多元冗余编码器 VS 安全认证的编码器

图片来源：Posital Fraba

作者：Klaus Matzker

“

对于运动控制系统来说，提高运行安全性的一个关键是确保系统赖以维持控制的传感器是值得信赖的。

”

安全性应始终是重要的设计目标。这对于诸如升降机、工业机器人或建筑机械来说尤其如此，因为设备故障或失去控制可能会导致严重的伤害或损害。在某些行业，法律规定要进行正式的安全分析以减少发生严重事故的风险。

对于运动控制系统来说，提高操作安全性的一个关键是确保系统所依赖的维持控制的传感器是值得信赖的。诸如编码器、倾角仪等传感器，必须对被控机械部件的运动/位置提供可靠的反馈。在传感器发生故障的情况下，这些设备必须向控制系统提供反馈回路失效的明确信息，并应采取行动限制或停止操作。

确保运动控制系统可靠和故障安全的一种广泛使用的方法，是在反馈回路中引入一定程度的冗余。如果控制系统从测量相同机械性能的两个不同传感器接收到同样的信号，则可以合理地假设两个系统均正常运行。如果读数不同，则表明可能存在故障。

经安全认证的编码器

一些传感器制造商提供的编码器具有内置的冗余功能，其形式是将两个独立的旋转测量模块安装在一个壳体内，共享一个轴。一个专用的验证芯片来监控这两个模块的输出，以检查测量结果是否一致。如果检测到差异，则该芯片可阻止将可疑数据传输到控制器，同时指示故障。借助此故障安全功能，这些编码器可以被认证为性能等级PLd，Cat.3认证（根据安全标准ISO 13849）或SIL3（根据IEC 61508）。认证需由专门的许可机构进行。

▎光学和磁性传感器元件是绝对编码器，可在单圈和多圈模式下 测量位置值，无需电池和维护。

因为经过安全认证的编码器，可以确保为控制系统提供经过验证的位置数据或明确的故障指示，因此可用于简化安全重要系统的开发。但是，它们也有缺点。在处理故障工况时，这种方法可能不够灵活：因为这些传感器只是简单地关闭，它们不提供关于如何将机器过渡到安全状态的指导。

由于独立实验室的认证成本很高，所以经过认证的设备也可能比普通编码器贵。此外，它们仅能用在数量有限的机械配置中，因此机械制造商可能必须使用适配器才能使其适用于设计。

对于在时间紧迫的情况下开发的一次性产品或小批量产品，使用SIL或PL认证编码器的便利性（较短的开发时间、所需的安全知识较少），可能会超过这些设备的额外成本和有限的可用性。

多元冗余编码器 

对于与安全相关的运动控制系统，多元冗余编码器为经安全认证的编码器提供了一种价格更便宜、更灵活的替代方案。与经过认证的同类产品一样，这些设备在共享的机壳（冗余）中内置了两个测量模块。

在这种情况下，来自两个测量系统的信号都通过CANopen网络传输到控制器（例如可编程逻辑控制器或工业计算机）。控制器负责比较两个半独立测量系统的输出，以验证两个系统是否正常运行。

为了减少共因故障风险，这些设备分别采用了磁性和光学测量技术。这些测量系统串联安装在一个共享的轴以及一个共同的壳体中。

可用选项列表包括坚固的外壳，其设计防护等级可达IP67；不同的连接器类型；以及多种类型的法兰和轴（空心或实心轴）。这些可选项，使其可以集成到新机器或现有机器中。通信可通过CANopen接口处理。

经安全认证的编码器适用于恶劣环境和广泛的工作温度。磁性编码器技术很坚固，光学元件通过增加一个额外的膜来特别防止冷凝水。光学和磁性传感器元件是绝对编码器，可在单圈和多圈模式下测量位置值，无需电池和维护。

▎安全编码器可用于诸如重型 建筑设备、移动机械、起重机技 术、电梯和复杂产品的复杂组装 技术等应用。

这些设备比经过特殊安全认证的编码器更便宜，功能更广泛，同时在提高功能安全性方面很有效。为了帮助进行运动控制系统的安全认证，制造商提供了平均失效时间（MTTFd）数据。安全编码器的广泛应用包括重型建筑设备、移动机械、起重机技术、电梯和复杂产品的复杂组装技术。

对于许多项目，多元冗余的编码器可以提供有效且具有成本效益的解决方案。两个独立的测量通道为制造机器奠定了良好的基础，使其符合ISO 13849的要求，获得性能等级PLd,Cat3认证。

多元冗余编码器还可以灵活地处理故障情况。在某些情况下，控制系统可以使用其它系统知识来合理评估哪个冗余测量模块发生故障，以及尚存的模块是否可以提供有用的位置数据。在这种情况下，系统设计人员可以实施一种限制性的操作模式，以延长机器的可用性，直到有缺陷的设备被替换。

关键概念： 

■ 安全应该是任何重型机械设计最重要的需求。

■ 经过安全认证的编码器可以简化对安全至关重要的系统的开发。

■ 磁性和光学编码器也有助于提高安全性。

思考一下： 

运动控制传感器如何帮助您解决机器安全方面的挑战？