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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 編碼器

SIL3安全編碼器助力實現工業4.0

發布日期：2022-10-09 點擊率：59

關鍵詞：編碼器工業4.0
摘要：TR-Group集團成立于1983年，是國際領先的傳感器制造商和系統解決方案的供應商，是集生產與銷售于一體的自動化系統集團公司。

TR-Group集團成立于1983年，是國際領先的傳感器制造商和系統解決方案的供應商，是集生產與銷售于一體的自動化系統集團公司。公司總部位于德國Trossigen，在工業自動化領域有著30多年的歷史和經驗積累，公司總部目前擁有400多位員工，在30多個國家設立了子公司及銷售代表處，一直是工業自動化領域的忠實合作伙伴。

TR-Group傳感器業務子公司TR-Electronic GmbH的核心是研發和生產各種傳感器，包括旋轉編碼器、直線位移傳感器和集成位置檢測及控制的智能控制伺服電機、光柵尺、激光測距儀等產品。TR-Electronic于1983年開始生產光電絕對值旋轉編碼器，是機械齒輪計圈技術的發明者之一，生產的絕對值多圈旋轉編碼器最高分辨率可達36位，幾乎可以提供目前工業自動化領域使用的所有工業接口的旋轉編碼器。生產的外徑為22mm的絕對值編碼器CMV22S/M是目前世界上外徑最小的絕對值編碼器，生產的QDH80S/M系列絕對值編碼器是專為劇院舞臺控制技術研發的雙重冗余產品，生產的CD_75系列編碼器是世界上首款經過SIL3安全認證編碼器。TR-Electronic能夠成為一家在業界技術和產品領先的編碼器制造商，完全歸功于400多名員工在產品技術和產品組合中的不斷創新和完善，以及30多年來與客戶成功的編碼器項目合作的經驗積累。通過與德國當地高校的技術合作，為公司提供與時俱進的產品技術和研發人員，同時客戶對編碼器產品機械結構、輸出方式，人機界面和接口技術的不斷新的要求，確保了TR技術的革新和產品的創新。

編碼器的發展發展方向

工業即將進入工業4.0時代，需要通過信息物理融合的智能機器來實現智能工廠和智能生產。需要實現智能機器，機器設備會在必要部位使用傳感器來實現感知，但簡單的實現感知只能實現自動化，并不能達到真正意義上的智能。智能的另一面是機器設備需要知道執行的自動化動作是安全可靠的，無錯的。或者說控制器首先必須知道機器設備的傳感器是否是處于正常工作狀態，輸出的傳感數據是有效可靠的，才能去執行智能和安全機器動作。因此，國際上的許多編碼器生產企業開始研發具有診斷功能的安全編碼器。但目前大部分方案是都需要借助外部模塊來診斷編碼器的狀態和編碼器輸出數據的安全性。TR-Electronic是編碼器安全方面的專家，從2003年研發生產的雙重冗余絕對值安全編碼器，2009年推出SIL3認證的安全編碼器到2011年推出全系列以Profisafe, Open safety等安全協議為基礎的SIL3安全認證編碼器，TR-Electronic不斷的在安全領域實現技術革新和產品創新，成為了安全旋轉編碼器領域的先驅和專家。

SIL3/PLe安全認證的旋轉編碼

TR-Electronic的CDV75S/M實軸和CDH75S/M空心軸SIL3安全認證編碼器，是世界上首款推出無需配置額外安全模塊而能獨立達到SIL3/PLe標準（SIL3：IEC61508/EN62061，PLe：EN ISO 13849-1）的安全旋轉編碼器，并且此款編碼器的研發過程，技術和生產過程都經過TüV認證，達到每個產品的100%質量檢測。這是一款智能雙重冗余安全旋轉編碼器，內部包含一個主測系統和安全測量驗證系統。主系統使用光電感應檢測旋轉軸的單圈分辨率，旋轉圈數由行星齒輪結構機械計圈，不含電子存儲器計圈模塊，最大計圈可達32768圈。同時，主測系統的光學檢測還能提供脈沖數從1024到32768可選的增量方波或正余弦信號。安全測量系統則使用中央磁感應技術檢測單圈分辨率，而用機械齒輪和磁學感應技術計圈，最大計圈也為32768圈。有多種輸出接口可供選擇，如：帶Checksum的雙SSI輸出，Profisafe over Profibus, Profisafe over Profinet, Powerlink open safty 和 safty over EtherCAT。

