呂剛

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

西門子S120驅(qū)動系統(tǒng)安全集成功能在發(fā)動機生產(chǎn)上的應(yīng)用

呂剛

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

本文介紹了西門子S120系列驅(qū)動器安全集成功能的基本知識和雙通道概念，實際應(yīng)用中幾種常見類型的介紹：安全扭矩關(guān)斷功能、安全停止方式1功能、安全剎車控制功能。以外部接線端子激活方式為準(zhǔn)講述使用環(huán)境介紹，如何設(shè)置相關(guān)參數(shù)，激活和取消這些安全集成功能。以發(fā)動機機加工行業(yè)輔機的常見機床應(yīng)用為典型案例，介紹了電氣設(shè)計，參數(shù)設(shè)置，工作機理的流程和實現(xiàn)。

安全集成功能安全扭矩關(guān)斷安全停止方式1安全剎車控制

1 引言

隨著機械加工工業(yè)技術(shù)的進步，性能的不斷提升，發(fā)動機制造業(yè)采用的加工機床的零部件越來越精密緊湊、電氣控制系統(tǒng)的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)集成度越來越高、加載使用功能日益豐富、用戶程序編程和參數(shù)設(shè)置功能也越來越強大，而從使機床的體積變得越來越小，而各運動軸的運動軌跡更加復(fù)雜和交疊。為了防止相關(guān)故障和非安全工況導(dǎo)致機床零部件的碰撞損壞，以及加強對機床操作和維護人員的安全防護，使用單位對機床的安全保護功能的要求也越來越高。西門子驅(qū)動系統(tǒng)在多代系列產(chǎn)品中，安全集成技術(shù)越來越可靠且富有成效。其安全測試和實際運行情況越來越好。本文采用西門子新一代驅(qū)動系統(tǒng)S120系列的CU310DP控制單元+PM340功率單元的單軸控制驅(qū)動系統(tǒng)在發(fā)動機制造行業(yè)機加工設(shè)備中的應(yīng)用為例，研究如何使用其安全集成功能來實現(xiàn)對設(shè)備驅(qū)動軸的保護和對操作維護人的安全防護。運用典型工況加以說明。

2 S120驅(qū)動系統(tǒng)安全集成功能的基本知識

該安全集成功能使得應(yīng)用于人機雙方的保護機制更高效地得到執(zhí)行。與傳統(tǒng)的用驅(qū)動電源繼電器斷路，或者斷開驅(qū)動器使能信號來切斷軸的正常運行以保護操作人和設(shè)備的做法相比，它的安全保護機制響應(yīng)速度更快，應(yīng)用范圍更加柔性化，能采用的技術(shù)手段更全面、更合理。采用安全集成功能的S120驅(qū)動系統(tǒng)及其連接器件需要滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：

EN 954-1/ⅠSO 13849-1的第三種類和ⅠEC 61508的第二級安全級。

S120驅(qū)動系統(tǒng)安全集成功能一個很重要的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)就是雙通道監(jiān)控。在驅(qū)動系統(tǒng)中，相關(guān)的硬件和軟件功能是在2個獨立的通道中運行并同步監(jiān)控的。這2個通道是伺服電機軸的控制單元，以及該伺服電機軸的電機單元或電源單元。監(jiān)控的內(nèi)容包括關(guān)閉路徑，數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)比較。當(dāng)2個通道監(jiān)控的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不一致時，安全集成功能就會觸發(fā)這2個通道，使之都處于軸停止控制狀態(tài)而無法運行。所以在相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及外部器件接入的信號判別方面必須保證這2個通道處于同步一致的狀態(tài)。監(jiān)控時鐘循環(huán)周期規(guī)定了這2個通道的安全集成功能監(jiān)控掃描循環(huán)周期。參數(shù)r9780為控制單元的監(jiān)控周期，參數(shù)r9880為電機單元的監(jiān)控周期。一般情況下這2個周期設(shè)置為最小值4 ms，這樣監(jiān)控下的安全集成功能反應(yīng)速度最優(yōu)。

