驱动器：控制，安全和数据管理

在过去，驱动的作用只是驱动发动机。今天，它们能做的远不止提供输入让马达转动。随着板载处理能力和内存的增加，现代驱动器可以执行运动控制器、安全plc，甚至数据记录器/边缘计算设备的任务。随着自动化变得越来越普及和复杂，这些智能驱动器为原始设备制造商和终端用户提供了灵活性，以开发最有效、最经济的解决方案。

分布式控制

通过开发智能驱动器启用的前进之一是分布式运动控制。在集中控制，中央设备（运动控制器，个人电脑或plc）协调所有轴的路径规划，而开车它只是放大那些命令。在分布式控制中，驱动器也处理路径规划。分布式运动通常使用master-follower结构,在这种结构中,一个指定的主驱动器/ axis提供了选点其他从动轴(见图1)。一个主驱动可以控制多个从动驱动器也可以是黛西链接在一起,相同的驱动器作为两主一个驱动器和跟随者到另一个地方。

图1:在集中运动控制中(左)，一个集中的设备执行整个系统的路径规划。在分散式或分布式运动控制(右图)中，智能驱动器执行单轴或以菊花链形式连接的多个轴的路径规划。(由Kes47)

分布式或基于驱动的运动控制消除了对集中运动控制器的需要，降低了成本和占地面积。罗克韦尔自动化(新加坡)运动控制业务产品经理Simon Keng Soon Wong表示:“分布式逻辑的优势包括帮助提高吞吐量和驱动速度。

在工程中总是要权衡的，分布式控制也不例外。智能驱动器在管理高度协调的运动方面没有那么有效。它们通常需要用更高级的语言编程，这对于习惯于使用结构化文本、功能块或阶梯逻辑等更常见的PLC替代品的工程师来说是一个扩展。在过去的几年里，供应商们已经朝着具有图形界面的更易访问的工程工具迈进了一大步。原始设备制造商可以利用一些拖放功能，然后编写自己的高级、特定于应用程序的块。

大约十年前，人们对这种方法的好处颇为兴奋。今天,意见不一。罗克韦尔自动化(威斯康星州密尔沃基)运动控制业务经理Andrew Jaap说:“随着网络带宽的增加，本地处理能力的提高，配置软件变得更好，更以用户为中心，分布式架构一直在不断发展。”分布式运动控制是否适合取决于应用的需求、项目的规模，甚至团队的技能。

“你会遇到限制，”西门子数字工业(佐治亚州Alpharetta)通用运动控制部门的高级产品营销经理克雷格•尼尔森(Craig Nelson)说。“它是否像在某些高度开发的控制器环境中编程那样用户友好?”通常不会。这是w二到三轴是分散控制的一般经验法则。如果你需要控制3个以上的轴，那么通常情况下，运动控制将由更高级别的控制器来处理。”

Nelson指出易用性和更强大的功能是更多设计团队转向集中运动控制的原因。“人们在他们的机器上增加了更多的自动化和更多的运动控制轴，因此工程时间是一个重要的考虑因素，”Nelson说。“我想说的是，大多数运动控制市场使用的是更高级别的控制器。”

然而，他警告说，这并不是要排除分布式运动控制。尼尔森说:“仍然有一些应用程序和解决方案提供商倾向于在驱动器中进行协调运动控制。”“所以，是的，这两个领域都有市场，但我认为我们看到的最大增长是中控运动领域。”

分布式运动控制有一些“甜点”。对于具有非常简单的运动要求的设备，一个高级控制器可能是多余的。例如，汽车生产线上的发动机起重机甚至没有中央控制器。他们只是使用驱动和分布式控制来实现简单的动作。驱动器还可以在某些类型的应用程序中提供更快的响应。存储和检索机器人的手臂可能会振荡时，持载在延伸。通过振动补偿技术，驱动器可以检测并抑制这些振荡。虽然plc或运动控制器可以提供相同的功能，驱动器和控制器之间的通信引入的延迟可能会减慢响应。这个问题也出现在许多其他应用中，从工厂地板和金属铸造厂使用的架空起重机，到码头装载机，海上风力可能导致集装箱摇摆。

基于驱动的控制提供了一种方法，当访问控制器代码受到限制时，可以向平台添加运动。例如，OEM可能想要保护专有代码不受第三方的侵犯。也许资产所有者正在改造或扩展一台旧机器，而控制器代码无法访问。在这些类型的情况下，额外的运动可以使用智能驱动器的分布式轴控制来实现。PLC或运动控制器将继续控制机器的现有部分，并通过机器网络与新的轴通信。该方法也适用于机器需要添加现有运动平台无法支持的功能的情况。

有了这些部署类型，集中式和分散式之间的界限就不再明确了。“这基本上混合这两个范例,集中和分散,以至于变得更加困难看一个与另一个,就说,‘嘿,如果你做三轴你这样做,如果你做三轴以上,你这样做的,因为这并不是完全正确,“傻瓜说。“这项技术一直在发展。”