安全旋轉編碼器內部會通過安全系統的絕對位置對主測系統的絕對位置值進行比較校驗，如果小于設定的容差閾值，認定安全旋轉編碼器系統為安全。并通過安全積分時間參數計算出安全速度和安全位置值。

通常主測系統測得的實際絕對值位置數據和經計算所得的速度數據將通過非安全過程數據通道和數據協議，如Profibus-DP或Profinet IO，傳輸給控制器來實現常規自動化控制任務，數據傳輸周期時間為0.5ms。而安全位置值和計算所得的安全速度將通過安全通道和安全協議部分，如Profisafe輸出給控制器執行安全相關的安全任務,數據傳輸周期時間為5ms。

通過PROFIsafe設置參數，確保參數安全

1、預設值：

編碼器可以把初始輸出值設定為根據機器特定位置換算成的并且在編碼器量程范圍內的任意參考值。但預設值的設定是一個與安全非常相關的操作。編碼器輸出值的突變會導致機器執行一個未知并不受控制的運行動作。因此CD_75和CD_582安全旋轉編碼器的預設值設定必須在編碼器靜止狀態，并且這個預設值必須被鎖存到編碼器中，僅能夠通過安全通訊協議修改。

2、允許的位置偏差閥值：

主系統與安全系統的位置數據進行比較，如果差值小于允許的位置偏差閥值，認為編碼器的測量數據是安全的。

3、靜止狀態的容差范圍：

預設值的設定必須在靜止狀態，可以根據驅動器不同，設置靜止狀態的容差范圍。

4、方向：

順時針為正/逆時針為負

5、積分時間：

在低速轉動時，高積分時間，可以得到越高的速度測量分辨率。或者積分時間越低顯示的速度改變更快:更適合于高速旋轉或高動態控制。非安全數據通道的時間基是5…50ms，安全數據通道的時間基是50…500ms。

為了確保以上2到5的可編程參數的安全可靠性，這些可編程參數首先會被輸入TR-Electronic提供的iParameters軟件中計算出F_iPar_CRC，并必須事先手動輸入F-Host工程工具中。在每次設備啟動時，這些參數都會被通過控制器的非安全通道傳輸給編碼器，并通過安全參數F_iPar_CRC驗證，如果通過驗證, 才能被編碼器接受和生成安全正確的設備特征參數，并執行后期相關的安全控制任務。

SIL3/PLe安全認證旋轉編碼實現全區域功能安全。

在很多安全要求很高的應用中任然使用傳統的帶增量輸出的絕對值編碼器。增量信號用作速度反饋和絕對值位置用作位置反饋來實現電機定位。但使用這種方法，機器設備運行時存在安全隱患，因為只有一個可用的絕對值位置數據，假如存在數據丟失或數據突變，這樣的錯誤往往是無法被機器設備檢測認知的。從而機器會根據錯誤數據的位置或速度反饋執行未知的危險動作。

而改進的常規解決辦法是在編碼器和控制器之間加入一個安全模塊去測試編碼器輸出的數據。根據旋轉編碼器的特點，安全模塊能夠設別獲取的位置值或速度是否安全，并且安全功能模塊能夠根據設定的限位值和限位功能的參數去判斷機器設備的狀態是否安全或驅動是否應該保持運轉還是立刻制動。但使用這個安全模塊只能保證使用了這個安全模塊的區域部分為功能安全區域，并且安全模塊必須完全正確編程和參數化設置，編碼器必須滿足安全模塊制造商的技術要求。另外，需要額外的第二個編碼器或和模塊為控制器提供控制任務所需的絕對值位置和速度信息，并且這些控制區域仍為未經安全確認的區域。

