生产过程都经过TÜV认证，达到每个产品的100%质量检测。这是一款智能双重冗余安全旋转编码器，内部包含一个主测系统和安全测量验证系统。主系统使用光电感应检测旋转轴的单圈分辨率，旋转圈数由行星齿轮结构机械计圈，不含电子存储器计圈模块，最大计圈可达32768圈。同时，主测系统的光学检测还能提供脉冲数从1024到32768可选的增量方波或正余弦信号。安全测量系统则使用中央磁感应技术检测单圈分辨率，而用机械齿轮和磁学感应技术计圈，最大计圈也为32768圈。有多种输出接口可供选择，如：带Checksum的双SSI输出，Profisafe over Profibus, Profisafe over Profinet, Powerlink open safty 和 safty over EtherCAT。

安全旋转编码器内部会通过安全系统的绝对位置对主测系统的绝对位置值进行比较校验，如果小于设定的容差阈值，认定安全旋转编码器系统为安全。并通过安全积分时间参数计算出安全速度和安全位置值。

通常主测系统测得的实际绝对值位置数据和经计算所得的速度数据将通过非安全过程数据通道和数据协议，如Profibus-DP或Profinet IO，传输给控制器来实现常规自动化控制任务，数据传输周期时间为0.5ms。而安全位置值和计算所得的安全速度将通过安全通道和安全协议部分，如Profisafe输出给控制器执行安全相关的安全任务,数据传输周期时间为5ms。

通过PROFIsafe设置参数，确保参数安全

1、预设值：

编码器可以把初始输出值设定为根据机器特定位置换算成的并且在编码器量程范围内的任意参考值。但预设值的设定是一个与安全非常相关的操作。编码器输出值的突变会导致机器执行一个未知并不受控制的运行动作。因此CD_75和CD_582安全旋转编码器的预设值设定必须在编码器静止状态，并且这个预设值必须被锁存到编码器中，仅能够通过安全通讯协议修改。

2、允许的位置偏差阀值：

主系统与安全系统的位置数据进行比较，如果差值小于允许的位置偏差阀值，认为编码器的测量数据是安全的。

3、静止状态的容差范围：

预设值的设定必须在静止状态，可以根据驱动器不同，设置静止状态的容差范围。

4、方向：

顺时针为正/逆时针为负

5、积分时间：

在低速转动时，高积分时间，可以得到越高的速度测量分辨率。或者积分时间越低显示的速度改变更快:更适合于高速旋转或高动态控制。非安全数据通道的时间基是5…50ms，安全数据通道的时间基是50…500ms。

为了确保以上2到5的可编程参数的安全可靠性，这些可编程参数首先会被输入TR-Electronic提供的iParameters软件中计算出F_iPar_CRC，并必须事先手动输入F-Host工程工具中。在每次设备启动时，这些参数都会被通过控制器的非安全通道传输给编码器，并通过安全参数F_iPar_CRC验证，如果通过验证, 才能被编码器接受和生成安全正确的设备特征参数，并执行后期相关的安全控制任务。

SIL3/PLe安全认证旋转编码实现全区域功能安全。

在很多安全要求很高的应用中任然使用传统的带增量输出的绝对值编码器。增量信号用作速度反馈和绝对值位置用作位置反馈来实现电机定位。但使用这种方法，机器设备运行时存在安全隐患，因为只有一个可用的绝对值位置数据，假如存在数据丢失或数据突变，这样的错误往往是无法被机器设备检测认知的。从而机器会根据错误数据的位置或速度反馈执行未知的危险动作。

而改进的常规解决办法是在编码器和控制器之间加入一个安全模块去测试编码器输出的数据。根据旋转编码器的特点，安全模块能够设别获取的位置值或速度是否安全，并且安全功能模块能够根据设定的限位值和限位功能的参数去判断机器设备的状态是否安全或驱动是否应该保持运转还是立刻制动。但使用这个安全模块只能保证使用了这个安全模块的区域部分为功能安全区域，并且安全模块必须完全正确编程和参数化设置，编码器必须满足安全模块制造商的技术要求。另外，需要额外的第二个编码器或和模块为控制器提供控制任务所需的绝对值位置和速度信息，并且这些控制区域仍为未经安全确认的区域。

