西门子S120驱动系统安全集成功能在发动机生产上的应用

吕刚

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

西门子S120驱动系统安全集成功能在发动机生产上的应用

吕刚

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

本文介绍了西门子S120系列驱动器安全集成功能的基本知识和双通道概念，实际应用中几种常见类型的介绍：安全扭矩关断功能、安全停止方式1功能、安全刹车控制功能。以外部接线端子激活方式为准讲述使用环境介绍，如何设置相关参数，激活和取消这些安全集成功能。以发动机机加工行业辅机的常见机床应用为典型案例，介绍了电气设计，参数设置，工作机理的流程和实现。

安全集成功能安全扭矩关断安全停止方式1安全刹车控制

1 引言

随着机械加工工业技术的进步，性能的不断提升，发动机制造业采用的加工机床的零部件越来越精密紧凑、电气控制系统的硬件技术和软件技术集成度越来越高、加载使用功能日益丰富、用户程序编程和参数设置功能也越来越强大，而从使机床的体积变得越来越小，而各运动轴的运动轨迹更加复杂和交叠。为了防止相关故障和非安全工况导致机床零部件的碰撞损坏，以及加强对机床操作和维护人员的安全防护，使用单位对机床的安全保护功能的要求也越来越高。西门子驱动系统在多代系列产品中，安全集成技术越来越可靠且富有成效。其安全测试和实际运行情况越来越好。本文采用西门子新一代驱动系统S120系列的CU310DP控制单元+PM340功率单元的单轴控制驱动系统在发动机制造行业机加工设备中的应用为例，研究如何使用其安全集成功能来实现对设备驱动轴的保护和对操作维护人的安全防护。运用典型工况加以说明。

2 S120驱动系统安全集成功能的基本知识

该安全集成功能使得应用于人机双方的保护机制更高效地得到执行。与传统的用驱动电源继电器断路，或者断开驱动器使能信号来切断轴的正常运行以保护操作人和设备的做法相比，它的安全保护机制响应速度更快，应用范围更加柔性化，能采用的技术手段更全面、更合理。采用安全集成功能的S120驱动系统及其连接器件需要满足如下标准：

EN 954-1/ⅠSO 13849-1的第三种类和ⅠEC 61508的第二级安全级。

S120驱动系统安全集成功能一个很重要的理论和应用基础就是双通道监控。在驱动系统中，相关的硬件和软件功能是在2个独立的通道中运行并同步监控的。这2个通道是伺服电机轴的控制单元，以及该伺服电机轴的电机单元或电源单元。监控的内容包括关闭路径，数据管理和数据比较。当2个通道监控的状态和数据不一致时，安全集成功能就会触发这2个通道，使之都处于轴停止控制状态而无法运行。所以在相关参数设置以及外部器件接入的信号判别方面必须保证这2个通道处于同步一致的状态。监控时钟循环周期规定了这2个通道的安全集成功能监控扫描循环周期。参数r9780为控制单元的监控周期，参数r9880为电机单元的监控周期。一般情况下这2个周期设置为最小值4 ms，这样监控下的安全集成功能反应速度最优。

3 S120驱动系统安全集成功能的分类与实现

S120驱动系统安全集成功能有基本功能和扩展功能，功能实现各有几种分类。基本功能是S120驱动器提供的模板功能，而扩展功能需要高级别的固件版本及特别授权。为了更有针对性和应用性，以下仅讨论S120系列CU310DP驱动器以接线端子的方式实现基本安全功能。

3.1 安全扭矩关断

安全扭矩关断是从驱动器内部关断扭矩装置的动力单元。当该功能激活时，驱动器随即处于安全状态，驱动系统的控制单元和电机单元运行指令脉冲被禁止。在驱动器安全功能被取消和重新启动之前，驱动轴不会因为机床给出指令而产生位移，确保机床安全。需要注意的是：该功能是切断了驱动轴的内部电源供给，使轴处于无扭矩自由状态，若有外力施加则可能使轴发生位移。该功能使能和激活的方法如下：（1）设置控制参数p9601.0=1，使能控制单元的接线端子安全扭矩关断功能。（2）设置控制参数p9801.0=1，使能电机单元的接线端子安全扭矩关断功能。（3）控制参数p9620.0为设置安全扭矩关断功能激活的控制单元信号源，是一个互联参数。可以设置p9620.0＝r722.0－r722.3为信号源，即CU310DP控制单元的X121.1至X121.4为输入接线端子。而X121端口为控制单元的输入输出端口。（4）CU310DP接线端子X120.7（EP 24Ⅴ+）和X120.8(EP M)为安全扭矩关断功能的电机单元信号源。这2个信号源必须同步通断，以确保2个通道安全监控的一致性。当信号源输入出现1变0的变化脉冲，该功能被激活。（5）状态参数r9772.1=1为控制单元的安全扭矩功能已激活，状态参数r9872.1=1为电机单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是基于安全扭矩关断功能基础上更有效和更有控制性的安全停止保护功能。它的原理是：当该功能激活时，驱动器启动电磁制动，使伺服电机以OFF3方式制动，当超过驱动器参数设置的时间后，伺服电机即进入安全扭矩关断模式。OFF3是驱动器以斜坡方式减速制动的一种制动功能。以OFF3方式制动时，参数定义的时间到达时，伺服电机即制动完毕进入静止状态。