3 S120驅(qū)動系統(tǒng)安全集成功能的分類與實現(xiàn)

S120驅(qū)動系統(tǒng)安全集成功能有基本功能和擴展功能，功能實現(xiàn)各有幾種分類。基本功能是S120驅(qū)動器提供的模板功能，而擴展功能需要高級別的固件版本及特別授權(quán)。為了更有針對性和應(yīng)用性，以下僅討論S120系列CU310DP驅(qū)動器以接線端子的方式實現(xiàn)基本安全功能。

3.1 安全扭矩關(guān)斷

安全扭矩關(guān)斷是從驅(qū)動器內(nèi)部關(guān)斷扭矩裝置的動力單元。當(dāng)該功能激活時，驅(qū)動器隨即處于安全狀態(tài)，驅(qū)動系統(tǒng)的控制單元和電機單元運行指令脈沖被禁止。在驅(qū)動器安全功能被取消和重新啟動之前，驅(qū)動軸不會因為機床給出指令而產(chǎn)生位移，確保機床安全。需要注意的是：該功能是切斷了驅(qū)動軸的內(nèi)部電源供給，使軸處于無扭矩自由狀態(tài)，若有外力施加則可能使軸發(fā)生位移。該功能使能和激活的方法如下：（1）設(shè)置控制參數(shù)p9601.0=1，使能控制單元的接線端子安全扭矩關(guān)斷功能。（2）設(shè)置控制參數(shù)p9801.0=1，使能電機單元的接線端子安全扭矩關(guān)斷功能。（3）控制參數(shù)p9620.0為設(shè)置安全扭矩關(guān)斷功能激活的控制單元信號源，是一個互聯(lián)參數(shù)?？梢栽O(shè)置p9620.0＝r722.0－r722.3為信號源，即CU310DP控制單元的X121.1至X121.4為輸入接線端子。而X121端口為控制單元的輸入輸出端口。（4）CU310DP接線端子X120.7（EP 24Ⅴ+）和X120.8(EP M)為安全扭矩關(guān)斷功能的電機單元信號源。這2個信號源必須同步通斷，以確保2個通道安全監(jiān)控的一致性。當(dāng)信號源輸入出現(xiàn)1變0的變化脈沖，該功能被激活。（5）狀態(tài)參數(shù)r9772.1=1為控制單元的安全扭矩功能已激活，狀態(tài)參數(shù)r9872.1=1為電機單元的安全扭矩功能已激活。

3.2 安全停止方式1

安全停止方式1是基于安全扭矩關(guān)斷功能基礎(chǔ)上更有效和更有控制性的安全停止保護功能。它的原理是：當(dāng)該功能激活時，驅(qū)動器啟動電磁制動，使伺服電機以O(shè)FF3方式制動，當(dāng)超過驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置的時間后，伺服電機即進入安全扭矩關(guān)斷模式。OFF3是驅(qū)動器以斜坡方式減速制動的一種制動功能。以O(shè)FF3方式制動時，參數(shù)定義的時間到達時，伺服電機即制動完畢進入靜止?fàn)顟B(tài)。

安全停止方式1基于安全扭矩關(guān)斷功能之上，使能該功能的前提是已使能了安全扭矩關(guān)斷功能。以下是該功能使能和激活的方法：（1）設(shè)置控制參數(shù)p9601.0=1和p9801.0=1，使能控制單元和電機單元的安全扭矩功能。（2）設(shè)置控制參數(shù)p9620.0為安全停止方式1激活的控制單元信號源。控制單元和電機單元信號源的設(shè)置方法與安全扭矩關(guān)斷功能的相同。（3）控制參數(shù)p1135為OFF3斜坡下降時間，設(shè)置一個合適的數(shù)值。（4）控制參數(shù)p9652和p9852為控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間。從安全停止方式1激活起，至達到該功能延遲時間時，安全停止方式1取消，進入安全扭矩關(guān)斷狀態(tài)。這2個參數(shù)設(shè)置數(shù)值相同，最好略大于p1135，以確保該伺服電機能安全停止。

