功能安全,早布局早受益

文:文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司2025年第六期

導語:功能安全,正在成為越來越的多用戶關注的焦點。尤其對于規(guī)劃“出?!钡谋就翙C器制造商而言,功能安全,是一個需要未雨綢繆的技術布局。在很長時間里,人們都認為安全是高投入而低回報。但,首要的在于生命的重要性,其次,對于用戶而言,安全還意味著重值資產的保護。對于機器制造商來說,安全也意味著一個機遇,進入新市場,拉開在競爭中的差距,以獲得高回報。

  1 安全:作為一種準入“門檻”

  功能安全(Funtional Safety),就是進入工廠的設備需要滿足功能安全一致性認證的需求。它主要是為了避免重大的人身安全事故。因為如果出現人身安全事故,對于大型的終端生產企業(yè)而言,則意味著巨額賠償,以及監(jiān)管的審查、停業(yè)整頓等等。這將造成較大的企業(yè)財務及形象等多方位的損失,因此,終端生產企業(yè),會對裝備提出安全方面的設計需求,并且和自身工廠的其他安全系統(tǒng)構成整體的安全保障。

  2 安全關乎效率

  事實上,功能安全的設計思想在于“平衡效率與安全之間的關系”,既要保證安全,又要確保生產的連續(xù)性。接下來用幾個典型場景來作詳細說明。

  (1)場景1:SLS安全速度限制(圖1)

  對于很多連線的生產,如果因為安全而造成了停機的話,就會造成在制品的損耗,以及為此而需要重啟生產帶來的開機浪費。對于一些高附加值的生產來說,這就會是較大的損失。那么,基于較高動能的設備會造成人身傷害,如果采用SLS安全限速,這個速度就會僅限于低速度,例如從10m/S降低到0.5m/S,它并未完全停止,但又不會對人體造成傷害。

  (2)場景2:STO安全扭矩切出(圖2)

  對于進入一個裁切刀的區(qū)域的人來說,這個風險會較大,但采用STO安全扭矩切出,它就可以讓這個伺服驅動器處于停止,其編碼器位置并未丟失;當人離開這一危險區(qū)域的時候,就將繼續(xù)工作,從原來的位置開始,并不會丟失工作信息。

  凡此種種,包括在安全系統(tǒng)的設計等,在安全系統(tǒng)的規(guī)劃中都預先需要考慮這些問題。

  (3)場景3:當機器的配置更換時,安全系統(tǒng)如何適應變化?

  安全系統(tǒng)需要嚴格的設計,若是每次都要重復繁雜的驗證過程的話,那就會帶來較大的工程不便。而基于“模塊化”的軟件思想構建的安全系統(tǒng),則可以采用模塊化的機器構造整體安全系統(tǒng)。它在系統(tǒng)拆除其中一個機械單元,或新增一個單元時,僅需要配置或依靠系統(tǒng)的自動識別功能來實現安全系統(tǒng)的適配(圖3)。

  這些經常發(fā)生在長流程類的生產,如印刷后道裝訂、食品飲料包裝等領域。機器系統(tǒng)組合發(fā)生變化的時候,安全系統(tǒng)也可以跟隨其配置變化。

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  3 安全,須未雨綢繆

  對于今天中國的機器制造商,越來越多的希望“出?!?,但是安全就是個必須要考慮的。之所以如此,因為,安全還是一個較長周期的開發(fā)任務。

  安全是一個包括了風險評估、系統(tǒng)選型、程序、測試驗證、運行部署、維護、拆除全生命周期等概念的系統(tǒng)。因此,它通常需要較長的技術布局,要讓安全的應用處于“Ready”的狀態(tài),才能在一旦需要時,快速把握市場的機會。

  4 完整的安全產品家族

  貝加萊的機器功能安全具有非常悠久的歷史產品線,并經過不斷的更新發(fā)展, 目前已經形成了非常完整的安全系列(圖4)。

  貝加萊完整的安全產品與技術包括了以下幾個方面:

