Bezpieczeństwo układów
napędowych z
przemiennikami
częstotliwości PowerFlex
i serwonapędami Kinetix
Roman Dziaduch.
Commercial Engineer Drives.
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
1. Wprowadzenie
2.  Tradycyjne obwody bezpieczeństwa z użyciem przekształtników
3. Przekształtniki z wbudowaną funkcją  Safe Torque Off Kat 3
4. Przekształtniki zapewniajace realizację Kat 4, SIL3, PLe
5. Zakończenie
2
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
EN60204-1 Wyposażenie elektryczne maszyn
Wydanie normy z 2001 wprowadzało ograniczenia:
Paragraf 9.2.5.4.2
Jeżeli funkcję zatrzymania awaryjnego spełnia zatrzymanie kategorii 0, to
układ powinien być zmontowany jedynie z części elektromechanicznych.
Ponadto działanie zatrzymania awaryjnego nie powinno zależeć od stanu
elektronicznych elementów logicznych (hardware lub software) ani od
transmisji poleceń poprzez sieć lub łącza komunikacyjne.
Jeżeli funkcję zatrzymania awaryjnego spełnia zatrzymanie kategorii 1, to
powinno być zapewnione ostateczne odłączenie zasilania napędów maszyny
za pomocą elementów elektromechanicznych.
oraz
Paragraf 11.3.4
Programowalne wyposażenie elektroniczne nie powinno być zastosowane do
realizacji funkcji zatrzymania awaryjnego kategorii 0 (patrz 9.2.5.4).
Do realizacji wszystkich innych funkcji zatrzymania wiążących się z
bezpieczeństwem, zalecane jest zastosowanie oprzewodowanych na stałe
elektromechanicznych części składowych (tzn. zaleca się, aby funkcja nie
zależała od działania elektronicznego wyposażenia programowalnego).
3
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
System bezpieczeństwa, a systemy automatyki
 Tradycyjne systemy bezpieczeństwa
używają  wypróbowanych i
przetestowanych technologii:
- styczniki
- wyłączniki
- blokady...
Systemy automatyki wykorzystujÄ… technologie
najnowocześniejsze
4
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
EN60204-1 Wyposażenie elektryczne maszyn
W nowym wydaniu normy z 2006 ograniczenia te zostały usunięte
Paragraf 9.4.1:
The electrical control circuits shall have an appropriate level of
safety performance that has been determined from the risk
assessment at the machine. The requirements of IEC 62061
and/or ISO 13849-1:1999, ISO 13849-2:2003 shall apply.
5
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
System bezpieczeństwa a systemy automatyki
 Tradycyjne systemy bezpieczeństwa
używają  wypróbowanych i
przetestowanych technologii:
- styczniki
- wyłączniki
- blokady...
DeviceNet
Systemy automatyki wykorzystują technologie najnowocześniejsze
6
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Kategorie? Poziomy wydajności systemów? Poziomy
nienaruszalności?
Kategoria B PL A -
Kategoria 1 PL B
SIL 1
Kategoria 2 PL C
Kategoria 3 PL D SIL 2
Kategoria 4 PL E SIL 3
--SIL 4
Uwaga!!!
Ze względu na różne sposoby definiowania,
odpowiedniość jest jedynie przybliżona.
