易于实现的功能安全系统 正缩短新一代 CNC 机床的上市时间

据机床控制供应商 NUM 报告，实现新型 CNC 机床的功能安全是金属加工机械市场上最为重要的趋势。现已证实2015 年是开创性的一年，因为使用 NUM 的最新 Flexium+ 控制平台来开发新机床的 OEM 客户 100% 也正采用某种级别的功能安全。这一重大的技术变革促进公司的功能安全产品实现了约 300% 的年增长率，NUM 预计 2016 年将进一步增长。

“功能安全是我们目前所看到的最显著的设计趋势，”NUM 客户解决方案和质量副总裁 Peter Hutter 说道。“但是，就我们的市场而言，每次开发新机床的同时，均要实现功能安全。采用早期安全方案的现有机床系列趋向于保持原状。”

“对 NUM 来说，该趋势的一个基本要素是易于实现，安全编程的简易性被证明是一种催化剂，”Hutter 补充道。“功能安全是一个复杂的议题，我们的诸多客户都是中小型企业，通常仅有一两个工程师具备 PLC 编程的专业知识。他们经常将这项工作与其他电气和机械设计角色结合在一起，因此并不能称之为安全专家。”

在庞大的机床建造市场，用于简化设计问题的技术成为关键的推动力，这正是 NUM 功能安全系统 NUMSafe 所秉持的理念。基于对专用安全 PLC 的应用，该解决方案专门设计用于降低开发复杂性，并减少实现符合 EN ISO 13849-1 和 EN 62061 等标准的“安全运动”功能所需的时间。

作为面向 NUM 新一代 Flexium+ CNC 平台的按单定制选项，NUMSafe 是一个完整的功能安全解决方案，可进行扩展以适应机床控制系统的复杂性。其包含一个安全 PLC、安全输入和输出 (I/O) 模块、带内置安全运动监控设备的数字伺服驱动器和兼容无刷伺服电机。这一涵盖整个系统的体系使机床设计师能够用最少的附加组件或布线在真正需要的地方精确配置功能安全特性。它为各类型的 CNC 应用提供简便、极具成本效益的解决方案 —— 从基本的 3 轴机床到配备超过 100 个轴的复杂自动化应用。

越来越多的 NUM 客户 —— 主要在德国和瑞士业已成熟的高端机床制造市场 —— 开始指定采用 NUMSafe 进行新机床建造和 CNC 升级。得益于 2015 年的迅猛发展，在 NUM 目前所推出的 Flexium+ CNC 系统中，约 20% 已配备 NUMSafe。随着亚洲等地区的大量机床制造商持续扩大业务活动，将产品出口至受安全法规严格管制的海外市场，公司预计上述数字将大幅提升。

Peter Hutter 解释道：“我们很多客户为利基制造商，所持有的工程资源有限。此前，他们使用第三方安全解决方案，只能部分集成到机床的 CNC 控制系统中，并且通常使机床的开发周期额外增加数周的时间。现在，通过使用 NUMSafe，他们得以在很短的时间内实现完全集成、符合标准的安全方案，并大大减少了布线工作。”

例如，Hutter 列举了一系列涉及 CNC 刀具磨床 —— NUM 在该市场拥有强大影响力 ——的最新应用。尽管每个制造商对这些机床的配置存在显著差异，但是通常情况下，这些机床至少具备五个工作轴（三个线性轴和两个旋转轴)，每个轴需要各种各样的安全运动控制功能。几乎在所有情况下，NUMSafe 均已成功助力客户在短短几天内，实现适用于其机床的完整功能安全系统 —— 在某些情况下甚至仅需一天时间！

为了符合机械安全标准（如 EN ISO 13849-1）的基本安全运动要求，最常用的功能安全技术是在合适的轴上实现“安全扭矩切断 (STO)”功能。该功能可确保驱动器不再命令电机产生转矩。“安全限速 (SLS)”功能也大有裨益，尤其是需要在打开门的情况下对机床进行手动操作时。

但是，在将多轴机床设置为安全状态时，可能还需要将特定轴驱动到规定位置，或满足其他的安全相关参数，如维持静止不动时的保持转矩。此外，各种类型的机床需要不同的保护装置 —— 如防护门、联锁系统或挡光板 —— 以及不同的装料区结构和轴几何形状等。这些均需要特定的安全逻辑和安全功能，以便执行正确的机床管理。但是，如果使用 CNC 系统的 PLC，可能会导致不必要的复杂控制方案和冗余逻辑，从而产生大量的额外设置和编程费用。

NUMSafe 通过使用专用安全 PLC 及明确区分标准和安全逻辑，克服了这些问题。机床设计师仅需实现与手头任务相关的安全功能，无需担心未涉及日常关闭程序的运动轴的不相干功能。

NUMSafe 的另一个关键优势是安全 PLC 和安全 I/O 模块等安全设备可以像控制系统中的其他元件一样，安装于同一标准终端内，进一步简化了集成。机床控制系统和伺服驱动器之间的所有通信均通过 EtherCAT 现场总线进行处理，使用 EtherCAT 功能安全协议（FSoE）来确保所有与安全相关的数据的完整性。

在创建安全 PLC 应用程序时，所采用的软件开发工具套件与应用于调试整个系统包括 CNC、PLC、驱动器和 I/O 模块的工具相同。这种统一的开发环境最大限度地减少了学习时间，并降低了代码生成费用。安全应用程序的逻辑使用链接至安全输入和输出的“紧急停止”、“操作模式”、“与”、“或”等功能块进行编程。通过链接功能块，可轻松设置复杂的安全功能。

NUM 的新一代 NUMDrive X 单轴和多轴数字伺服驱动器提供可选的安全运动监控模块，可搭配安全 PLC，对驱动器和电机的所有安全相关方面进行监测和控制。这一模块化方案可在单个机床轴上实现安全功能（仅在需要时），有助于降低系统成本。

提供两个版本的安全运动监控模块，使设计师能够精确匹配其应用需求。基本模块提供 STO 功能。扩展版除 STO 外，还提供符合 EN 61800-5-2 标准的安全运行停止 (SOS)、安全停机 1 (SS1)、安全停机 2 (SS2)、安全限速 (SLS)、安全限位 (SLP) 和安全方向监控 (SDM) 等额外功能。这些功能可单独或组合使用，使设计师能够欣然接受包罗万象的机床安全理念。所有功能均可使用增量或绝对编码器实现 —— SLP 除外，其需要安全归位和增量编码器或经认证的绝对编码器。

NUM 还提供范围广泛的兼容无刷伺服电机。其中包括专为搭配 NUMDrive X 伺服驱动器而开发的单电缆电机，其通过将一条专用双线连接电缆植入电机的电源电缆内，实现与安全数字编码器之间的电源、位置和冗余位置反馈数据传输。