為了使客戶能夠實現機械設備整體完全有效的功能安全，TR-Electronic推出了CD_75和CD_582智能SIL3安全認證雙重旋轉編碼器解決方案。

由于旋轉編碼器本身具有自我檢測和診斷功能，雙系統通過驗證得到的安全位置和安全速度可以通過安全數據通道和協議PROFIsafe輸出給一個同等經過安全認證的安全控制器，安全控制器可以使用這些安全數據執行安全相關的控制任務（包含驅動電機的安全控制任務和需要使用編碼器位置和速度信號的其他安全控制任務）。這樣不僅實現了與連接編碼器的驅動電機直接相關的某個區域的功能安全，還可以實現使用這些安全數據執行其他安全任務的機械設備整體性功能安全。同時，安全控制器還能使用通過常規非安全過程數據通道PROFIBUS或PROFINET獲取的數據執行常規的控制任務。

與之前常規改進的功能安全組合方法相比，無需額外的SIL安全認證模塊，無需額外的編碼器或模塊提供控制所需的位置或速度信息，減少了模塊和連接電纜，降低了成本和出錯機率，提高了安全系數。最關鍵實現了使用編碼器數據控制任務的整體機械設備的SIL3功能安全。

同步監控和軸狀態監控

通常安全有效的位置信號必須通過帶PROFIsafe的CD_75M安全編碼器的安全系統的驗證。但我們也可以使用額外的帶SSI接口的CD_75M安全編碼器的安全系統去完成這個任務。兩個獨立分開的機械系統的測得的實際位置值會互相比較，假如兩者的差值小于設定的差值閾值，主系統的位置值被認為是安全。

同步監測

兩個旋轉編碼器CD_75M PROFIsafe (主測系統)和CD_75M SSI（安全系統）將被安裝在相反的傳動系統上，比如一臺龍門起重機。假如兩個旋轉編碼器的兩個測量系統的測量值大于設定的差值閾值，編碼器將通過PROFIsafe告知主控系統錯誤發生，主控系統將執行相應的故障應對安全操作。

軸狀態監測

旋轉編碼器CD_75M PROFIsafe (主測系統)將被安裝在驅動軸上，而另一個旋轉編碼器CD_75M SSI(安全系統)將被安裝在驅動軸側。由于過載或扭曲斷裂引起的軸非正確的旋轉，兩個編碼器的位置值將有偏差。加入偏差大于設定的差值閾值，編碼器將通過PROFIsafe告知主控系統錯誤發生，主控系統將執行相應的故障應對安全操作。

雙SSI輸出SIL3/PLe 安全旋轉編碼器

SSI接口的雙重旋轉安全編碼器的位置信息將通過兩個獨立的SSI接口傳輸。并且放大的SSI信號中包含了位置信息，狀態信息和Checksum確認碼。而與之相連的電子系統（控制器）將通過比較編碼器兩路SSI的位置信息來決定測量值的精確性。另外SSI信號還將傳輸額外的有用信息。比如，SSI信號會傳輸有關另外一路測量系統狀態的錯誤位，因此通過這個錯誤控制器可以診斷錯誤出發生在旋轉編碼器內部（另外一路測量系統的SSI信號錯誤位也為1），或錯誤發生在傳輸電纜上（另外一路測量系統的SSI信號錯誤位也為1）。

兩個測量系統都在放大的SSI的數據信號中傳輸實際位置值

錯誤數據位

在兩個SSI通道中都顯示兩個測量系統的錯誤位。如果兩個SSI通道中位置值有差異，錯誤信息將被直接傳遞給另外一個通道。因此，只要有一路通道在運行，就可實現兩個系統的診斷。

校驗和Checksum

通過在SSI信號中的所有的用戶數據可以計算出8位CRC校驗和，并且通過SSI信號輸出給上位機。安全數據：MT和ST數據，錯誤數據位，壽命計數器符號，代碼間距=3：兩個非正確數據位將被安全的認知。

壽命計數器符號

壽命計數器符號將在編碼器系統的每個檢測過程中被增加。被增加的壽命計數器符號可以確保到上一個最新的報文信號中，實際的傳輸數據是由一個新的檢測產生的。假如SSI的要求速度快于內部檢測（500 μs 主測系統, 500 μs 安全系統），位置數據信息和壽命計數器符號將不發生變化。