为了使客户能够实现机械设备整体完全有效的功能安全，TR-Electronic推出了CD_75和CD_582智能SIL3安全认证双重旋转编码器解决方案。

由于旋转编码器本身具有自我检测和诊断功能，双系统通过验证得到的安全位置和安全速度可以通过安全数据通道和协议PROFIsafe输出给一个同等经过安全认证的安全控制器，安全控制器可以使用这些安全数据执行安全相关的控制任务（包含驱动电机的安全控制任务和需要使用编码器位置和速度信号的其他安全控制任务）。这样不仅实现了与连接编码器的驱动电机直接相关的某个区域的功能安全，还可以实现使用这些安全数据执行其他安全任务的机械设备整体性功能安全。同时，安全控制器还能使用通过常规非安全过程数据通道PROFIBUS或PROFINET获取的数据执行常规的控制任务。

与之前常规改进的功能安全组合方法相比，无需额外的SIL安全认证模块，无需额外的编码器或模块提供控制所需的位置或速度信息，减少了模块和连接电缆，降低了成本和出错机率，提高了安全系数。最关键实现了使用编码器数据控制任务的整体机械设备的SIL3功能安全。

同步监控和轴状态监控

通常安全有效的位置信号必须通过带PROFIsafe的CD_75M安全编码器的安全系统的验证。但我们也可以使用额外的带SSI接口的CD_75M安全编码器的安全系统去完成这个任务。两个独立分开的机械系统的测得的实际位置值会互相比较，假如两者的差值小于设定的差值阈值，主系统的位置值被认为是安全。

同步监测

两个旋转编码器CD_75M PROFIsafe (主测系统)和CD_75M SSI（安全系统）将被安装在相反的传动系统上，比如一台龙门起重机。假如两个旋转编码器的两个测量系统的测量值大于设定的差值阈值，编码器将通过PROFIsafe告知主控系统错误发生，主控系统将执行相应的故障应对安全操作。

轴状态监测

旋转编码器CD_75M PROFIsafe (主测系统)将被安装在驱动轴上，而另一个旋转编码器CD_75M SSI(安全系统)将被安装在驱动轴侧。由于过载或扭曲断裂引起的轴非正确的旋转，两个编码器的位置值将有偏差。加入偏差大于设定的差值阈值，编码器将通过PROFIsafe告知主控系统错误发生，主控系统将执行相应的故障应对安全操作。

双SSI输出SIL3/PLe 安全旋转编码器

SSI接口的双重旋转安全编码器的位置信息将通过两个独立的SSI接口传输。并且放大的SSI信号中包含了位置信息，状态信息和Checksum确认码。而与之相连的电子系统（控制器）将通过比较编码器两路SSI的位置信息来决定测量值的精确性。另外SSI信号还将传输额外的有用信息。比如，SSI信号会传输有关另外一路测量系统状态的错误位，因此通过这个错误控制器可以诊断错误出发生在旋转编码器内部（另外一路测量系统的SSI信号错误位也为1），或错误发生在传输电缆上（另外一路测量系统的SSI信号错误位也为1）。

两个测量系统都在放大的SSI的数据信号中传输实际位置值

错误数据位

在两个SSI通道中都显示两个测量系统的错误位。如果两个SSI通道中位置值有差异，错误信息将被直接传递给另外一个通道。因此，只要有一路通道在运行，就可实现两个系统的诊断。

校验和Checksum

通过在SSI信号中的所有的用户数据可以计算出8位CRC校验和，并且通过SSI信号输出给上位机。安全数据：MT和ST数据，错误数据位，寿命计数器符号，代码间距=3：两个非正确数据位将被安全的认知。

寿命计数器符号

寿命计数器符号将在编码器系统的每个检测过程中被增加。被增加的寿命计数器符号可以确保到上一个最新的报文信号中，实际的传输数据是由一个新的检测产生的。假如SSI的要求速度快于内部检测（500 µs 主测系统, 500 µs 安全系统），位置数据信息和寿命计数器符号将不发生变化。