安全

虽然目前仍然没有在简单的系统硬接线安全的地方，功能安全在自动化中越来越受欢迎。福利超出了核心授权维持安全的环境为保护设备的人员，精简操作，提高吞吐量。在功能安全方面，安全控制器分析运动反馈，驱动器使用内置功能修改电机的操作，这些功能被配置为实现定义的安全状态。最初，驱动器调用安全扭矩关闭(STO)，从电机去除扭矩产生电流，同时保持驱动器通电，加速重启。今天，驱动器可提供超过20个安全功能，如安全限制速度，安全限制位置，和安全方向(见侧栏)。

安全驱动器以其他方式变得更加复杂。正如运动控制一样，可以使用安全PLC或分散地集中安全控制，并且驱动器执行安全逻辑。例如，在安全有限的速度的情况下，驱动器将使用编码器反馈来监视轴的速度。如果违反定义的条件，则操作员打破光幕，例如，驱动器将使用其功能来执行预定响应，例如减速或停止减速或停止。

架构的选择取决于所涉及的资产。对于一个小机器，启用安全驱动器可以处理的安全逻辑，以及功能（参见图2）。一个更复杂的机器具有较高的轴数可以使用集中式架构的小安全PLC来控制驱动器。对于较大的布局相结合的机器和机器人技术，解决方案可能会需要分布式IO和多个安全现场总线之间分发安全装置。在完全网络化工厂地面的情况下，主安全装置可被用于运行的15吨或20的机器的整个生产线。

图2:安全架构范围从基于驱动器(左)到由安全PLC运行的安全驱动(中)，再到通过安全以太网连接到主安全控制器的大量资产(右)。(博世力士乐提供)

今天的机器不仅有更多的运动轴，它们也越来越多地与线性机器人、协作机器人和其他智能运输技术相结合。特别是随着减少占地面积压力的增加，功能性安全需要在3D空间中操作。Jaap说:“当你有多种类型的设备在同一个空间运行时，它们都需要有一定的安全意识，并有一定的能力了解它们相对于其他设备的位置。”“这就是我们开始讨论基于笛卡尔的安全指示的地方。”使用这种方法，一个轴或子系统在安全的有限速度下运行，例如，将能够在3D空间中定位自己，并确定是否有与在同一空间中移动的其他元素发生碰撞的风险。

灵活性，可扩展性，生产力

考虑到如今对可重构工厂的兴趣，功能安全尤其有用。而不是改变硬件和w我响铃设置更改时，用户可以在软件中重新定义安全功能。在今天的安全产品中，通常可以通过图形用户界面而不是通过重写代码进行更新。

博世力士罗斯(Bosch Rexroth, Hoffman Estates, Illinois)首席工程师蒂姆•洛里亚(Tim Loria)表示:“如果你的系统发生了变化，只需点击几下鼠标，勾选几个复选框，你就可以重新配置安全功能。”“假设你以有限的速度安全出发，但现在，基于操作的变化，你需要安全的方向。你只需点击配置窗口中的另一个框，就可以激活该功能。”

功能安全性也很有吸引力，因为它可以简化工程过程。oem服务于全球市场，具有不同的性能预期、监管环境和成本限制。终端用户甚至是机器制造商在生命周期的不同阶段需要不同的东西。拥有一个体系结构，能够使用类似的工具、类似的仿真环境和类似的仿真环境来满足简单的五轴机器或150轴机器的需求，这将改变游戏规则。Jaap说:“这种灵活性和可扩展性真的可以帮助更多客户部署移动。”“最终，你仍然需要让事情有所进展，但正是这些其他功能简化了设计，减少了工程时间，并记录了实现目标的过程。”

尽管能够启用安全的驱动器的许多优点和广泛的可用性，但采用仍然滞后，虽然它正在改善。“我们开始看到越来越多的人认识到他们可以从功能安全获得的效率提升，但这是一个相对缓慢的过程，”丹尼尔说Zachacki，三菱电机自动化公司(Vernon Hills, Illinois)伺服/运动高级产品营销工程师。“大多数工程师只知道他们需要安全的扭矩关闭。很少会遇到有人说，‘嘿，这需要安全限制速度。’”据他估计，风险评估和确定安全水平往往会引导设计师转向安全扭矩，而此时他们可以通过使用不同的策略获得更大的功能。他说:“人们普遍缺乏对如何使用其他安全子功能或安全子功能的组合来保持相同的安全水平，但同时也提高你的工厂或机器的生产率的理解。”“当人们开始意识到这一点时，我们将开始看到安全子功能的使用更加复杂。目前，你在汽车领域经常看到这种情况，但你不一定会在包装领域看到这种情况。”