7
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
ISO 13849-1: Elementy systemów sterowania
związane z bezpieczeństwem
Kategorie
określają
architekturÄ™
systemu
bezpieczeństwa
dla PL
Element
bezpieczeństwa z
określonym PL
8
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Kategorie zatrzymania wg EN60204-1
" Kategorie określają sposób zatrzymania maszyny
" Typy zatrzymania
 Kategoria 0
" bezzwłoczne odłączenie zasilania od napędów maszyny,
tj. zatrzymanie niekontrolowane
 Kategoria 1
" zatrzymanie kontrolowane przy zasilaniu napędów
maszyny aż do jej zatrzymania a następnie odłączenie
zasilania, po zatrzymaniu
 Kategoria 2
" zatrzymanie kontrolowane przy pozostawieniu zasilania
napędów maszyny
" Zatrzymanie awaryjne
 Powinno działać jako zatrzymanie kategorii 0 lub 1
 Ostatnie wydanie normy zezwala na wykorzystanie
urządzeń elektronicznych do zatrzymania awaryjnego
9
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
2.  Tradycyjne obwody bezpieczeństwa z użyciem przekształtników
10
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Tradycyjne zatrzymanie awaryjne przemiennika lub
serwonapędu. Kategoria Bezpieczeństwa B
1. Użyte elementy spełniają wymogi standardu
IEC 60947-5-2 (brak precyzyjnych wymogów dla
aplikacji bezpieczeństwa)
2. Układ zaprojektowany zgodnie z ogólnymi
Napęd
wymogami bezpieczeństwa IEC 60204-1
Pojedyncza usterka jakiejkolwiek części
obwodu bezpieczeństwa może prowadzić do
utraty funkcji bezpieczeństwa.
Zatrzymanie silnika wybiegiem
(Kat 0 zatrzymania)
11
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Tradycyjne zatrzymanie awaryjne przemiennika lub
serwonapędu. Kategoria Bezpieczeństwa 1
Stycznik
bezpieczeństwa
1. Spełnione wymogi Kategorii B
2. Zastosowane przyjęte zasady bezpieczeństwa
oraz przetestowane elementy bezpieczeństwa
Napęd
Pojedyncza usterka jakiejkolwiek części
obwodu bezpieczeństwa może prowadzić do
utraty funkcji bezpieczeństwa.
Zatrzymanie silnika wybiegiem
(Kat 0 zatrzymania)
12
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Co to jest stycznik bezpieczeństwa?
1. Wszystkie bieguny (główne i pomocnicze) połączone
mechanicznie zgodnie z EN 60947-5-1.
2. Działanie lustrzane zestyków NC zgodnie z EN 60947-4-1
3. Każde urządzenie jest testowane
4. PoÅ›wiadczenie certyfikatem (SÜVA)
Dodatkowo:
Brak możliwości mechanicznego załączenia
Kolor czerwony wyodrębniający element bezpieczeństwa w szafie
13
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Tradycyjne zatrzymanie awaryjne przemiennika lub
serwonapędu. Kategoria Bezpieczeństwa 2
E-STOP
1. Spełnione wymogi Kategorii B
2. Zastosowane przyjęte zasady
Napęd
bezpieczeństwa oraz przetestowane
elementy bezpieczeństwa
3. Diagnostyka funkcji bezpieczeństwa w
Przekaz
nik
momencie załączenia zasilania lub
bezpieczeństwa
podczas testu (on/off)
Usterka jakiejkolwiek części obwodu
bezpieczeństwa w okresie pomiędzy
Stycznik
diagnostykami może prowadzić do
bezpieczeństwa
utraty funkcji bezpieczeństwa.
Zatrzymanie silnika wybiegiem (Kat 0)
lub kontrolowane (Kat 1)
14
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Tradycyjne zatrzymanie awaryjne przemiennika lub
serwonapędu. Kategoria Bezpieczeństwa 3
1. Spełnione wymogi Kategorii B
E-STOP
2. Zastosowane przyjęte zasady bezpieczeństwa
Napęd
oraz przetestowane elementy bezpieczeństwa
3. Pojedyncze uszkodzenie obwodu
bezpieczeństwa nie powoduje utraty funkcji
bezpieczeństwa (redundancja)
Przekaz
nik
Bezp.
4. Wykrywanie uszkodzenia obwodu
bezpieczeństwa przed lub w momencie
przywołania funkcji bezpieczeństwa
Styczniki
bezpieczeństwa
Kumulacja niewykrytych uszkodzeń w
obwodzie bezpieczeństwa może prowadzić
do utraty funkcji bezpieczeństwa.
