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驱动器:控制，安全和数据管理

发布09/28/2021

作者:克里斯汀·莱沃斯基，特约编辑

在过去，驱动器的作用只是为电机提供动力。如今，它们能做的远不止提供输入使电机转动。随着板载处理能力和内存的不断增加，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遍和复杂，这些智能驱动器为oem和最终用户提供了灵活性，可以为手头的应用开发最有效、最经济的解决方案。

分布式控制

智能驱动器的发展所带来的进步之一是分布式运动控制。在集中控制，中心装置(运动控制器，个人电脑，或PLC)坐标路径规划为所有轴，而开车只是放大这些命令。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主-从动结构，其中指定的主驱动器/轴为其他从动轴提供设置点(见图1)。一个主驱动器可以控制多个从动驱动器，也可以将它们菊花链在一起，同一个驱动器既充当一个驱动器的主驱动器，又充当另一个驱动器的从动驱动器。

图描述自动生成

图1:在集中运动控制(左)中，一个集中设备执行整个系统的路径规划。在分散或分布式运动控制(右)中，智能驱动器为单轴或以雏菊链配置连接的多个轴执行路径规划。(由Kes47提供)

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求，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。

在工程中总是存在权衡，分布式控制也不例外。智能驱动器在管理高度协调的运动时不那么有效。它们通常需要用高级语言编程，这对于习惯于使用更常见的PLC替代品(如结构化文本、功能块或阶梯逻辑)的工程师来说可能是一种扩展。在过去的几年中，供应商已经在具有图形界面的更易于访问的工程工具方面取得了长足的进步。原始设备制造商可以利用一些拖放功能，然后编写自己的更高级别、特定于应用程序的块。

大约十年前，人们对这种方法的好处感到相当兴奋。如今，观点不一。“随着网络带宽的增加，随着本地处理能力的提高，随着组态软件变得更好，更以用户为中心，分布式体系结构不断发展，”罗克韦尔自动化(Milwaukee, Wisconsin)运动控制业务业务经理Andrew Jaap说。分布式运动控制是否适合，取决于应用程序的需求、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(Alpharetta, Georgia)通用运动控制集团的高级产品营销经理克雷格·纳尔逊(Craig Nelson)说。“它是否像在一些高度发达的控制器环境中编程那样用户友好?通常不会。这是w2到3个轴是分散控制的一般经验法则。如果你需要控制三个以上的轴，那么运动控制通常会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通常转向集中运动控制的原因。尼尔森说:“人们在他们的机器上增加了如此多的自动化和如此多的运动控制轴，工程时间是一个重要的考虑因素。”“我想说，大多数运动控制市场都使用更高级别的控制器。”

然而，他警告说，这并不是要否定分布式运动控制。尼尔森说:“仍有许多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，两者都有市场，但我认为我们看到的最大增长是中央控制运动。”

分布式运动控制有一些最佳点。对于运动要求非常简单的设备，高级控制器可能会过度使用。例如，汽车生产线上的发动机提升机甚至没有中央控制器。他们只是使用驱动器和分布式控制简单的运动。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在拉伸时保持负载振动。驱动器可以通过振动补偿技术检测和抑制这些振荡。虽然plc或运动控制器可以提供相同的功能，但驱动器和控制器之间的通信引入的延迟会减慢响应速度。这个问题出现在许多其他应用中，从工厂车间和金属铸造厂使用的架空起重机，到码头装载机，海上风会导致集装箱摇摆。

基于驱动器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可能希望保护专有代码不受第三方的侵害。也许资产所有者正在改造或扩展一台旧机器，无法访问控制器代码。在这些情况下，附加的运动可以使用智能驱动器对轴的分布式控制来实现。PLC或运动控制器将继续控制机器现有的部分，并通过机器网络与新的轴通信。这种方法也适用于机器需要增加现有运动平台无法支持的功能的情况。