Loria将此属性归因于部署更复杂的功能安全性的误解。“他们认为它会花费更多，它会阻碍他们的机器，它会花更多的时间，但这不是这种情况，”他说。“人们开始意识到，它实际上可以是一个非常简单，低成本的驱动器升级，没有安全到具有所有许多好处的驱动器。它提供了非常快速的投资回报。“

数据管理

现代化的工厂车间被挂满了传感器和设备，帮助将读数转化为可操作的信息。数据历史学家或数据记录器可以高速获取大量的投入。从那里，它可以将发送到与分析所使用的云。

在下行，数据历史记录/数据记录器向系统增加成本和复杂性。智能驱动器中的处理电源和存储使其能够处理聚合和处理数据，并且可能更复杂的机器学习和其他类型的AI更复杂的任务。

驱动器可以访问大量的数据，这些数据可以被挖掘，从而深入了解系统操作和资产状况。例如，驱动电流与电机转矩成正比。扭矩需求的意外增加可能由轴承缺陷、润滑故障、皮带张紧不当等问题引起。有些驱动器使用传感器收集这些信息;另一些则使用虚拟电流监测。

因为驱动器连接到计算机网络，它们能够从其他来源和传感器捕获的数据，从而提供围绕功能性数据的上下文和可开采的预测性维护的历史。可以将数据发送到云，以产生可操作的情报。“你有一个基于Web的仪表板，客户可以从驱动器中向上推所有的数据，对其进行评估，下载回驱动器，并就此采取行动，”产品营销经理在西门子通用驱动器拉斐尔Larcher的说。

该数据也可以利用过程控制，甚至质量保证。在汽车行业，例如，智能驱动器正在测试台用于评估在电动汽车电机。“我们有我们的系统驱动器的应用程序，我们可以在8 kHz的信号取数据从驱动器到边缘设备，”尼尔森说。

尽管基于云的分析是一个强大的工具，但数据传输需要带宽，数据的输入和输出也有成本。从驱动器到云的往返传输也引入了延迟。对于扭矩监测来说，这不是问题，但对于某些应用程序来说，每一毫秒都很重要。例如，在高速网页处理中，如果出现可能导致网页中断的移动问题，系统需要立即作出响应。作为一个结果,边缘计算¾使用本地设备进行预处理甚至全面分析变得越来越流行。它减少了数据量，消除了传输时间，并提供了更快的结果。

虽然大多数边缘处理在专用设备上进行，但情况不一定是这样的。“智能驱动器可能成为边缘设备和集线器，因为它们包含围绕轴的附加数据，“JAAP说。“大多数智能驱动器正在捕获大量的轴性能数据。驱动器的整体趋势是在更高的捕获速率下提供更多数据作为运行速度，可靠性和运营生产率增加。所以，一旦你捕获数据，你真的想把它全部发送到云吗？答案可能不是。“

“随着伺服驱动器的演变为”智能驱动器“，它们处于辅助边缘设备的优势，”Zachachi说。他指向运行预测维护算法的驱动器。驱动器监控内部和外部反馈以及超出限制，通知机器运算符。“您可以使用边缘计算重新创建您的预测维护例程。这不是不可能的，只是很难，“他说。“但是，你必须捕获所有这些数据点。您必须构建模型，您必须将该数据保存为参考。如果一切都在驱动器中发生，你刚刚保存了自己，而不仅仅是大量的编程工作，而且还要存储那种数据量。“

在日益复杂的自动化在全球市场的时代，智能驱动器提供控制和同时通过功能安全性和数据采集和分析，有助于提高生产力的安全架构更大的灵活性。通过做其他系统组件的责任，硬盘还有助于降低成本和占地面积。特别是，通过驱动实现安全的成本可能远低于预期的用户，并提供快速的投资回报。最后，观察到上面讨论的能力都没有异国情调是非常重要的。在fact, a look at the drive’s manual may reveal that safety, control, and processing capabilities are built in. The key is to work closely with vendors to uncover hidden functions and discover the options available for best achieving performance, throughput, and cost objectives.

侧边栏# 1:

知道这个代码

今天的安全驱动可提供超过24个安全功能。一些比较常见的是:

1. 安全转矩关闭(STO):将电源移至电机，但使驱动器通电，以便快速重启
2. 安全停止1（SS1）：用于高动能的设备的主动制动;准备sto.
3. 安全运行停止（SOS）：驱动器在零速度下保持马达而不去除扭矩
4. 安全停车2号(SS2):用于高动能设备的受控制动坡道;准备紧急求救信号
5. 安全制动控制(SBC):控制外部制动;通常用于垂直轴上承载负载的电机
6. 安全有限的速度（SLS）：设置最大速度
7. 安全方向（SDI）：运动的限制方向
8. 安全受限增量(SLI):限制运动增量以支持慢跑操作
9. 安全限制扭矩(SLT):防止电机超过规定的扭矩
10. 安全限位(SLP):建立一个操作信封