Zatrzymanie silnika wybiegiem (Kat 0)
lub kontrolowane (Kat 1)
15
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Tradycyjne zatrzymanie awaryjne przemiennika lub
serwonapędu. Kategoria Bezpieczeństwa 4
E-STOP
1. Spełnione wymogi Kategorii B
Napęd
2. Zastosowane przyjęte zasady
bezpieczeństwa oraz przetestowane
Przekaz
nik
Bezpieczeń.
elementy bezpieczeństwa
MSR30
3. Pojedyncze uszkodzenie obwodu
bezpieczeństwa nie powoduje utraty
funkcji bezpieczeństwa (redundancja)
4. Wykrywanie uszkodzenia obwodu
bezpieczeństwa natychmiast (Pulse Test)
Kumulacja niewykrytych uszkodzeń w
MSR30
obwodzie bezpieczeństwa nie prowadzi
Pulse Test
do utraty funkcji bezpieczeństwa.
16
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
3. Przekształtniki z wbudowaną funkcją  Safe Torque Off Kat 3
17
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Wady tradycyjnego rozwiązania układu
bezpieczeństwa dla przemiennika lub serwonapędu
E-STOP
1. Pozbawienie napięcia zasilania przekształtnika
2. Utrata komunikacji sieciowej przekształtnika
Napęd
3. Cykle ładowania i rozładowywania szyny DC
Przekaz
nik
przemiennika/serwo
bezpieczeństwa
4. Przerywanie obwodu silnoprądowego na wyjściu
przekształtnika
5. Brak dyspozycyjności układu napędowego po
odwołaniu funkcji bezpieczeństwa
6. Konieczność użycia elementów
elektromechanicznych (styczników)
7. Zmiana wartości MTBF przekształtnika po
Stycznik
bezpieczeń
zatrzymaniu awaryjnym
stwa
8. Komplikacja obwodów sterowania standardowego
i sterowania bezpieczeństwa
18
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Od elektromechaniki do elektroniki (Kat. bezp. 3)
E-STOP
E-STOP
Napęd
Napęd
z Safe Off
Przekaz
nik
bezpieczeństwa
Przekaz
nik
bezpieczeństwa
Styczniki
bezpieczeństwa
19
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Od elektromechaniki do elektroniki (Kat. bezp. 4, SIL3, PLe)
E-STOP
Napęd
Napęd z
Przekaz
nik
E-STOP
Bezpiecz. Safe Speed Monitoring
MSR30
PowerFlex755
Pulse Test
Kat.4 SIL3 PLe
20
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Przykładowe rozwiązanie zatrzymania awaryjnego
kategorii 1. System bezpieczeństwa Kategorii 3.
Korzyści:
- Nie ma konieczności stosowania styczników wejściowych lub silnikowych
- Uproszczone połączenie sterowania standardowego i sterowania bezpieczeństwa
- Brak cyklu rozładowania/ładowania szyny DC przy zatrzymaniu awaryjnym
- Znaczne skrócenie czasu ponownego uruchomienia maszyny ze stanu bezpiecznego
- Zwiększona produktywność przy zachowanym wysokim poziomie bezpieczeństwa
- Nie zmienia się wartość MTBF przemiennika po zatrzymaniu awaryjnym
21
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Funkcje  Safe Torque Off
PowerFlex 700S
0,75  1500 kW
Kategoria 3 (EN954-1)
z opcjÄ… 20D-P2-DG01
Kinetix 7000
PowerFlex 70
22  150 kW
0,4  37kW
Kategoria 3 (EN954-1)
Kategoria 3 (EN954-1)
SIL 3 (EN61508)
z opcjÄ… 20A-DG01
PowerFlex 40P
0,4  11 kW
Kategoria 3 (EN954-1)
z opcjÄ… 20A-DG01
Kinetix 6000
1,2  45 kW
Kategoria 3 (EN954-1)
SIL 3 (EN61508)
22
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
4. Przekształtniki zapewniajace realizację Kat 4, SIL3, PLe
23
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Nowe możliwości  EN 61800-5-2
