安全集成

法规框架

机器制造商和设备制造商必须确保他们的机器和设备不会因故障造成电击、灼伤或辐射等危险。

例如，在欧洲，根据法律要求符合 EU 职业健康与安全法规的机械设备 2006/42/EC 法规。为了确保符合此法规，建议采用相应适用的欧洲标准。这就触发了“一致性假设”，提供给了制造商和操作者符合国家法规和 EU 法规的法规安全。设备制造商使用 CE 标识对货物自由移动所有相关的法规、规程的一致性进行文档化。

安全标准

功能安全的指定采用了多种标准。例如，EN ISO 12100 涉及机器设备的风险评估与风险降低。IEC 61508 规定了电子及可编程安全相同系统的基本要求。EN 62061（仅适用于电气和电子控制系统）和 EN ISO 13849-1，替代先前使用的 EN 954-1，定义了与安全性相关的控制系统的功能和安全相关要求。

上述标准定义了设备必须符合的各种不同安全要求，如风险，危险情况的频率，发生的可能性和识别未定风险的机率。

• EN ISO 13849-1:性能级别 PL a … e；类别 B，1 ... 4
• EN 62061:安全集成度级 SIL 1 … 3

趋势倾向集成安全系统

趋势倾向于较大的复杂度并且增强了设备的模块化，因此安全功能可以从传统的核心安全功能（如使用主开关对整个机器进行取消激活）移植到设备控制系统和驱动。这样，生产率也显著提高，因为缩短了转换时间，转换期间，甚至一些子部件还可继续加工，这取决于设备类型。

集成安全功能比传统结构的设备运行速度会快很多。使用 Safety Integrated，设备安全可进一步提高。另外，由于运行速度更快，因此由集成安全系统控制的安全措施被认为不易受设备操作员的干扰，因此，显著降低了有意识绕过安全功能的动机

 

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S120 变频调速柜的集成安全功能

SINAMICS S120 变频调速柜系统的主要功能已集成到 SIMOTION D 运动控制系统中。因此，SINAMICS S120 变频调速柜的集成安全功能也可与 SIMOTION D 结合使用。

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S120 的特点是具有大量集成安全功能。与安全功能所需的传感器和安全控制结合使用时，它们可确保根据实际情况为人员和机器提供有效保护。

它们符合以下安全类别的要求：

• 符合标准 EN ISO 13849-1 的 PL d 和类别 3 的规定要求
• SIL 2 依据 IEC 61508 和 IEC 61800-5-2

注意：

安全制动试验 (SBT) 诊断功能满足 EN ISO 13849-1 中类别 2 的要求。

集成安全功能由独立的机构进行认证。您可从西门子联系伙伴获取相应的测试证书和厂商声明书。

变频器安全数据块 (DSDB)

SIMOTION 分配的变频调速柜的安全功能直接通过变频调速柜上的 PROFIsafe 或故障安全数字量输入来控制。
根据所选择的安全功能，需要对在 SIMOTION 用户程序中选择的功能做出适当响应，以避免变频器一端发生违反限值的情况。
例如，如果选择了 SLS 功能，那么受影响的传动装置的转速需要在可用时间内由 SIMOTION 控制在相应 SLS 限值以下。
如果选择了 SOS，那么相应的轴必须停止运动并保持在该状态。
有关选择了哪种安全功能以及当前有效的设定转速限值的信息通过 DSDB 进行传送。该信息通常从变频器传送到 SIMOTION 用户程序。
所选择的 SBT 诊断功能在相反方向上从用户程序传送到变频器。

下面介绍了当前可用的集成安全功能。功能安全性满足有关变速驱动系统的国际标准 IEC 61800-5-2 中定义的要求。

SINAMICS 变频调速柜中的集成安全功能可大致分为四类：

用于安全停止变频器的功能
• 安全扭矩断开 (STO)
• 安全停机 1 (SS1)
• 安全停机 2 (SS2)
• 安全操作停止
用于安全制动管理的功能
• 安全制动控制 (SBC)
• 安全制动试验 (SBT)（此诊断功能超出了标准 IEC 61800-5-2 的范围）
用于安全监控驱动运动的功能
• 安全限速 (SLS)
• 安全速度监视 (SSM)
• 安全方向 (SDI)
用于安全监控驱动位置的功能
• 安全限制位置 (SLP)
• 安全位置 (SP)（此功能超出了 IEC 61800-5-2 的范围）

安全扭矩断开 (STO)