當(dāng)狀態(tài)參數(shù)r9772.1=1和r9872.1=1時，安全停止方式1功能結(jié)束，進入控制單元和電機單元安全扭矩關(guān)斷功能激活的狀態(tài)。

3.3 安全剎車控制

安全剎車控制功能用于控制伺服電機的內(nèi)部抱閘裝置。當(dāng)該功能激活時，抱閘裝置的接通電流斷開，伺服電機被抱閘而剎車，即使在外力如軸機械裝置的自身重力驅(qū)使下也能保持停轉(zhuǎn)，從而保持電機處于安全停車狀態(tài)。安全剎車功能的硬件基礎(chǔ)是伺服電機帶內(nèi)部剎車裝置，并且驅(qū)動器電機動力接口剎車線已接。與普通的驅(qū)動器檢測到硬件或軟件出錯后抱閘裝置自動關(guān)閉不同，該功能是雙通道控制。在期望的安全工況不滿足時，控制單元和電機單元同時觸發(fā)，激活安全剎車控制功能，確保機床安全。必須在安全扭矩關(guān)斷或者安全監(jiān)控功能使能的基礎(chǔ)上該功能才能被激活，也就是安全剎車控制功能必須和其一起使用才有效。該功能使能和激活的方法如下：

（1）設(shè)置參數(shù)p9601≠0和p9801≠0，在本文討論的應(yīng)用中，可設(shè)置p9601.0=1和p9801.0=1，即安全剎車控制功能和安全扭矩關(guān)斷功能同時使用。（2）設(shè)置控制參數(shù)p9620.0為安全剎車控制功能激活的控制單元信號源?？刂茊卧碗姍C單元信號源的設(shè)置方法與安全扭矩關(guān)斷功能的相同。（3）設(shè)置控制參數(shù)p9602=1，使能控制單元的安全剎車控制功能；設(shè)置控制參數(shù)p9802=1，使能電機單元的安全剎車控制功能。（4）設(shè)置參數(shù)p1215=1為順序控制剎車類型。參數(shù)p1215為伺服電機剎車類型。為了使安全剎車控制功能有效，該參數(shù)的數(shù)值不允許為0或者3。

狀態(tài)參數(shù)r9772.4為控制單元的安全剎車功能觸發(fā)請求，狀態(tài)參數(shù)r9872.4為電機單元的安全剎車功能觸發(fā)請求。

3.4 基本安全功能應(yīng)用環(huán)境

這3個安全功能在驅(qū)動系統(tǒng)上能正常應(yīng)用需要滿足一定的安全功能版本。對于控制單元和電機單元，最低的安全版本都是Ⅴ02.04.01。在狀態(tài)參數(shù)r9770和r9870中可以查看控制單元和電機單元的安全版本。

以上介紹的相關(guān)參數(shù)都是與安全相關(guān)的參數(shù)，需要在調(diào)試模式下進行更改。設(shè)置控制參數(shù)p0010=95為調(diào)試模式。輸入正確的密碼參數(shù)p9761的值后，就可以修改這些安全參數(shù)。修改完畢后將p0010改回原來數(shù)值并將設(shè)備關(guān)機再開機，設(shè)置好的安全功能即生效。

3.5 基本安全功能撤銷與驅(qū)動系統(tǒng)運行再激活

當(dāng)安全功能觸發(fā)后，相應(yīng)的軸處于停止運行的保護模式狀態(tài)。在這種模式下，該軸運行的驅(qū)動使能信號丟失，脈沖指令被禁止。重新使軸恢復(fù)運行前的準(zhǔn)備完畢模式，需按以下步驟進行：

（1）取消控制單元和電機單元的安全保護功能信號源激活模式，即將這2個通道的信號源信號輸入狀態(tài)由0變?yōu)?。（2）給出驅(qū)動使能信號。（3）取消驅(qū)動器重新上電禁止指令并且重新上電。方法是：①ON/OFF1輸入信號源由1變?yōu)?，即取消驅(qū)動器重新上電禁止指令；②ON/OFF1輸入信號源由0變?yōu)?，即驅(qū)動器重新上電。

ON/OFF1信號源為互聯(lián)控制參數(shù)p840設(shè)置的內(nèi)容。在驅(qū)動器正常運行時，信號源為狀態(tài)1。當(dāng)出現(xiàn)下降沿時，會使驅(qū)動器沿斜坡函數(shù)發(fā)生器斜線進行制動并取消脈沖。為了使用靈活方便，一般設(shè)置信號源為驅(qū)動器的輸入端子，如p840=r722.2。

4 S120安全集成功能在機加工行業(yè)輔機中的應(yīng)用范例

4.1 應(yīng)用范例背景介紹

在發(fā)動機制造行業(yè)，除加工中心等數(shù)控設(shè)備外，還有很多輔機設(shè)備。比如PLC流水線設(shè)備、清洗機、座圈導(dǎo)管壓機、油道水道測漏機、缸孔缸套測量機等。這些設(shè)備會經(jīng)常需要在某個區(qū)域、某個方向精準(zhǔn)定位，進行工位動作。用西門子S120系列驅(qū)動器就可以很好地達到敏捷反應(yīng)和高精度的定位要求。在此以機體缸孔缸套測量機為典型案例進行說明。它是以西門子S7-300 PLC為控制器，通過PROFⅠBUS總線與2臺CU310DP驅(qū)動器通訊。一臺驅(qū)動器控制X向即水平方向，水平移動機體至各個缸孔工位的測量位置，對應(yīng)M1伺服電機；另一臺驅(qū)動器控制Z向即垂直方向，垂直移動測量機構(gòu)至缸孔指定深度進行測量，對應(yīng)M2伺服電機。由于M2軸為垂直軸，為了消除自重驅(qū)動軸位移的影響，軸的電機配備了抱閘。應(yīng)用上文討論的S120驅(qū)動器安全集成功能，M1軸配置安全停止方式1安全功能，M2軸配置安全停止方式1+安全剎車控制安全功能。圖1為硬件及接線電氣圖。

4.2 相關(guān)驅(qū)動安全參數(shù)設(shè)置

4.2.1 M1軸

p9601=1、p9801=1：使能控制單元和電機單元的安全扭矩關(guān)斷功能；p9620.0=r722.0：設(shè)置安全停止方式1的信號源為控制單元的第一輸入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：設(shè)置軸減速的OFF3斜坡下降時間；p9652=500 ms、p9852=500 ms：設(shè)置控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間；p840=r722.1：設(shè)置ON/OFF1的信號源為控制單元的第二輸入端子DⅠ1，即X121.2；控制單元參數(shù)p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3 r/min：定義控制單元的輸入輸出端子X121.7和X121.8為輸出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8為安全扭矩關(guān)斷功能激活狀態(tài)信號，DⅠ9為軸轉(zhuǎn)速下降至低于3轉(zhuǎn)的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)信號。

4.2.2 M2軸

圖1 安全集成功能應(yīng)用電氣接線圖

p9602=1、p9802=1：使能控制單元和電機單元的安全剎車控制功能；P1215=1：設(shè)置電機剎車類型為順序控制剎車類型；p9601=1、p9801=1：使能控制單元和電機單元的安全扭矩關(guān)斷功能；p9620.0=r722.0：設(shè)置安全停止方式1和安全剎車控制功能的信號源為控制單元的第一輸入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：設(shè)置軸減速的OFF3斜坡下降時間；p9652=500ms、p9852=500 ms：設(shè)置控制單元和電機單元的安全停止方式1功能延遲時間；p840=r722.1：設(shè)置ON/OFF1的信號源為控制單元的第二輸入端子DⅠ1，即X121.2。

控制單元參數(shù)p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3rpm：定義控制單元的輸入輸出端子X121.7和X121.8為輸出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8為安全扭矩功能激活狀態(tài)信號，DⅠ9為軸轉(zhuǎn)速下降至低于3轉(zhuǎn)的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)信號。

4.3 安全集成功能觸發(fā)工作原理

4.3.1 急停按鈕觸發(fā)安全集成功能

圖1中3TK2825為西門子安全繼電器，使用及接線可參考其使用說明書。當(dāng)急停按鈕S1被按下，Y11與Y12接口斷路，Y21與Y22接口斷路，即斷開了安全繼電器的接觸器使能，從而使繼電器處于斷開狀態(tài)。Y13與Y14和Y23與Y24的觸點同步斷開。由圖1可見，Y24接線通向M1軸驅(qū)動器和M2軸驅(qū)動器的安全功能電機單元觸發(fā)信號源接口，Y14接線通向M1軸驅(qū)動器和M2軸驅(qū)動器的安全功能控制單元觸發(fā)信號源接口，于是觸發(fā)了M1軸和M2軸各自設(shè)置好的安全集成功能。PLC控制器輸入點DⅠ3和DⅠ4可讀取各自驅(qū)動器DO8的狀態(tài)，得知兩軸處于安全可靠的停車狀態(tài)。4.3.2安全門打開觸發(fā)安全集成功能

圖1中的門鎖單元采用Euchner公司的EUC安全繼電器。按下按鈕S3請求打開機床安全門，PLC控制器的DⅠ2輸入點接收到一個0信號狀態(tài)后，PLC程序復(fù)位其輸出點DO2信號狀態(tài)為0。由于安全繼電器的Y13和Y23接口的接線來自于DO2，當(dāng)DO2狀態(tài)為0后，Y14與Y24接口各自通向的M1軸和M2軸的控制單元、電機單元安全集成功能信號源被觸發(fā)，M1軸進入安全停止方式1至安全扭矩關(guān)斷狀態(tài)，M2軸進入安全停止方式1至安全扭矩關(guān)斷+安全剎車控制狀態(tài)。當(dāng)兩軸的速度下降到零速時，當(dāng)各自驅(qū)動器的輸出信號DO9輸出狀態(tài)1送至PLC的輸入信號DⅠ5和DⅠ6，并且當(dāng)PLC的DⅠ3和DⅠ4信號也接收到了安全扭矩關(guān)斷狀態(tài)信號時，PLC程序置位其輸出信號DO1，安全門繼電器Q1得電，用戶就可以打開安全門進入機床區(qū)域。安全門打開后，安全門繼電器觸點斷開使安全繼電器3TK2825處于使能斷開狀態(tài)。

4.3.3 各軸到達位置極限觸發(fā)安全集成功能

如圖1所示，當(dāng)因意外情況使M1軸和M2軸的運動超程，壓到各自正負硬極限開關(guān)的任意一個時，即LS1、LS2、LS3、LS4中任何一個開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，極限安全指示燈LP1熄滅，PLC輸入點DⅠ7輸入狀態(tài)為0后，PLC程序復(fù)位其輸出點DO2，即DO2輸出狀態(tài)為0。由于DO2是M1軸、M2軸的電機單元和控制單元的信號源，故安全集成功能被觸發(fā)，軸進入到安全停車+安全剎車狀態(tài)，防止機床軸在意外情況下繼續(xù)運動導(dǎo)致機床損壞。

當(dāng)讀取到兩軸的安全扭矩關(guān)斷信號時，PLC控制器啟動一個脈沖來復(fù)位其輸出點DO3，使軸的ON/OFF1信號為0，允許驅(qū)動系統(tǒng)重新上電。

4.3.4 驅(qū)動系統(tǒng)重新上電運行

準(zhǔn)備條件：（1）當(dāng)兩軸壓到某個硬極限開關(guān)時，關(guān)閉極限切除開關(guān)KS1，使極限安全指示燈LP1亮，PLC輸入點DⅠ7狀態(tài)為1。若兩軸位置都在硬極限范圍內(nèi)，PLC輸入點DⅠ7正常，狀態(tài)為1。（2）確認(rèn)安全門在關(guān)閉位置。（3）急停按鈕S1已釋放。當(dāng)上述條件滿足后，啟動驅(qū)動器上電運行。方式是：按下機床安全上電按鈕S2，PLC置位其輸出點DO2，給3TK2825的Y13和Y14接口提供電源。同時復(fù)位其輸出點DO1，使安全門繼電器失電，安全門鎖上。為適應(yīng)3TK2825的工作原理，PLC輸出點DO1并聯(lián)了一個延時1秒斷開繼電器KM1。因此一秒后3TK2825的Y33和Y34出現(xiàn)短路脈沖，啟動其接觸器的線圈和觸點，進入正常運行，Y14和Y24接通電源，兩軸的雙通道安全集成功能信號源的觸發(fā)信號被取消。PLC控制器隨即啟動一個脈沖來置位其輸出點DO3，使系統(tǒng)重新上電。至此重新上電的按鈕S2可松開，驅(qū)動器恢復(fù)到正常運行模式。

5 結(jié)束語

與其他公司的驅(qū)動產(chǎn)品和西門子前代的產(chǎn)品相比，應(yīng)用了安全集成功能的S120系列驅(qū)動器在對機床和操作者的保護方面更可靠、更完善，反應(yīng)速度更快，應(yīng)用手段更豐富。機床設(shè)計者在程序設(shè)計和部件接線方面也更加方便快捷和簡單。安全集成功能使發(fā)動機制造工行業(yè)中輔機的使用更加安全可靠，因此具有推廣的使用價值。在機床的設(shè)計和維修層面，本文中的介紹提供了一些方法和思路，供參考借鑒。

1劉艷強，宋永立，王健．安全集成伺服驅(qū)動技術(shù)[J]．制造技術(shù)與機床．2012（3）：49-52．

2曹文智．西門子安全集成技術(shù)在數(shù)控機床上的應(yīng)用[J]．制造技術(shù)與機床．2008（10）：72-75．3 Siemens．Sinamics S120/S150 List Manual．10/2008．

圖3 平均行駛功率與整車速度對應(yīng)擬合計算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）本文分析對比了國標(biāo)GB/T19055-2003中400 h交變負荷試驗與規(guī)范A 400 h可靠性試驗規(guī)范的試驗工況。可見，在代表機械疲勞總數(shù)的累計轉(zhuǎn)動次數(shù)上國標(biāo)與規(guī)范A在400 h可靠性試驗上都能進行有效考核，同時規(guī)范A稍微略多于國標(biāo)。

（2）代表發(fā)動機熱負荷狀態(tài)的單位小時輸出功、折合車速及行駛里程，規(guī)范A則稍低于國標(biāo)的要求。

（3）通過分析，規(guī)范A耐久和國標(biāo)耐久各有考核的重點。作為乘用車整車開發(fā)過程中發(fā)動機的考核標(biāo)準(zhǔn)，除考慮疲勞、強度等因素外，還有動態(tài)相應(yīng)性等。如何進行選擇需要綜合考慮并與自身開發(fā)目標(biāo)相匹配。本文則在側(cè)重常規(guī)疲勞、單位強度及時間周期累計方面進行總結(jié)，得到了一種汽油發(fā)動機可靠性試驗規(guī)范的對比選擇方法，對可靠性試驗規(guī)范的選擇有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

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The Application of Siemens'S120 Drive System Safety-Ⅰntegrated Function in Assistant Machines in the Engine Manufacture

Lv Gang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

The article introduces the basic knowledge and doubt-channel conception of Siemens S120 drive system safety-integrated function.There are several common types in actual application:safe torque off function,safe stop1 function,safe brake control function.Ⅰntroduction is made only on using of external connection terminal to activate safe function,including application background,how to set correlative parameters,how to activate or cancel these safe integration functions.Electric design,parameter setting,flow and achievement of working principle are illuminated by taking application of such system in assistant machines in engine manufacturing industry as typical example.

safety-integrated function,safe torque off,safe stop 1,safe brake control

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.012

來稿日期：2014-04-24

呂剛（1978-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機生產(chǎn)設(shè)備的維修及維護。