  (1)SafeLOGIC

  安全邏輯控制器,基于功能安全規(guī)范設計的安全型控制器,其內部采用冗余架構支持,包括安全的芯片及設計認證(圖5)。

  貝加萊安全控制器包括標準的Safe LOGIC和小型的SafeLOGIC X,后者僅針對20個安全節(jié)點的小型安全應用。

  (2)SafeMOTION

  貝加萊的SafeMOTION包括了硬件的安全電機,以及安全的驅動器ACOPOSmulti、ACOPOS P3、ACOPOSmotor均有安全認證,同時,也包括這些安全硬件運行的安全功能(圖6)。

  SafeMOTION包括以下部分:

  · STO:安全扭矩切出

  · SOS:安全停車

  · SLS:安全速度限制

  · SLI:安全增量限制

  · SLA:安全加速限制

  · SLT:安全扭矩限制

  · RSP:安全的剩余位置

  · SBT:安全剎車測試

  · SBC:安全剎車控制

  · SSO:安全速度觀測器

  · 其它還包括:安全的編碼器監(jiān)測、停電模式、安全節(jié)點參數功能等。

  (3)SafeROBOTICS

  機器人系統(tǒng)由于其牽扯到坐標變換,以及每個軸的動作解析。其功能安全主要聚焦于末端中心點(TCP)的相關功能,如SLS@TCP——即,末端中心點的速度限制,即,通過TCP的速度限制,來降低安全風險。如圖7所示,還包括位置限制、方向限制以及空間限制等。

  (4)SafeIO

  除了X20系列刀片I/O的安全模塊,貝加萊還有IP67防護等級的安全I/O模塊(圖8);同時,安全I/O也包括了模擬量和溫度的模塊;這些I/O本身也是做了涂層處理,包括寬溫、潮濕工況下的適應力。

  (5)SafeDesigner

  在功能安全系統(tǒng)設計中,其設計軟件本身也是要經過認證的,SafeDesigner則是貝加萊針對安全類應用的設計軟件。實際上,它也是遵循PLCopen Safety的標準化模塊編程,并經過了測試認證的軟件(圖9)。

  (6)openSAFETY

  openSAFETY是安全的控制器、驅動、I/O站以及第三方安全設備之間的通信規(guī)范。它能夠實現確保功能安全的數據通信,包括對安全相關的交互,以及安全相關的數據幀出現差錯的處理機制。

  openSAFETY是經過嚴格現場驗證的成熟總線,基于POWERLINK的網絡傳輸機制,符合IEC61784-3標準的規(guī)范。

  綜合以上,可以較為全景地看到貝加萊有著非常完整的功能安全產品技術體系,能夠滿足各個領域的機器安全開發(fā)所需的基礎平臺支撐。

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  5 安全認證

  貝加萊的安全認證包括來自TUV/GL/UL相關的認證,最新的UL6200為進入氫能領域的設備也提供安全控制系統(tǒng)認證(圖10)。

  貝加萊產品系列還通過了以下眾多的安全相關標準:

  · IEC 61508 ED 2《電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全》

  · ISO 13849-1《機械安全控制系統(tǒng)設計原則》

  · IEC 62061《機械安全 -- 與安全有關的電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全》

  · IEC 61511《過程工業(yè)安全儀表系統(tǒng)》

  · EN 50156《熔爐與附屬設備的安全系統(tǒng)》

  · EN 692 / EN 693 / EN 12622 / EN 13736,分別是針對《機床-機械壓力機的安全》、液壓機CE認證及安全、《機床安全-液壓制動器》、《機床安全-氣動壓力機》等安全標準與規(guī)范。

  除了安全相關認證之外,貝加萊的全系列控制產品均經過了如DNV-GL的船級社認證,因此,如果用戶希望能夠安全地開辟新機遇,貝加萊將會和用戶一道,共同探討如何讓機器在競爭中通過安全能力進而增值。

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