安全停止方式1基于安全扭矩关断功能之上，使能该功能的前提是已使能了安全扭矩关断功能。以下是该功能使能和激活的方法：（1）设置控制参数p9601.0=1和p9801.0=1，使能控制单元和电机单元的安全扭矩功能。（2）设置控制参数p9620.0为安全停止方式1激活的控制单元信号源。控制单元和电机单元信号源的设置方法与安全扭矩关断功能的相同。（3）控制参数p1135为OFF3斜坡下降时间，设置一个合适的数值。（4）控制参数p9652和p9852为控制单元和电机单元的安全停止方式1功能延迟时间。从安全停止方式1激活起，至达到该功能延迟时间时，安全停止方式1取消，进入安全扭矩关断状态。这2个参数设置数值相同，最好略大于p1135，以确保该伺服电机能安全停止。

当状态参数r9772.1=1和r9872.1=1时，安全停止方式1功能结束，进入控制单元和电机单元安全扭矩关断功能激活的状态。

3.3 安全刹车控制

安全刹车控制功能用于控制伺服电机的内部抱闸装置。当该功能激活时，抱闸装置的接通电流断开，伺服电机被抱闸而刹车，即使在外力如轴机械装置的自身重力驱使下也能保持停转，从而保持电机处于安全停车状态。安全刹车功能的硬件基础是伺服电机带内部刹车装置，并且驱动器电机动力接口刹车线已接。与普通的驱动器检测到硬件或软件出错后抱闸装置自动关闭不同，该功能是双通道控制。在期望的安全工况不满足时，控制单元和电机单元同时触发，激活安全刹车控制功能，确保机床安全。必须在安全扭矩关断或者安全监控功能使能的基础上该功能才能被激活，也就是安全刹车控制功能必须和其一起使用才有效。该功能使能和激活的方法如下：

（1）设置参数p9601≠0和p9801≠0，在本文讨论的应用中，可设置p9601.0=1和p9801.0=1，即安全刹车控制功能和安全扭矩关断功能同时使用。（2）设置控制参数p9620.0为安全刹车控制功能激活的控制单元信号源。控制单元和电机单元信号源的设置方法与安全扭矩关断功能的相同。（3）设置控制参数p9602=1，使能控制单元的安全刹车控制功能；设置控制参数p9802=1，使能电机单元的安全刹车控制功能。（4）设置参数p1215=1为顺序控制刹车类型。参数p1215为伺服电机刹车类型。为了使安全刹车控制功能有效，该参数的数值不允许为0或者3。

状态参数r9772.4为控制单元的安全刹车功能触发请求，状态参数r9872.4为电机单元的安全刹车功能触发请求。

3.4 基本安全功能应用环境

这3个安全功能在驱动系统上能正常应用需要满足一定的安全功能版本。对于控制单元和电机单元，最低的安全版本都是Ⅴ02.04.01。在状态参数r9770和r9870中可以查看控制单元和电机单元的安全版本。

以上介绍的相关参数都是与安全相关的参数，需要在调试模式下进行更改。设置控制参数p0010=95为调试模式。输入正确的密码参数p9761的值后，就可以修改这些安全参数。修改完毕后将p0010改回原来数值并将设备关机再开机，设置好的安全功能即生效。

3.5 基本安全功能撤销与驱动系统运行再激活

当安全功能触发后，相应的轴处于停止运行的保护模式状态。在这种模式下，该轴运行的驱动使能信号丢失，脉冲指令被禁止。重新使轴恢复运行前的准备完毕模式，需按以下步骤进行：

（1）取消控制单元和电机单元的安全保护功能信号源激活模式，即将这2个通道的信号源信号输入状态由0变为1。（2）给出驱动使能信号。（3）取消驱动器重新上电禁止指令并且重新上电。方法是：①ON/OFF1输入信号源由1变为0，即取消驱动器重新上电禁止指令；②ON/OFF1输入信号源由0变为1，即驱动器重新上电。

