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圖片來(lái)源：Posital Fraba

作者：Klaus Matzker

安全性應(yīng)始終是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這對(duì)于諸如升降機(jī)、工業(yè)機(jī)器人或建筑機(jī)械來(lái)說(shuō)尤其如此，因?yàn)樵O(shè)備故障或失去控制可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的傷害或損害。在某些行業(yè)，法律規(guī)定要進(jìn)行正式的安全分析以減少發(fā)生嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，提高操作安全性的一個(gè)關(guān)鍵是確保系統(tǒng)所依賴的維持控制的傳感器是值得信賴的。諸如編碼器、傾角儀等傳感器，必須對(duì)被控機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)/位置提供可靠的反饋。在傳感器發(fā)生故障的情況下，這些設(shè)備必須向控制系統(tǒng)提供反饋回路失效的明確信息，并應(yīng)采取行動(dòng)限制或停止操作。

確保運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可靠和故障安全的一種廣泛使用的方法，是在反饋回路中引入一定程度的冗余。如果控制系統(tǒng)從測(cè)量相同機(jī)械性能的兩個(gè)不同傳感器接收到同樣的信號(hào)，則可以合理地假設(shè)兩個(gè)系統(tǒng)均正常運(yùn)行。如果讀數(shù)不同，則表明可能存在故障。

一些傳感器制造商提供的編碼器具有內(nèi)置的冗余功能，其形式是將兩個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)測(cè)量模塊安裝在一個(gè)殼體內(nèi)，共享一個(gè)軸。一個(gè)專用的驗(yàn)證芯片來(lái)監(jiān)控這兩個(gè)模塊的輸出，以檢查測(cè)量結(jié)果是否一致。如果檢測(cè)到差異，則該芯片可阻止將可疑數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鳎瑫r(shí)指示故障。借助此故障安全功能，這些編碼器可以被認(rèn)證為性能等級(jí)PLd，Cat.3認(rèn)證（根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 13849）或SIL3（根據(jù)IEC 61508）。認(rèn)證需由專門的許可機(jī)構(gòu)進(jìn)行。

▎光學(xué)和磁性傳感器元件是絕對(duì)編碼器，可在單圈和多圈模式下 測(cè)量位置值，無(wú)需電池和維護(hù)。

因?yàn)榻?jīng)過(guò)安全認(rèn)證的編碼器，可以確保為控制系統(tǒng)提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的位置數(shù)據(jù)或明確的故障指示，因此可用于簡(jiǎn)化安全重要系統(tǒng)的開發(fā)。但是，它們也有缺點(diǎn)。在處理故障工況時(shí)，這種方法可能不夠靈活：因?yàn)檫@些傳感器只是簡(jiǎn)單地關(guān)閉，它們不提供關(guān)于如何將機(jī)器過(guò)渡到安全狀態(tài)的指導(dǎo)。

由于獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)證成本很高，所以經(jīng)過(guò)認(rèn)證的設(shè)備也可能比普通編碼器貴。此外，它們僅能用在數(shù)量有限的機(jī)械配置中，因此機(jī)械制造商可能必須使用適配器才能使其適用于設(shè)計(jì)。

對(duì)于在時(shí)間緊迫的情況下開發(fā)的一次性產(chǎn)品或小批量產(chǎn)品，使用SIL或PL認(rèn)證編碼器的便利性（較短的開發(fā)時(shí)間、所需的安全知識(shí)較少），可能會(huì)超過(guò)這些設(shè)備的額外成本和有限的可用性。

對(duì)于與安全相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，多元冗余編碼器為經(jīng)安全認(rèn)證的編碼器提供了一種價(jià)格更便宜、更靈活的替代方案。與經(jīng)過(guò)認(rèn)證的同類產(chǎn)品一樣，這些設(shè)備在共享的機(jī)殼（冗余）中內(nèi)置了兩個(gè)測(cè)量模塊。

在這種情況下，來(lái)自兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)都通過(guò)CANopen網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鳎ɡ缈删幊踢壿嬁刂破骰蚬I(yè)計(jì)算機(jī)）。控制器負(fù)責(zé)比較兩個(gè)半獨(dú)立測(cè)量系統(tǒng)的輸出，以驗(yàn)證兩個(gè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

為了減少共因故障風(fēng)險(xiǎn)，這些設(shè)備分別采用了磁性和光學(xué)測(cè)量技術(shù)。這些測(cè)量系統(tǒng)串聯(lián)安裝在一個(gè)共享的軸以及一個(gè)共同的殼體中。

可用選項(xiàng)列表包括堅(jiān)固的外殼，其設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP67；不同的連接器類型；以及多種類型的法蘭和軸（空心或?qū)嵭妮S）。這些可選項(xiàng)，使其可以集成到新機(jī)器或現(xiàn)有機(jī)器中。通信可通過(guò)CANopen接口處理。

經(jīng)安全認(rèn)證的編碼器適用于惡劣環(huán)境和廣泛的工作溫度。磁性編碼器技術(shù)很堅(jiān)固，光學(xué)元件通過(guò)增加一個(gè)額外的膜來(lái)特別防止冷凝水。光學(xué)和磁性傳感器元件是絕對(duì)編碼器，可在單圈和多圈模式下測(cè)量位置值，無(wú)需電池和維護(hù)。

▎安全編碼器可用于諸如重型 建筑設(shè)備、移動(dòng)機(jī)械、起重機(jī)技 術(shù)、電梯和復(fù)雜產(chǎn)品的復(fù)雜組裝 技術(shù)等應(yīng)用。

這些設(shè)備比經(jīng)過(guò)特殊安全認(rèn)證的編碼器更便宜，功能更廣泛，同時(shí)在提高功能安全性方面很有效。為了幫助進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全認(rèn)證，制造商提供了平均失效時(shí)間（MTTFd）數(shù)據(jù)。安全編碼器的廣泛應(yīng)用包括重型建筑設(shè)備、移動(dòng)機(jī)械、起重機(jī)技術(shù)、電梯和復(fù)雜產(chǎn)品的復(fù)雜組裝技術(shù)。

對(duì)于許多項(xiàng)目，多元冗余的編碼器可以提供有效且具有成本效益的解決方案。兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道為制造機(jī)器奠定了良好的基礎(chǔ)，使其符合ISO 13849的要求，獲得性能等級(jí)PLd,Cat3認(rèn)證。

多元冗余編碼器還可以靈活地處理故障情況。在某些情況下，控制系統(tǒng)可以使用其它系統(tǒng)知識(shí)來(lái)合理評(píng)估哪個(gè)冗余測(cè)量模塊發(fā)生故障，以及尚存的模塊是否可以提供有用的位置數(shù)據(jù)。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以實(shí)施一種限制性的操作模式，以延長(zhǎng)機(jī)器的可用性，直到有缺陷的設(shè)備被替換。

本文來(lái)自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2021年4月刊《技術(shù)之源》欄目：如何為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)選擇最適合的編碼器？