Bezpieczny pomiar położenia

Rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa, w szczególności ujęte w nowym standardzie EN ISO 13849, nakazują dla wdrożeń wiążących się z bezpieczeństwem stosowanie enkoderów do ustalenia pozycji przy zastosowaniu całkowicie nowego rozwiązania.
Bezpieczeństwo jest tematem o wciąż rosnącym znaczeniu dla zagadnienia konstruowania maszyn i instalacji. Z uwagi na ochronę ludzkiego życia, środków materialnych oraz środowiska stało się wręcz tematem nieodzownym z punktu widzenia ustawodawstwa i ścisłych wymogów bezpieczeństwa w państwowych i międzynarodowych standardach związanych z projektowaniem. Celem stosowania rozwiązań bezpieczeństwa jest minimalizowanie, a nawet eliminowanie ryzyka, które może wystąpić podczas normalnego lub obarczonego dysfunkcją działania maszyny lub urządzenia. W takim przypadku kluczowy jest bezpieczny system pomiaru położenia.

Wzrastająca liczba zastosowań procesorów oraz układów programowalnych doprowadziła do zrewidowania standardu EN 954-1, który harmonijnie z dyrektywami europejskimi obowiązującymi w tym temacie był w rzeczywistości stosowany w odniesieniu do konstrukcji maszyn od 1997 r. Standard EN 954-1 przestał być odpowiedni w przypadku nowych wymagań – fakt ten wzięto pod uwagę przy opracowywaniu nowych zapisów – EN ISO 13849. Ten nowy standard zawiera zapisy dotyczące niezawodności komponentów i kodów programowych, podobnych do standardu IEC 61508. Zapisy te dotyczą także standardów produktów z nimi stowarzyszonych, takich jak na przykład IEC 62061 dla napędów elektrycznych.
Z uwagi na to, że ruchy poosiowe są szczególnie niebezpieczne, zauważa się wzrost liczby projektantów integrujących obowiązkowe funkcje bezpieczeństwa bezpośrednio w napędzie. W rezultacie pojawił się w technice trend w kierunku w pełni cyfrowego przesyłania informacji o pozycji od enkodera do systemu sterowania napędu. Oznaczato, że w celu precyzyjnego pozyskiwania pozycji niezbędne stają się bardziej złożone systemy elektroniczne w obu częściach – w systemie sterowania i enkoderze. Dostępne obecnie funkcje w układach maszyn i linii produkcyjnych oraz współistniejące rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa, tak jak to zdefiniowano w odpowiednim nowym standardzie, w przypadku wdrożeń wiążących się z bezpieczeństwem dają możliwość stosowania enkoderów do ustalania pozycji przy wykorzystaniu całkowicie nowego rozwiązania.

Czasami zaczynają być stosowane różnorodne metody w celu uzyskania redundantnych wartości odczytu pozycji. Prawdziwa dwukanałowa redundancja może być zagwarantowana poprzez instalację dwóch enkoderów na oś. Z ekonomicznego punktu widzenia bardziej pożądanym byłoby znalezienie rozwiązania bazującego na tylko jednym enkoderze odczytującym pozycję. Obecnie używane są w tym celu analogowe systemy pomiarowe z sygnałami o przebiegu sinusoidalnym/cosinusoidalnym.
W przyszłości związane z bezpieczeństwem aplikacje będą wymagały rozwiązań bazujących na pojedynczych enkoderach, które pozwolą na redundantną akwizycję wartości położenia przy zastosowaniu całkowicie szeregowego przesyłu danych. Systemy związane z bezpieczeństwem pomiaru pozycji, takie jak dostarczane przez Heidenhain, dla wdrożeń związanych z bezpieczeństwem wspierają rozwiązania jednoenkoderowe zgodnie ze standardami IEC 61508 oraz EN 13849, bazując na całkowicie szeregowym interfejsie EnDat 2.2. W rezultacie w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem otrzymuje się zalety szeregowej transmisji informacji, takie jak możliwości diagnostyczne i samokonfiguracja w parze z szybką formacją wartości położenia.
Podstawowe zasady
Enkodery dla aplikacji związanych z bezpieczeństwem są testowane na zgodność ze standardami IEC 61508 i ISO 13849-1 (który zastąpił EN 965-1). Standardy te opisują ocenę systemów zapewniających bezpieczeństwo nie tylko od strony struktury systemu, ale teraz także bazując na prawdopodobieństwie wystąpienia błędu integrowanych komponentów i podsystemów. Takie podejście pomaga przedsiębiorcom systemów związanych z bezpieczeństwem wprowadzić ich kompletne rozwiązania, ponieważ mogą oni zacząć od podsystemów, które były już sprawdzone. W enkoderach położenia związanych z zapewnieniem bezpieczeństwa zaadaptowano technikę z całkowicie szeregowym przesyłaniem danych przy wykorzystaniu EnDat 2.2. (Heidenhain jest twórcą wzorca EnDat).
W bezpiecznym napędzie system pomiaru pozycji zapewniający bezpieczeństwo ma formę podsystemu: składa się z enkodera z komponentem wysyłania danych EnDat 2.2, linii transmisyjnej z komunikacją EnDat i przewodem oraz komponentem odbierania danych EnDat 2.2 z funkcją monitorowania (stacja nadrzędna (master) EnDat). Cały system „bezpiecznego napędu” składa się w praktyce z systemu pomiarowego pozycji zapewniającego bezpieczeństwo, sterowania gwarantującego bezpieczeństwo (włączając w to stację nadrzędną EnDat z funkcją monitoringu), stopnia zasilającego z kablem zasilającym silnik i napędem oraz mechanicznym sprzęgiem enkodera i napędu.
System pomiaru położenia jest zintegrowany przez mechaniczne i elektryczne interfejsy w kompletny układ. Enkoder jest mechanicznie sprzężony z napędem przez połączenie wału i sprzęgła, które to zdefiniowane jest geometrią enkodera. Włączając stację nadrzędną EnDat z funkcją monitoringu w kontrolę bezpieczeństwa, zapewnia się jej elektryczną integrację z funkcjami monitoringu w bezpiecznym sterowaniu. Ze względu na narzuconą implementację pomiarów związany z bezpieczeństwem system pomiaru położenia może być włączony jako podsystem z założonym poziomem błędu w związaną z bezpieczeństwem ewaluację całej instalacji bądź linii produkcyjnej napędów.
Bezpieczny system pozycjonowania składający się z enkoderów bazuje na dwóch wzajemnie niezależnych wartościach odczytanej pozycji i dodatkowo na bicie generowanym przez enkoder i przesyłanym za pomocą protokołu EnDat 2.2 do stacji nadrzędnej EnDat. Stacja ta przejmuje wiele różnych funkcji monitorowania, w których udostępniane są informacje o błędach w enkoderze i podczas transmisji.
Porównywane są dwie wartości pozycji. Stacja nadrzędna EnDat następnie dostarcza dwóch wartości pozycji i wzajemnie niezależnych bitów błędów do systemu kontroli błędów poprzez dwuprocesorowy interfejs. W dodatku system sterowania monitoruje funkcjonalność systemu pomiaru położenia związanego z bezpieczeństwem i stacji nadrzędnej EnDat poprzez cyklicznie przeprowadzane testy (dynamiczne dyskretyzowane wymuszenia). Architektura protokołu EnDat czyni możliwym dostarczenie wszystkich związanych z bezpieczeństwem informacji lub mechanizmów kontroli podczas stanu bezczynności kontrolera.
Jest to możliwe, gdyż informacje związane z bezpieczeństwem są zachowywane w dodatkowych zbiorach danych. W każdym cyklu dyskretyzowania możliwe jest odpytanie przez system kontroli o te dodatkowe dane tak samo jak o aktualne pozycje. Architektura systemu pomiaru położenia w nawiązaniu do IEC 61508 jest taka jak dla systemów testowania pojedynczych kanałów.
Aplikacja
Systemy pomiaru położenia związane z bezpieczeństwem projektowane są tak, aby mogły być użyte jako systemy jednoenkoderowe we wdrożeniach z kontrolą kategorii SIL-2 (zgodnie z IEC 61508). Odpowiada to poziomowi osiągów „d” ze standardu ISO 13849 lub kategorii 3 zgodnie z EN 954-1. Także funkcje systemu pomiaru położenia związane z bezpieczeństwem mogą być użyte do następujących funkcji bezpieczeństwa w całym systemie (zobacz także IEC 61800-5-2): bezpieczne zatrzymanie, bezpieczne kontrolowanie zatrzymania, bezpiecznie ograniczone zwiększenie przesunięcia, bezpieczne ograniczenie prędkości, bezpieczne ograniczenie przyspieszenia, bezpieczne zmniejszanie prędkości, bezpieczne ograniczanie pozycji, bezpieczne wyłączenie momentu. Wiadome ograniczenia opisane w standardzie muszą być brane pod uwagę podczas integrowania systemu pomiaru pozycji związanego z bezpieczeństwem do systemu bezpieczeństwa napędu lub maszyny. 
Wartości pozycji i bit błędu są sprawdzane przez system bezpieczeństwa podczas działania. Zależnie od wymagań funkcji bezpieczeństwa należą do nich: monitorowanie opóźniania się serwonapędu, monitorowanie stanu unieruchomienia i porównanie dwóch wartości pozycji (pozycja 1 i pozycja 2). Także system kontroli rozpoczyna testy sprawnościowe (odstęp czasowy <8 godzin) w stacji nadrzędnej EnDat i w enkoderze. Bity błędów są poddawane dynamicznie dyskretyzowanym wymuszeniom, a ich reakcje są sprawdzane. W przypadku błędu system kontroli musi przejść w stan bezpieczny. Reakcja, która system sterowania wywołuje, zależy od aplikacji i jest częścią wymaganej strategii wytwórcy napędu lub systemu kontroli.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Krzysztof Jaroszewskiego
Zalety interfejsu EnDat 2.2  
Interfejs EnDat wdrożony przez Heidenhain jest szybkim, całkowicie szeregowym i w pełni cyfrowym interfejsem dedykowanym napędom o szybkiej odpowiedzi. Przynosi on wymierne korzyści w połączeniu z technologią dla całego systemu i redukuje wymaganą przestrzeń na instalację w maszynie. Od kiedy analogowe sygnały skanujące są zamieniane na postać cyfrową i wielokrotnie dzielone bezpośrednio w miejscu pomiaru, zarówno charakterystyka serwonapędów, dokładność pozycjonowania, jak i stabilizacja prędkości mogą zostać poprawione.
Razem z automatyczną samokonfiguracją enkoderów i napędów w systemach automatyki, przesyłanie dodatkowych informacji do dalszej elektroniki jest możliwe bez dodatkowych przewodów.
Więcej informacji dostępne jest na http://www.endat.de