有了这些类型的部署，中心化和去中心化之间的界限不再泾渭分明。Jaap说:“它基本上混合了中心化和去中心化这两种范式，以至于很难将其中一种与另一种进行比较，并说‘嘿，如果你做三个轴，你就做这个，如果你做三个以上轴，你就做这个’，因为这已经不完全正确了。”“技术一直在发展。”

安全

尽管在简单的系统中仍有硬连线安全的一席之地，功能安全在自动化方面越来越受欢迎。这些好处超出了维护安全环境为人员保护设备，简化操作，提高吞吐量。在功能安全中，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，驱动器调用安全转矩关闭(STO)，它消除了电机产生的转矩电流，同时保持驱动器通电，加速重新启动。如今，驱动器具有20多种安全功能，如安全限速、安全位置限制和安全方向(见侧栏)。

安全驱动在其他方面也变得更加复杂。就像运动控制一样，安全控制可以使用安全PLC进行集中控制，也可以分散控制，由驱动器执行安全逻辑。例如，在安全限制速度的情况下，驱动器将使用编码器反馈来监控轴的速度。如果违反了规定的条件，操作员打破了光幕，例如，驱动器将使用其功能执行预定的响应，如减速或停止。

体系结构的选择取决于所涉及的资产。对于小型机器，具有安全功能的驱动器可以处理安全逻辑以及功能(见图2)。具有更高轴数的更复杂的机器可能使用带有小型安全PLC的集中式架构来控制驱动器。对于结合了机器和机器人技术的更大的布局，解决方案可能需要在多个安全现场总线之间部署分布式IO和分布式安全设备。在一个完全联网的工厂车间，一个主安全装置可以用来运行15或20台机器的整条生产线。

图描述自动生成

图2:安全架构的范围从基于驱动器(左)到由安全PLC运行的安全驱动器(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集成。特别是随着减少占地面积的压力增加，功能安全基本上需要在3D空间中运行。Jaap说:“当你在同一个空间中运行多种类型的设备时，它们都需要有一定的安全意识，并能够了解它们与其他设备的相对位置。“这就是我们开始讨论基于笛卡尔的安全指令的地方。”例如，使用这种方法，在安全限速下运行的轴或子系统将能够在3D空间中定位自身，并确定是否有与在同一空间中移动的另一个元素碰撞的风险。

灵活性，可伸缩性，生产力

考虑到如今对可重构工厂的兴趣，功能安全性尤其有用。而不是改变硬件和w我当设置发生变化时，用户可以在软件中重新定义安全功能。如今的安全产品通常可以通过图形用户界面进行更新，而不是通过重写代码。

“如果你的系统发生了变化，只需点击几下，几个复选框，你就可以重新配置你的安全功能，”博世力士乐(Hoffman Estates, Illinois)的首席工程师蒂姆·洛里亚(Tim Loria)说。“假设你一开始的速度是安全的，但现在，根据操作的变化，你需要安全的方向。你只需在配置窗口中点击另一个框并激活该功能。”

功能安全也很有吸引力，因为它可以简化工程过程。oem为全球市场提供不同的性能期望、监管环境和成本限制。最终用户甚至机器制造商在生命周期的不同阶段需要不同的东西。拥有一个能够满足简单的五轴机器或使用类似工具、类似仿真环境和类似仿真环境的150轴机器的需求的体系结构可以改变游戏规则。“这种灵活性和可扩展性确实可以帮助更多客户部署运动，”雅普说。“在一天结束的时候，你仍然需要让东西移动，但所有这些其他功能都简化了设计，减少了工程时间，并记录了你实现目标的过程。”

尽管安全驱动具有许多优势和广泛的可用性，但采用率仍然落后于四分之三，尽管它正在改善。“我们开始看到越来越多的人认识到他们可以从功能安全中获得效率收益，但这是一个相对缓慢的过程，”丹尼尔说Zachacki他是三菱电机自动化(伊利诺伊弗农山)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，这需要安全限速。’”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关闭，而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函数或安全子函数的组合来保持相同的安全水平，同时提高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函数的使用更加复杂。目前，你可以在汽车行业看到很多，但你不一定会在包装领域看到它。”

Loria认为这是对部署更复杂的功能安全的误解。“他们认为这会花费更多，会阻碍他们的机器，会花费更多时间，但事实并非如此，”他说。“人们开始意识到，从没有安全保障的驾驶升级到有诸多好处的驾驶，实际上是一种非常简单、低成本的升级。它提供了非常快的投资回报。”

数据管理

现代化的工厂车间布满了传感器和设备，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捕获大量输入。从那里，它可以被发送到云端，用于分析。

缺点是，数据历史记录/数据记录器增加了系统的成本和复杂性。智能驱动器的处理能力和存储能力使它们能够处理聚合和处理数据，甚至可能完成更复杂的任务，如机器学习和其他类型的人工智能。

驱动器可以访问大量的数据，这些数据可以用于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;其他人则使用虚拟电流监控。

由于驱动器连接到机器网络，它们能够从其他来源和传感器捕获数据，提供围绕功能数据的上下文和历史记录，可以挖掘用于预测性维护。这些数据可以被发送到云端，以产生可操作的情报。西门子通用驱动器产品营销经理拉斐尔•拉彻(Rafael Larcher)表示:“你有一个基于网络的仪表盘，客户可以将驱动器上的所有数据推送、评估、下载回驱动器，并据此采取行动。”

这些数据还可以用于过程控制甚至质量保证。例如，在汽车行业，智能驱动器正被用于评估电动汽车中使用的电机的试验台。Nelson说:“我们的系统驱动器有一个应用程序，我们可以将8千赫信号的数据从驱动器传输到边缘设备。”

虽然基于云的分析是一种强大的工具，但数据传输需要带宽，而且数据的输入和输出都有成本。从驱动器到云的往返传输也引入了延迟。对于扭矩监测，这不是问题，但对于某些应用程序，每一毫秒都很重要。例如，在高速web处理中，如果有一个可能导致web中断的运动问题，系统需要立即响应。结果，边缘计算使用本地设备执行预处理甚至完整的分析正变得越来越流行。它减少了数据量，消除了传输时间，并提供了更快的结果。

尽管大多数边缘处理都是在专用设备上进行的，但事实并非如此。“智能驱动器很可能成为边缘设备和集线器，因为它们包含围绕轴的额外数据雅普说。”大多数智能驱动器正在捕获大量的轴性能数据。随着操作速度、可靠性和操作生产率的提高，驱动器的总体趋势是以更高的捕获率交付更多的数据。那么，一旦你捕获了数据，你真的想把它们都发送到云端吗?答案可能是否定的。”

Zachacki说:“随着伺服驱动器向‘智能驱动器’的发展，它们处于辅助边缘设备的绝佳位置。”他提到了运行预测性维护算法的驱动器。驱动器监控内部和外部的反馈，当超出限制时，通知机器操作员。“你可以使用边缘计算重新创建预测性维护程序。这不是不可能，只是很难。”“但你必须捕捉所有这些数据点。你必须建立模型，并将数据保存在某处以供参考。如果这一切都发生在本地驱动器中，你不仅节省了大量的编程工作，而且还必须存储大量的数据。”

在全球市场自动化日益复杂的时代，智能驱动器在控制和安全架构方面提供了更大的灵活性，同时通过功能安全和数据捕获和分析帮助提高生产力。通过承担其他系统组件的职责，驱动器还有助于降低成本和占用空间。特别是，通过驱动器实现安全的成本可能远低于用户预期，并提供快速的投资回报。最后，需要注意的是，上面讨论的功能并不是外来的。事实上，看看驱动器的手册可能会发现，安全，控制和处理能力是内置的。关键是与供应商密切合作，以发现隐藏的功能，并发现可用于最佳实现性能、吞吐量和成本目标的选项。

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了解密码

如今的安全驱动具有二十多种安全功能。比较常见的有: