安全编码器是啥玩意儿

我们知道，在机器设备中一套完整的安全控制系统需要包括：安全检测元件、安全控制机构和安全的动力执行机构。

安全检测元件，如：安全区域扫描仪、安全地毯、安全光栅...等，用于感知是否有人员进入到了运动设备的潜在危险区域；

安全控制机构，如：安全控制器、继电器，用于处理系统的安全逻辑，对人员面临的潜在危险进行辨识，并按照预设的安全策略向动力执行机构发出相应的安全动作指令。

安全的动力执行机构，安全变频器、安全伺服驱动器、安全气动元件...，依照控制器发出的指令执行所需的安全动作，如：减速、限速、停止或切断动力输出...等。

而在设备运行过程中，运动执行机构是否已经按照要求做出适当的动作反应，以及执行结果是否达到要求，例如：是否停下来了，是否在速度限值范围...等等，这些，就是安全编码器需要做的事情了。

所以，简单的说，安全编码器的作用，就是为设备的安全运动提供可靠的位置和速度反馈，配合安全控制系统完成所需的安全功能。

为了方便大家理解，咱们先来看几个典型的应用场景：

1. 安全停止

当操作人员的身体进入设备危险区域时，需要确保机器动作处于停止状态。安全控制器会根据安全光栅等检测元件感知到的信号，判断是否有人员已经进入所规定的危险区域，如果是，那么控制器就会向变频器、驱动器和液压动作机构发出停止运行的指令。

但如果在这个安全指令的执行过程中，编码器检测到运动机构没能在规定时间内停止，或者它们在人员仍处于该区域时出现异常动作，那么控制器就会立即向动力组件发出指令切断执行机构的动力电源输出（STO）。这样做的好处在于，不需要在每次有人员进入危险区域进行操作时都切断执行机构的动力电源，可以在兼顾人员操作安全性的同时，确保设备的运行效率。

2. 安全限速

在某些情况下，运维人员是需要进入设备危险区域对正在运转的部件进行故障处理、检修保养...等操作的。

例如，上图中所示，操作人员需要一边手动控制设备的慢速运行，一边完成对油墨滚筒的清理工作。此时，设备系统就需要以安全速度限制的控制模式运行。如果设备运行出现异常，如：速度超出限值、或者人员意外受到伤害，那么就必须立即切断执行机构（如：驱动器...）的动力输出，以保护人员安全。而这其中就需要使用安全编码器（或安全电机反馈）为安全控制系统准确提供各运动部件的实时速度反馈。

3. 安全速度控制

有些设备在工作时须能够根据其周围人员所处位置的危险程度，自动灵活的调整其本身的运行速度。

例如，AGV 小车在行进方向上，如遇到有人靠近并进入其减速距离范围时，应能够自动按照要求减慢速度，而若是有人员进入危险距离，还必须能够及时停止。也就是说，AGV 需要根据人员靠近距离的不同，灵活调整其行进速度。

而如果要在这里完成可靠的安全速度控制，也是需要使用安全编码器来作为其闭环反馈的。

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类似的应用场景还有很多，篇幅关系，这里就不一一列举了。

不过总的来说，在机器安全控制系统中，十分有必要使用安全编码器作为电机、负载或/和传动机构的运动反馈，来帮助完成对设备部件动作状态的闭环监测。尽管安全控制器或/和集成安全的驱动器...等安全产品都能够实现对安全控制流程的管理，但如果没有安全级别编码器作为可靠的动作状态反馈，它们的功能其实是受限的。

其实从理论上说，传统的旋转编码器也是可以用于实现运动安全的反馈功能的，但却必须证明其在每种情况下都能够达到所需的安全性能水平。 而这就得具备非常详细的产品知识，通常需要得到产品服务商或/和制造商的支持。 尤其是对于单编码器系统来说，需要排除运动负载和编码器之间的耦合故障，这一点十分关键。 

相比之下，使用安全编码器就要简单得多，因为它们都是符合特定的安全标准的，所有必要的安全相关信息都已经是现成的了，例如：我们之前提到过的 Kinetix VPC 系列电机中使用的HIPERFACE DSL 伺服反馈就已经达到了 SIL2/PLd 级别的功能安全标准。

那么，和普通的编码器相比，安全编码器有什么特别之处呢？

首先，从外观上看，安全编码器会采用比较坚固耐用的外形设计，有着比较出色的环境防护等级，尤其是抗冲击和振动方面通常都会有着很不错的表现。

其次，安全编码器与运动机构的机械连接必须是充分可靠的。大部分安全编码器的输入轴都会采用平键或切面的机械连接锁合方式；而如果是盲孔/通孔空心轴型编码器，通常也都会配备增强型夹紧环。

信号输出方面，很多安全编码器，尤其是安全伺服反馈，都会提供两个通道的位置反馈，以帮助安全控制器或集成安全驱动系统对编码器数据进行 CRC 循环冗余校验。例如：传统 HIPERFACE 反馈协议编码器就已经提供了 Sin/Cos 两组反馈信号；而我们之前介绍过的HIPERFACE DSL 协议编码器，则是在一般位置变化量的基础上，将两组安全位置数据集成在了其高速数字化反馈通道中，从而实现了安全级别的伺服反馈。

此外，安全编码器不仅能够向设备提供位置反馈，还会对编码器内部的信号检测状态进行实时监测，例如：Sin^2 + Cos^2 = 1 检测、数据传输帧技术、供电电压/传感器电流/环境温度监测、运行时间计数、故障状态...等等，并通过模拟量、开关量或者数字通讯端口（如： HIPERFACE DSL）将其输出反馈给设备安全控制系统，这其中数字化反馈的优势在于能够为系统提供更多更全面的诊断状态信息。

而有些安全编码器的双安全位置反馈输出是由其内部两套冗余传感和诊断元件检测生成的，这种 1oo2 的双检测回路安全架构能够帮助编码器元件达到 SIL3 级别的安全标准。

上面提到的这些在安全编码器内部可能会用到的技术元素，都是可以在一定程度上帮助其提升产品的可靠性和安全性的。编码器厂家通常会基于已所采取的安全技术措施，按照一定的安全标准为其编码器产品标称相应的安全性能指标，即：PFHd 值 / 每小时危险失效概率。

不过，值得注意的是，设备系统的安全等级是取决于其中可靠性级别最低的元件的。因此，将一只具备较高安全级别（如：SIL3）的安全编码器接入安全等级较低的控制器/驱动器，是无法让系统也达到同等高级别的安全性能的。

如果运控机构中使用了带有安全反馈的电机，则需要为其配备具有集成安全功能的变频/伺服驱动单元。而如果该运控系统的伺服反馈使用的是数字式通讯协议（例如：HIPERFACE DSL），那么只需要借助驱动器和电机之间唯一的一根两芯动力线缆的连接，即可以实现 SIL2 以上的安全反馈。

对于那些并不具备安全反馈的电机传动系统，就有必要在运动机构中使用单独的安全编码器产品了，然后须将其输出信号接入安全控制器/系统中的安全反馈接口模块。这种做法比较适合用于一些老式伺服运控系统的安全升级改造，或者普通异步变频传动系统的安全集成，如：AGV 小车、物流传输系统、起重行车设备...等等。