STO 功能是最常用的变频器集成基本安全功能。它可确保产生转矩的能量不会继续影响电机，并防止意外起动。

作用

此功能可防止变频器意外重启，符合 EN 60204-1 标准 5.4 节的要求。安全转矩停止功能可抑制变频器脉冲（相当于 EN 60204-1 的停止类别 0）。驱动器可以可靠地实现零转矩。这个状态在驱动器内部监控。

应用举例

STO 的直接效果就是，变频器无法提供产生转矩的能量。STO 可在变频器因负载转矩或充分的短时间摩擦而自然达到停止状态的任何场合使用，或在变频器的减速停止对安全来说无关紧要的情况下使用。

通过 STO，人员可在防护门打开（重启互锁）以及在具有运动轴的机器/装置（如搬运或输送系统）上使用的情况下安全工作。

客户利益

与采用机电式开关装置的标准安全技术相比，集成 STO 安全功能的优点是无需使用单独的部件以及相应接线与维护工作。由于电子式切换速度很快，与常规解决方案中的机电式部件相比，此功能的切换时间较短。

安全停机 1 (SS1)

SS1 功能可使电机迅速而安全地停止运转，并在停止之后将电机切换到无转矩模式，即激活 STO 功能。

作用

SS1 功能可按照标准 EN 60204-1 的停止类别 1 的要求安全停止传动装置。若选择了 SS1 功能，传动装置会在设置的安全延时过后，沿着一个快速制动斜坡自主制动，并自动激活安全转矩关闭和安全制动控制功能（如果已组态）。

如果对变量“SS1 with external stop (SS1E)”进行参数化，则选择该功能时驱动器不能自动制动。在此情况下，更高级别的控制必须在参数化的 STO 过渡时间内使驱动器停止。SBR（安全制动斜坡）和 SAM（安全加速度监控）功能没有激活。SS1E 是用于需要由运动控制系统成组停止的驱动器的有用功能，以防对机器或产品造成潜在损害。

应用举例

SS1 功能在发生安全相关事件时使用，变频装置尽可能快速地停止，随后转为 STO 状态（如急停状态）。因此，此功能可用于出于操作人员的安全而将很大的离心质量尽可能快地带到停止状态，或尽可能快地将高速旋转的电机制动。典型应用包括锯、磨床主轴、离心机、卷取机和立体仓库等。

客户利益

通过 SS1 功能有目标地停止变频器可以降低危险，提高机器的生产效率，并减小机器中的安全间隙。原则是要将变频器主动带到静止状态，这与仅使用 STO 功能时的情况不同。通常无需使用易于磨损的复杂机械制动器将电机制动。

安全停机 2 (SS2)

SS2 功能可迅速而安全地将电机带到静止状态，然后在电机停止时启动 SOS 功能。

作用

“安全停止 2”功能可按照 EN 60204-1 的停止类别 2 将变频器安全停止。在选择了 SS2 功能后，变频器将沿一条快速停止斜坡独立制动。与 SS1 相比，驱动控制随后仍能继续运行，即，电机能够提供维持零速所需的全部转矩。停机可被安全监控（安全运行停机功能）。

应用举例

与 SS1 一样，SS2 功能可确保对电机进行最快速的减速。不过，电机电源并没有关闭。控制系统会防止其离开静止位置 – 即使电机受到外力的影响，也是如此。SS2 的典型应用包括机床等。

客户利益

SS2 功能可确保将轴迅速停止。由于控制仍保持激活状态，因此，在取消此安全功能后，生产运行可继续进行，不会受到影响。这可确保调整和停机时间都较短，生产效率提高。

安全操作停止

使用 SOS 功能，停止的电机保持在位并通过驱动控制进行监控。

作用

SOS 功能包括安全停机监控。驱动器控制仍保持运行。电机因而可以传递全部的转矩以保持当前位置。可对实际位置进行可靠监控。与安全功能 SS1 和 SS2 不同的是，转速整定值不会独立受到影响。在启用 SOS 后，更高等级的控制必须在一个参数化的时间内使驱动器停止然后保持位置定位点。

应用举例

对于机器或机器的一部分必须在某工序中保持安全静止、但变频器必须还要提供保持转矩的应用，SOS 是一种理想解决方案。可以保证即使有反转矩，驱动器也可以保持在其当前位置。与 SS1 和 SS2 不同的是，在这种情况下，变频器不会独立制动。它会等待上位控制器在一段可调的延迟时间内，将相关的轴作为一个同步组来减速停止。这样可以防止对机器或产品造成任何损害。SOS 的典型应用包括卷绕机、制品加工和包装机和机床。

客户利益

尽管可能会出现反作用力，但不需要使用机械部件来使轴保持其位置。由于切换时间很短且位置控制始终处于激活状态，因此，可以缩短调整和停机时间。无需在退出 SOS 功能后对轴进行重新校准。在禁用 SOS 功能后，轴可立即再次移动。

安全制动控制 (SBC)

通过 SBC 功能，可对抱闸进行安全控制。SBC 总是与 STO 功能同时激活。

作用

将使用安全双通道技术对断电状态下处于激活状态的抱闸进行控制与监视。由于进行双通道控制，在控制电缆发生绝缘故障的情况下，仍可以激活抱闸。通过测试脉冲，可提前检测到这种错误。

注意

安全制动控制并不检测制动器自身的机械故障，如制动衬片磨损等。对于书本型的电机模块，电机制动器的端子为集成式的。书本型逆变柜需要使用额外的安全制动适配器。装置型逆变柜需要使用额外的安全制动适配器。

应用举例

SBC 功能与 STO 或 SS1 功能结合使用，可防止轴在无转矩状态下移动（例如，由于重力）。

客户利益

同时，使用此功能时，无需使用外部硬件和相关接线。

安全制动测试 (SBT)

SBT 诊断功能按固定时间间隔或在人员进入危险区之前，执行指定功能测试。

作用

检查已发生磨损的抱闸的功能是否正常的一个良好方法是在已关合的抱闸上施加一个力矩。使用不同的扭矩值，可以测试具有两个抱闸（如电机抱闸和外部抱闸）的传动系统。

应用举例

SBT 诊断功能与 SBC 功能相结合，适合实现安全制动。

客户利益

该功能检测制动器的机械部件中的故障或磨损。通过自动测试抱闸功能的有效性，可以降低维护成本，提高机器设备的安全性和可用性。

注意：

SBT 功能不适用于 SINAMICS S110。

安全限速 (SLS)

安全限制转速 (SLS) 功能可确保变频调速装置不会超出预设的转速限制。

作用

SLS 功能根据设置的速度限值对变频调速装置进行监控。可以选择四种不同的限值。和在 SOS 情况下一样，速度设定值不会自动受到影响。启用 SLS 功能后，更高级别的控制必须在可参数化的时间内将驱动器控制在所选时间限制以下。若超出速度限制，会发生变频调速装置集成故障响应，该响应可自定义。

可以将一个系数应用于通过 PROFIsafe 以 16 位分辨率传输的 SLS 限值 1。这样就能指定几乎无限个限值。
注意：此功能不适用于 SINAMICS S110。

应用举例

若人员位于机器的危险区中，并且其安全性只能通过降低转速来保证，此时就可使用 SLS 功能。典型应用包括操作员为了维护或调整而必须进入机械设备的危险区的场合，例如，需要由操作员手动穿线的卷绕机。为防止对操作员造成伤害，滚筒只能在较低的安全转速下旋转。SLS 也常常在一种两级安全方案中采用。当人员位于不太关键的区域中时，将会激活 SLS 功能，仅在危险程度较高的较小区域中将驱动系统停止。SLS 不仅可用于操作员保护，而且可用于机械设备保护（例如，在不得超出最大转速时）。

客户利益

SLS 功能有助于大大缩短停产时间，或大大简化甚至加快调整速度。所取得的总效果是机器设备的可用性提高。并且，可以省去像转速监控器这样的外部部件。

安全速度监视 (SSM)

SSM 功能可在变频调速装置的运转速度低于可调速度限值时发出警告。只要转速保持在阈值之下，此功能就会发出安全信号。

作用

若转速下降到设定值以下，就会生成安全信号。例如，可根据具体情况，通过编程在安全控制器中处理该信号以对事件做出响应。

应用举例

使用 SSM 功能的一种最简单情况是，可在速度下降到某个非关键速度以下时将安全门解锁。另一个典型示例是，仅当离心机的运转转速低于设定的速度限值时，才可以灌充该离心机。

客户利益

与 SLS 不同的是，超出转速限制时，不会有变频器集成的故障响应。可以在一个安全控制单元中对安全反馈进行分析，从而可使用户对具体情况适当做出响应。

安全方向 (SDI)

SDI 功能可以确保传动只能在选择的方向上转动。

作用

将会可靠检测出偏离正在监控的旋转方向的情况，并启动所组态的变频器集成故障响应。可以选择要监控的选择方向。

应用举例

当变频器只能在一个方向上运动时，可以使用 SDI 功能。一个典型应用是，假如机器在安全方向上运动（即离开操作员的方向），则操作员可以进入到危险区中。在这种状态下，操作员可以安全地将物料送到工作区域中或从工作区域移走物料。

客户利益

使用此功能时无需使用外部部件，如转速监控器和相关接线。当机器从操作员移开时将危险区解除还可提高生产效率。若不使用 SDI 功能，在送入或取出物料时就必须将机器安全停止。

安全限制位置 (SLP)

SLP 功能对轴进行监控，以确保其处于允许的移动范围内。

作用

若激活了 SLP，将会安全监视由组态的软限位开关限制的移动范围。若超出允许的移动范围，则会发生故障响应，该响应可自定义。即使机器正在运转，也可以在两个移动范围之间切换。

应用举例

SLP 用于机器操作员需要进入保护区（例如，为了送入或清除物料）的应用场合。轴位置的安全监控可确保轴无法移动到为操作员设立的保护区内（从而给他们带来危险），例如，堆垛机、龙门起重机或加工中心。

客户利益

SLP 可用于实现有效的保护区监控。使用此功能可以省去外部组件（硬限位开关）且不会产生相关接线费用。由于在超出限值后会迅速产生响应，安全间隙可以减小。

注意：

SLP 功能不适用于 SINAMICS S110。

安全位置 (SP)

SP 功能可通过安全 PROFIsafe 通信将变频调速装置中安全测定的实际位置值传送到安全控制器。

作用

与根据限值对当前实际位置进行监控并在发生过冲时激活变频器中集成的故障响应的 SLP 功能不同的是，SP 功能将当前实际位置值传送到安全控制器。位置监控是在控制器的安全程序中实现的。大量 PROFIsafe 报文用于传送位置值。根据需要，位置值可用 16 位或 32 位分辨率来传送。与位置值一起，还会传送时间戳。

应用举例

使用 SP 功能，可以创建定制的安全方案。此功能适合在需要灵活安全功能的机器设备上使用。其功能多样，例如，可用来借助于安全凸轮功能实现与轴相关的安全范围检测。SP 功能也可用于实现多轴安全方案、多维保护区和分区方案。

客户利益

位置监控或速度监控是在控制器的安全程序中实现的，因此，用户可灵活开发量身定制的安全功能。安装程序中还必须指定对超出限值的响应。这需要较高的初始编程开销，但提供了启动不同故障响应的机会。

注意：

SP 功能不适用于 SINAMICS S110。

基本集成安全功能和扩展集成安全功能

SIMOTION D 和 SINAMICS S110/S12 的故障安全集成功能分组为“基本功能”和“扩展功能”。
基本功能包括在标准供货范围内。
扩展功能必须通过许可证激活。

• 基本功能
  • 安全扭矩断开 (STO)
  • 安全制动控制 (SBC)
  • 安全停机 1 (SS1)
• 扩展功能
  • 安全停机 1 (SS1)，带 SBR 或 SAM
  • 安全停机 2 (SS2)，带 SBR 或 SAM
  • 安全操作停止
  • 安全限速 (SLS)
  • 安全速度监视 (SSM)
  • 安全方向 (SDI)
  • 安全限制位置 (SLP)
  • 安全位置 (SP)
  • 安全制动试验 (SBT) 诊断功能

通过将扩展功能 SS1 和 SS2 与 SAM 相结合，可在制动过程中执行安全加速监控 (SAM)，以确保在制动阶段就已检测到故障。

使用 SS1 和 SS2，可将安全制动斜坡 (SBR) 配置为替代功能。

基本功能 – 通过设备上的内置端子、TM54F 终端模块或通过 PROFIsafe 激活 – 不需要编码器。

激活集成安全功能

可通过以下方式激活集成安全功能：

基本功能：

• 通过 SIMOTION D4x5-2 或 CU320-2 控制单元以及功率单元上的端子
• 通过 SIMOTION D410-2 或 CU310-2/CU305 控制单元的安全相关数字量输入
• 通过 TM54F 终端模块的安全相关数字量输入
  （注意：TM54F 不能在 CU305 上使用），
• 通过 PROFINET 或 PROFIBUS 与 PROFIsafe 配置文件

扩展功能：

• 通过 TM54F 终端模块的安全相关数字量输入
  （注意：TM54F 不能在 CU305 上使用），
• 通过 SIMOTION D410-2 或 CU310-2/CU305 控制单元的安全相关数字量输入
• 通过 PROFINET 或 PROFIBUS 与 PROFIsafe 配置文件
• SLS 和 SDI 功能也可以组态为永久激活。
• SBT 诊断功能无法通过安全相关数字量输入或 PROFIsafe 来激活，
  • 但可通过安全控制通道从 SIMOTION 用户程序激活
  • BiCo 信号
  • 用于测试停止选择

PROFIsafe

SINAMICS 支持基于 PROFIBUS 和 PROFINET 的 PROFIsafe 协议。

PROFIsafe 是一个开放式通讯标准，其支持在同一根通讯电缆（有线或无线）上进行标准和安全相关的通讯。因此也就不需要第二个单独的总线系统。将对发送的报文进行连续监视以确保安全通信。

避免可能出现的错误，例如：电报丢失、重复或接收顺序错误。这是通过以安全方式对报文连续编号、在定义的时间内监视其接收情况并传输报文发送器和接收器的 ID 来实现的。一个 CRC（循环冗余检查）数据安全机构也同时使用。

SIMOTION 智能设备 F-Proxy

下图以 PROFINET 为例，显示了 SIMATIC 安全控制器与分配给 SIMOTION D 的集成传动装置之间的典型 PROFIsafe 通信拓扑。该拓扑也可通过 PROFIBUS 实现（PROFIBUS 不能用 SCOUT TIA 进行组态）。

在此情况下，需要分别将安全控制器组态为 PROFINET 控制器或 PROFIBUS 主站。此时，SIMOTION D 是智能设备或智能从站。SIMOTION D 通过 F-Proxy 机制将 PROFIsafe 报文传送到传动装置。

以 SIMOTION D4x5-2 为例的故障安全集成解决方案：通过支持 PROFIsafe 的 PROFINET 控制安全功能

如果分配给 SIMOTION D/C/P 的传动装置通过 CU3x0-2 控制单元来连接，则也可以实现此拓扑。

安全速度/位置感测

增量式编码器或绝对值编码器可用来安全感测驱动器上的位置值。

安全实际值检测依赖于增量通道 A/B 的冗余分析，增量通道 A/B 提供 1 V_pp 的正弦/余弦信号。只能使用通过纯模拟技术生成和处理 A/B 通道信号的编码器类型。

也可以使用 HTL/TTL 增量式编码器。在此情况下，使用两个独立的编码器实现安全实际值感应。还必须考虑可能的最低转速分辨率。

编码器信号经由编码器单元读取。

有关编码器单元的信息，请参见西门子工业产品网上商城的“驱动技术/变频器/交流低压变频器/高性能 SINAMICS S/SINAMICS S120 内置变频器/辅助系统组件/编码器系统连接”下面的内容，或参见产品目录 D 21.4“SINAMICS S120 和 SIMOTICS – 运动控制变频器”。

可使用集成 DRIVE?CLiQ 接口的电机作为替代产品。转速或位置实际值是直接在电机中作为安全值生成的，并通过经由 DRIVE-CLiQ 的安全通信提供给提供给控制单元。

也可使用经过认证的采用 DRIVE-CLiQ 接口的内置旋转编码器（请参见ment/65402168" target="_blank" style="color: rgb(153, 0, 0); text-decoration: none; cursor: pointer;">https://support.industry.siemens.com/cs/document/65402168）。

对编码器进行机械连接时，必须要使编码器轴无法拔出或滑出。相关说明，请见 IEC 61800-5-2：2007 的表 D.16。

下面的网址提供了满足电气和机械要求的西门子电机的列表：
ment/33512621" target="_blank" style="color: rgb(153, 0, 0); text-decoration: none; cursor: pointer;">https://support.industry.siemens.com/cs/document/33512621

以下系统可用于安全速度/位置检测：

• 单编码器系统或
• 双编码器系统

单编码器系统

示例：单编码器系统

在单编码器系统中，电机编码器专用于安全实值感测。

双编码器系统

示例：主轴上的双编码器系统

对于双编码器系统，变频调速装置的安全实际值由两个独立的编码器提供。这些实际值通过 DRIVE-CliQ 传输到控制装置中。使用没有 DRIVE-CLiQ 连接的电机时，必须配备传感器模块。

HTL/TTL 增量编码器可用作带双编码器系统的替代产品。可以使用两个 HTL/TTL 编码器、一个双 HTL/TTL 编码器或者一个 HTL/TTL 编码器和一个正弦/余弦编码器。

无编码器的安全实际值检测

另外还提供有扩展功能“安全停止 1”(SAM/SBR)、“安全限速” (SLS)、“安全速度监控” (SSM) 和“安全方向” (SDI)，可实现无编码器检测（仅与交流电机和 SIEMOSYN 电机配套使用）。

用于电机控制的编码器对于这里的安全功能没有作用。

注意：

如果电机可由负载加速（例如，垂直轴因重力作用而承受负载），则不能使用“不带编码器”的故障安全集成扩展功能。

《故障安全集成功能手册》包含有关无编码器安全功能的附加信息。

http://support.automation.siemens.com/WW/view/en/27103700/133300

下面列出了各种安全功能以及实际值检测条件。