ON/OFF1信号源为互联控制参数p840设置的内容。在驱动器正常运行时，信号源为状态1。当出现下降沿时，会使驱动器沿斜坡函数发生器斜线进行制动并取消脉冲。为了使用灵活方便，一般设置信号源为驱动器的输入端子，如p840=r722.2。

4 S120安全集成功能在机加工行业辅机中的应用范例

4.1 应用范例背景介绍

在发动机制造行业，除加工中心等数控设备外，还有很多辅机设备。比如PLC流水线设备、清洗机、座圈导管压机、油道水道测漏机、缸孔缸套测量机等。这些设备会经常需要在某个区域、某个方向精准定位，进行工位动作。用西门子S120系列驱动器就可以很好地达到敏捷反应和高精度的定位要求。在此以机体缸孔缸套测量机为典型案例进行说明。它是以西门子S7-300 PLC为控制器，通过PROFⅠBUS总线与2台CU310DP驱动器通讯。一台驱动器控制X向即水平方向，水平移动机体至各个缸孔工位的测量位置，对应M1伺服电机；另一台驱动器控制Z向即垂直方向，垂直移动测量机构至缸孔指定深度进行测量，对应M2伺服电机。由于M2轴为垂直轴，为了消除自重驱动轴位移的影响，轴的电机配备了抱闸。应用上文讨论的S120驱动器安全集成功能，M1轴配置安全停止方式1安全功能，M2轴配置安全停止方式1+安全刹车控制安全功能。图1为硬件及接线电气图。

4.2 相关驱动安全参数设置

4.2.1 M1轴

p9601=1、p9801=1：使能控制单元和电机单元的安全扭矩关断功能；p9620.0=r722.0：设置安全停止方式1的信号源为控制单元的第一输入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：设置轴减速的OFF3斜坡下降时间；p9652=500 ms、p9852=500 ms：设置控制单元和电机单元的安全停止方式1功能延迟时间；p840=r722.1：设置ON/OFF1的信号源为控制单元的第二输入端子DⅠ1，即X121.2；控制单元参数p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3 r/min：定义控制单元的输入输出端子X121.7和X121.8为输出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8为安全扭矩关断功能激活状态信号，DⅠ9为轴转速下降至低于3转的准静止状态信号。

4.2.2 M2轴

图1 安全集成功能应用电气接线图

p9602=1、p9802=1：使能控制单元和电机单元的安全刹车控制功能；P1215=1：设置电机刹车类型为顺序控制刹车类型；p9601=1、p9801=1：使能控制单元和电机单元的安全扭矩关断功能；p9620.0=r722.0：设置安全停止方式1和安全刹车控制功能的信号源为控制单元的第一输入端子DⅠ0，即X121.1；p1135=400 ms：设置轴减速的OFF3斜坡下降时间；p9652=500ms、p9852=500 ms：设置控制单元和电机单元的安全停止方式1功能延迟时间；p840=r722.1：设置ON/OFF1的信号源为控制单元的第二输入端子DⅠ1，即X121.2。

控制单元参数p728.8=output、p728.9=output、p738=r9772.1、p739=r2199.0、p2161=3rpm：定义控制单元的输入输出端子X121.7和X121.8为输出端子DⅠ8和DⅠ9。DⅠ8为安全扭矩功能激活状态信号，DⅠ9为轴转速下降至低于3转的准静止状态信号。

4.3 安全集成功能触发工作原理

4.3.1 急停按钮触发安全集成功能

图1中3TK2825为西门子安全继电器，使用及接线可参考其使用说明书。当急停按钮S1被按下，Y11与Y12接口断路，Y21与Y22接口断路，即断开了安全继电器的接触器使能，从而使继电器处于断开状态。Y13与Y14和Y23与Y24的触点同步断开。由图1可见，Y24接线通向M1轴驱动器和M2轴驱动器的安全功能电机单元触发信号源接口，Y14接线通向M1轴驱动器和M2轴驱动器的安全功能控制单元触发信号源接口，于是触发了M1轴和M2轴各自设置好的安全集成功能。PLC控制器输入点DⅠ3和DⅠ4可读取各自驱动器DO8的状态，得知两轴处于安全可靠的停车状态。4.3.2安全门打开触发安全集成功能

图1中的门锁单元采用Euchner公司的EUC安全继电器。按下按钮S3请求打开机床安全门，PLC控制器的DⅠ2输入点接收到一个0信号状态后，PLC程序复位其输出点DO2信号状态为0。由于安全继电器的Y13和Y23接口的接线来自于DO2，当DO2状态为0后，Y14与Y24接口各自通向的M1轴和M2轴的控制单元、电机单元安全集成功能信号源被触发，M1轴进入安全停止方式1至安全扭矩关断状态，M2轴进入安全停止方式1至安全扭矩关断+安全刹车控制状态。当两轴的速度下降到零速时，当各自驱动器的输出信号DO9输出状态1送至PLC的输入信号DⅠ5和DⅠ6，并且当PLC的DⅠ3和DⅠ4信号也接收到了安全扭矩关断状态信号时，PLC程序置位其输出信号DO1，安全门继电器Q1得电，用户就可以打开安全门进入机床区域。安全门打开后，安全门继电器触点断开使安全继电器3TK2825处于使能断开状态。

4.3.3 各轴到达位置极限触发安全集成功能

如图1所示，当因意外情况使M1轴和M2轴的运动超程，压到各自正负硬极限开关的任意一个时，即LS1、LS2、LS3、LS4中任何一个开关处于断开状态时，极限安全指示灯LP1熄灭，PLC输入点DⅠ7输入状态为0后，PLC程序复位其输出点DO2，即DO2输出状态为0。由于DO2是M1轴、M2轴的电机单元和控制单元的信号源，故安全集成功能被触发，轴进入到安全停车+安全刹车状态，防止机床轴在意外情况下继续运动导致机床损坏。

当读取到两轴的安全扭矩关断信号时，PLC控制器启动一个脉冲来复位其输出点DO3，使轴的ON/OFF1信号为0，允许驱动系统重新上电。

4.3.4 驱动系统重新上电运行

准备条件：（1）当两轴压到某个硬极限开关时，关闭极限切除开关KS1，使极限安全指示灯LP1亮，PLC输入点DⅠ7状态为1。若两轴位置都在硬极限范围内，PLC输入点DⅠ7正常，状态为1。（2）确认安全门在关闭位置。（3）急停按钮S1已释放。当上述条件满足后，启动驱动器上电运行。方式是：按下机床安全上电按钮S2，PLC置位其输出点DO2，给3TK2825的Y13和Y14接口提供电源。同时复位其输出点DO1，使安全门继电器失电，安全门锁上。为适应3TK2825的工作原理，PLC输出点DO1并联了一个延时1秒断开继电器KM1。因此一秒后3TK2825的Y33和Y34出现短路脉冲，启动其接触器的线圈和触点，进入正常运行，Y14和Y24接通电源，两轴的双通道安全集成功能信号源的触发信号被取消。PLC控制器随即启动一个脉冲来置位其输出点DO3，使系统重新上电。至此重新上电的按钮S2可松开，驱动器恢复到正常运行模式。

5 结束语

与其他公司的驱动产品和西门子前代的产品相比，应用了安全集成功能的S120系列驱动器在对机床和操作者的保护方面更可靠、更完善，反应速度更快，应用手段更丰富。机床设计者在程序设计和部件接线方面也更加方便快捷和简单。安全集成功能使发动机制造工行业中辅机的使用更加安全可靠，因此具有推广的使用价值。在机床的设计和维修层面，本文中的介绍提供了一些方法和思路，供参考借鉴。

1刘艳强，宋永立，王健．安全集成伺服驱动技术[J]．制造技术与机床．2012（3）：49-52．

2曹文智．西门子安全集成技术在数控机床上的应用[J]．制造技术与机床．2008（10）：72-75．3 Siemens．Sinamics S120/S150 List Manual．10/2008．

图3 平均行驶功率与整车速度对应拟合计算结果

3 结论

（1）本文分析对比了国标GB/T19055-2003中400 h交变负荷试验与规范A 400 h可靠性试验规范的试验工况。可见，在代表机械疲劳总数的累计转动次数上国标与规范A在400 h可靠性试验上都能进行有效考核，同时规范A稍微略多于国标。

（2）代表发动机热负荷状态的单位小时输出功、折合车速及行驶里程，规范A则稍低于国标的要求。

（3）通过分析，规范A耐久和国标耐久各有考核的重点。作为乘用车整车开发过程中发动机的考核标准，除考虑疲劳、强度等因素外，还有动态相应性等。如何进行选择需要综合考虑并与自身开发目标相匹配。本文则在侧重常规疲劳、单位强度及时间周期累计方面进行总结，得到了一种汽油发动机可靠性试验规范的对比选择方法，对可靠性试验规范的选择有一定的指导作用。

参考文献

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5余志生.汽车理论（3）.机械工业出版社，2000，10.

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

来稿日期：2014-04-24

吕刚（1978-），男，工程师，主要研究方向为发动机生产设备的维修及维护。