EN 61800-5-2:Elektryczne układy napędowe mocy o regulowanej
prędkości - Wymagania dotyczące bezpieczeństwa 
Bezpieczeństwo funkcjonalne
Bezpieczne wyłączenie momentu napędowego
Monitoring prędkości zerowej
Bezpieczne zatrzymanie 1
Bezpieczne zatrzymanie 2
Bezpieczna prędkość ograniczona
Bezpieczna prędkość maksymalna
Bezpieczny kierunek wirowania
Bezpieczne przyspieszanie
24
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Monitoring prędkości  MSR57
" Podstawowe właściwości
 SIL3, Kategoria 4, PLe
 SIL3, Kategoria 4, PLe
 2 enkodery (TTL i Sin/Cos)
 Wejścia bezpieczeństwa dla różnych
komponentów bezpieczeństwa
 Do konfiguracji stosuje się moduł HIM i
oprogramowanie jak w napędach PowerFlex 70
(Drive Explorer i urzÄ…dzenia DPI)
 Monitorowanie i sterowanie napędów
standardowych i bezpieczeństwa
 Aplikacje wieloosiowe
 Blokowanie osłony uniemożliwiające dostęp do
zagrożeń w sytuacji niebezpiecznej
 Zezwolenie na dostęp przy spełnieniu warunków
bezpiecznej prędkości
 Zatrzymanie napędu po przekroczeniu
dopuszczalnej prędkości
 Idealny do nowych i istniejÄ…cych aplikacji
" Kluczowe aplikacje
 WyciÄ…gi narciarskie
 Maszyny oponiarskie
 Nawijarki, odwijarki, przewijarki
 Cele robotów
 Karuzele itp.
25
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Monitoring prędkości  Dwa enkodery
PowerFlex
Kinetix
26
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
PowerFlex755 Rockwell Automation
PowerFlex 700S
0,75  1500 kW
Kategoria 3 (EN954-1)
z opcjÄ… 20D-P2-DG01
PowerFlex 70
0,4  37kW
Kategoria 3 (EN954-1)
z opcjÄ… 20A-DG01
PowerFlex 40P
0,4  11 kW
PowerFlex 755
PowerFlex 755
Kategoria 3 (EN954-1)
z opcjÄ… 20A-DG01
7,5  250 kW
7,5  250 kW
Kat. 4
Kat. 4
SIL3
SIL3
PLe
PLe
27
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
PowerFlex 755  Safe Torque-Off
Opcja Safe Torque-Off
Opcja Safe Torque-Off
PowerFlex 755
Bezpieczne wyłączenie momentu
Bezpieczne wyłączenie momentu
napędowego
napędowego
" " Ceryfikaty bezpieczeństwa PLd/SIL3
Ceryfikaty bezpieczeństwa PLd/SIL3
" " Wymaga zastosowania zewnetrznego
Wymaga zastosowania zewnetrznego
przekaz
nika bezpieczeństwa
przekaz
nika bezpieczeństwa
" " Idealne rozwiązanie do zwiększenia
Idealne rozwiązanie do zwiększenia
bezpieczeństwa istniejących aplikacji
bezpieczeństwa istniejących aplikacji
napędowych
napędowych
" Może być stosowany dowolny
" Może być stosowany dowolny
przekaz
nik bezpieczeństwa
przekaz
nik bezpieczeństwa
28
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
PowerFlex 755  Speed Monitoring
Opcja przekaz
nika
Opcja przekaz
nika bezpieczeństwa
Opcja przekaz
nikabezpieczeństwa
bezpieczeństwa
wbudowanego
wbudowanego w napęd
wbudowanegow napęd
w napęd
PowerFlex 755
" Certyfikaty bezpieczeństwa PLe/SIL3
PLe/SIL3
" Certyfikaty bezpieczeństwa PLe/SIL3
" Monitoring prędkości
" Monitoring prędkości
" Bezpieczna prędkość ograniczona
" Bezpieczna prędkość ograniczona
" Bezpieczna prędkość maksymalna
" Bezpieczna prędkość maksymalna
" Bezpieczny kierunek wirowania
" Bezpieczny kierunek wirowania
" Bezpieczne zatrzymanie
" Bezpieczne zatrzymanie
" Monitorowanie i ryglowanie osłon
" Monitorowanie i ryglowanie osłon
" Przyciski e-stop, wyłączniki blokujące
" Przyciski e-stop, wyłączniki blokujące
bezpośrednio podłączane do napędu
bezpośrednio podłączane do napędu
Motor E
" Ograniczenie ilości oprzewodowania i
" Ograniczenie ilości oprzewodowania i
skomplikowania architektury
skomplikowania architektury
29
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Monitoring prędkości zerowej
Bramka serwisowa
Piła tarczowa
Pneumatyka
Zasilanie
" Materiał jest wprowadzany z lewej
" Operator naciska przycisk e-stop
strony
" Układ sterowania sprawdza czy maszyna
" Maszyna kroi materiał
zatrzymała się
" Obsługa nie ma zezwolenia wejścia w
" Układ sterowania odblokowuje bramkę
czasie ruchu maszyny
serwisowÄ…
" Osłona jest ryglowana przez łącznik
" Operator może wejść do maszyny
elektromagnetyczny
30
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Bramka serwisiwa
Panel
Control
Bezpieczne zatrzymanie 0
Monitoring zatrzymania
Czas
31
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Prędkość rzeczywista
Bezpieczne zatrzymanie 1 i 2
Monitoring
opóz
nienia
Monitoring zatrzymania
Czas
32
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Prędkość rzeczywista
Bezpieczna prędkość ograniczona (SLS)
Bramka serwisowa
Piła tarczowa
Pneumatyka
Zasilanie
" Sytuacja:
" Operator wybiera SLS przełącznikiem
 Operator potrzebuje wejść do
" Układ sterowania sprawdza czy maszyna
maszyny bez zatrzymywania
pracuje poniżej Safe Limited Speed
maszyny
" Układ sterowania odblokowuje bramkę
 Maszyna pracująca z pełną
serwisowÄ…
prędkością to stan
niebezpieczny
" Operator może wejść do pracującej maszyny
33
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Bramka serwisowa
Panel
Control
Bezpieczna prędkość ograniczona (SLS)
Monitoring
opóz
nienia
Czas
34
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Prędkość rzeczywista
Bezpieczna prędkość ograniczona - defekt
Monitoring
Monitoring
zatrzymania
opóz
nienia
Czas
35
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Prędkość rzeczywista
Bezpieczna prędkość z łącznikiem zezwalającym
Bramka serwisowa
Zasilanie
Pneumatyka
Piła tarczowa
" Operator wybiera SLS przełącznikiem
" Sytuacja:
" Układ sterowania sprawdza czy maszyna
 Operator potrzebuje wejść do
pracuje poniżej Safe Limited Speed
maszyny bez zatrzymywania
maszyny
" Układ sterowania odblokowuje bramkę
 Maszyna pracująca z pełną
serwisowÄ…
prędkością to stan
" Operator może wejść do pracującej maszyny,
niebezpieczny
gdy trzyma Å‚Ä…cznik zezwalÄ…cy
 Wymagany Å‚Ä…cznik wyzwalajÄ…cy
36
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Bramka serwisowa
Bezpieczna prędkość z łącznikiem zezwalającym
Monitoring Monitoring Å‚Ä…cznika
opóz
nienia zezwalajÄ…cego
Czas
37
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Prędkość rzeczywista
Kreator zadań bezpieczeństwa
Safety Programming Wizard PowerFlex755
38
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Rozwiązania bezpieczeństwa  Rockwell Automation
39
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.
Bezpieczeństwo układów
napędowych z
przemiennikami
częstotliwości PowerFlex
i serwonapędami Kinetix
Dziękuję za uwagę
Copyright © 2007 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved.