位于德國呂貝克的 IMA Klessmann 有限公司是一家引領國際潮流的木工和工藝家具生產設備制造商。2017 年，該公司為法國最大的廚房櫥柜制造商之一，位于 Thones 的Fournier SA 公司，對一套復雜的多軌道木制工件運輸系統(tǒng)進行了現(xiàn)代化改造。在實施此項目過程中，通過使用倍福的模擬傳感器和 TwinSAFE SC 安全技術（TwinSAFE 單通道）非常簡單、靈活且經濟高效地實現(xiàn)了可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，以防止未經授權的進入。

廚房家具的板形工件在廠區(qū)根據作業(yè)列表從分揀倉庫中移出，并被碼垛在兩個分料工位的托盤上。隨后通過合適的輸送設備從配貨區(qū)將碼垛好的工件堆輸送到下游設備中。在卸垛之后，這些設備會按照正確順序接收所需的工件，以便盡可能高效地組裝廚柜。根據其工作原理，危險區(qū)域中的兩個揀選工位每個都有六道閘門用來卸垛。

據該項目的啟動負責人，來自 IMA 的軟件開發(fā)人員 Michael Gube 所說，這類應用要求絕對不允許有人進入危險區(qū)域。由于該區(qū)域的輸送入口處每天的物料進出量和需要移動的物料質量都很大，因此安全風險也非常高。控制人員進入這些危險區(qū)域的傳統(tǒng)方法是使用安全光柵和屏蔽功能。但是，在這種情況下，單靠這些措施是遠遠不夠的。由于結構的關系，安全光柵只能安裝在危險區(qū)域的前面。光柵雖然能夠可靠地檢測到任何未經授權的進入，但即使激活了最大可能的制動斜坡，也沒有足夠的時間停止危險運動。其他措施，例如使用安全行車制動器，會對機械系統(tǒng)造成極大的負擔，并且長期來看，在危及工藝過程安全的同時，還會帶來安全風險。

兩級安全防護解決方案

因此，其中一個要求是通過第二個安全裝置來保障人員和工藝過程安全：如果有人企圖非法進入揀選區(qū)域，他們必須通過兩個裝置：一旦他們通過第一個裝置，門架就會切換到安全限速（SLS）模式。當有人員靠近接近第二個裝置時，設備會從安全速度停止。

第一個安全裝置由三個標準輸送時間傳感器組成。當沒有在這些傳感器所在的區(qū)域內堆垛物料時，或物料堆垛未在此區(qū)域內移動時，安全風險就會一直存在。此時可以通過以下方式避免人員進入的風險：一旦木板堆在輸送時間傳感器區(qū)域下方移動，然后停止，輸送時間傳感器就會立即測量當前堆垛高度（鎖存）。如果堆垛完全從該區(qū)域移出，則堆垛高度將被賦值為 0。停止時，測定的三個傳感器的值被傳輸給安全控制器，并不斷與輸送時間傳感器的實際值進行比較。現(xiàn)在，如果有人試圖在沒有堆垛時進入，或翻越固定堆垛進入，三個實際值中的至少一個會偏離鎖定位置。于是，門架立即會切換到安全限速（SLS）模式。

一旦有人已經順利通過第一個安全裝置，他或她必須還要順利通過第二個裝置，而安全光柵直接放置在揀選區(qū)域前面。如果它們檢測到有人進入，那么已經以安全限速運動的軸最終會停止運行。

Fournier 公司項目經理 Pierre Favre（左），IMA Klessmann 公司軟件開發(fā)人員兼該項目調試經理 Michael Gube（右）

通過 TwinSAFE SC 端子模塊采集來自總共 36 個傳輸時間傳感器的模擬量信號

模擬值處理可以節(jié)省大量成本

對于 Michael Gube 來說，TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 的模擬信號處理能力是實現(xiàn)高效的安全解決方案的前提：“以前，這臺設備上存在安全缺陷，即使是輥子輸送機也被建造成無法進入。但是，在個別情況下仍然可以進入，例如，如果僅運輸堆垛下面用的底板時。安全光柵太靠近正在移動的門架，這意味著一旦發(fā)生危險，無法快速停止。如果使用最初的解決方案，例如使用安全門或雷達掃描儀，則需要花費大量時間進行機械返工和高昂的成本費用才能實現(xiàn)。而 TwinSAFE SC和傳輸時間傳感器作為替代方案對我們來說更簡單、更靈活，同時也更具成本效益。”

用于模擬傳感器信號的安全功能塊

Michael Gube 認為 TwinCAT 3 軟件中具有可擴展性高并適合此應用的安全功能塊，可以非常方便地實施基于傳輸時間傳感器中的模擬信號的安全功能。系統(tǒng)的復雜性也不再是問題。它由兩臺具有相同硬件和軟件的設備構成，每臺設備都使用一臺倍福的 CX9020 嵌入式控制器、一個 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 和六個 TwinSAFE SC 模擬量輸入端子模塊 EL3124-0090（每個輥子輸送機使用一個端子模塊）。倍福應用/支持工程師 Bettina Keller 補充道：“此外，每臺機設備使用四個 TwinSAFE 數字量輸入端子模塊 EL1904 進行安全確認和雙通道屏蔽輸入，一個 TwinSAFE 數字輸出端子模塊 EL2904 用于控制安全接觸器。TwinCAT 中的 TwinSAFE 功能塊可以方便地配置所有所需的功能，如屏蔽程序的最長允許持續(xù)時間。”Michael Gube 也證實了這一點：“通過安全功能塊可以簡單、快速地實現(xiàn)最多樣化的安全功能。

每個輥子輸送機上有三個傳輸時間傳感器（由三個光點顯示）用來監(jiān)測工件堆垛高度

這樣帶來的一個特殊優(yōu)勢就是它可以普遍適用于更復雜的模擬量輸入信號。”

Bettina Keller 在解釋用于此類簡化的安全實施的構建模塊時說道：“系統(tǒng)的核心部分是具有擴展安全功能的 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910。除了具有 EL6900 所具備的安全功能塊之外，它還提供一些經過認證的安全功能塊，比如處理模擬量信號，以及諸如計數器、限值和比較等更復雜的功能。另外，EL6910 支持 TwinSAFE SC 技術，只有此項技術才能通過 TwinSAFE SC 擴展將標準 EtherCAT I/O 的數據安全地傳輸給 EL6910。因此，現(xiàn)在可以對模擬量信號進行分析和校驗，并在邏輯端子模塊內進行評估，但出于安全考慮，至少有一個數據源必須是TwinSAFE SC 組件。”

基于需求的解決方案具有可擴展性，且可以集成

正如 Michael Gube 所解釋的那樣，倍福 PC 控制技術的精細可擴展性帶來的最大優(yōu)勢之一就是可以安裝全新的安全解決方案：“整套生產設施都由 TwinCAT 2 軟件控制。但是，TwinCAT 3 軟件的生成需要通過TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 直接連接模擬傳感器。倍福的模塊化控制技術可以根據具體的應用需求進行擴展，并能夠通過由 CX9020嵌入式控制器與 TwinCAT 3 以及 TwinSAFE 和 TwinSAFE SC 端子模塊組成的子系統(tǒng)簡單、經濟高效地實現(xiàn)新的安全功能。”

Michael Gube 認為此解決方案具有很高的靈活性：“根據適用的安全規(guī)定，危險區(qū)域必須在整個寬度上以 250 毫米的間隔進行監(jiān)控。因此，我們在每臺寬度為 700 毫米的輥子輸送機上使用三個傳輸時間傳感器。未來如果由于工件較大需要使用更寬的輥子輸送機，我們只需要添加相應數量的傳感器即可。然后可以通過 TwinCAT 軟件輕松配置安全功能，特別是由于 TwinCAT 3 下的安全工程非常方便和高效。”

TwinSAFE SC 將標準信號集成到安全技術中

使用 TwinSAFE SC 技術（TwinSAFE 單通道技術）可以利用標準信號實現(xiàn)任何網絡或現(xiàn)場總線中的安全任務。為此，EtherCAT端子模塊中的數據（通過 TwinSAFE SC 功能擴展）被饋送到TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 中，在那里進行安全相關的多通道處理。

然后在 TwinSAFE 邏輯端子模塊中分析、校驗和評估來自各種來源的數據。經過認證的功能塊可用于實現(xiàn)此目的，例如縮放、比較/評估（1oo2、2oo3、3oo5）和限制。出于安全考慮，其中一個數據源必須是 TwinSAFE SC 組件。其余數據可以來自其它標準 I/O、驅動控制器或測量傳感器。因此，系統(tǒng)中的所有過程數據都可用于安全技術。TwinSAFE SC 技術從而在倍福系統(tǒng)領域中開辟了全新的可能性，并能夠簡單、高效、經濟地將所有安全任務完全集成到現(xiàn)有的基礎架構中。

借助 TwinSAFE SC 技術，它通常可以達到相當于符合 EN ISO13849-1 標準的 PL D /Cat.3 或符合 EN 62061 標準的 SIL 2。目前可以提供以下來自模擬量輸入、位置（角度/位移）測量和通信領域的 TwinSAFE SC EtherCAT 端子模塊來實現(xiàn)這一目標：

– EL3124-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，4...20 mA，差分輸入，16 位

– EL3214-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，PT100（RTD），三線制連接

– EL3314-0090：4 通道模擬量輸入端子模塊，帶開路識別功能的熱電偶

– EL5021-0090：1 通道 Sin/Cos 編碼器接口端子模塊，1 Vpp

– EL5101-0090：增量編碼器接口端子模塊

– EL6224-0090：IO-Link 端子模塊

除此之外還有 EtherCAT 端子盒 EP3174-0092，它是一個 4 通道模擬量輸入端子盒（±10 V 或 0/4...20 mA，差分輸入，16 位），防護等級為 IP 67，可直接分散安裝在設備上。

使用 TwinSAFE SC 進行安全等級測量的示例應用（category 3，PL d）：它說明了如何使用 TwinSAFE SC 技術實現(xiàn)容器內的液位測量。為此可以使用兩種不同的測量方法。首先，將一個帶 0...10 V 接口的超聲波傳感器連接到 TwinSAFE SC EtherCAT 端子盒EP3174-0092，其次是將一個帶 4...20 mA 接口的液位探針連接到標準 EtherCAT 端子模塊 EL3152。通過安全 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 內的 Compare 功能塊對這兩個信號進行比較或校驗。

EtherCAT 端子盒 EP3174-0092 中的信號首先通過 Scale 功能塊縮放，使得兩個信號具有相同的值范圍。隨后，信號通過 Limit 功能塊進行檢查。Limit 功能塊的結果和 Compare 功能塊的 IsValid 輸出通過 Mon 功能塊使用，以切斷 K1 和 K2 觸點。另外，Scale 功能塊的 StuckAtError 輸出可以連接到 Mon 輸入。因此，可以檢測到不必要的信號凍結。說的更明白一點，本概覽圖中并未顯示觸點控制，但用戶應牢記在心。

使用 TwinSAFE SC 進行溫度監(jiān)測的示例應用（category 3，PL d）：在這里，兩個測量點都配有溫度傳感器，其中一個帶 K 型熱電偶（連接到標準 EtherCAT 端子模塊 EL3312），另一個帶 PT1000 測量電阻（連接到 TwinSAFE SC EtherCAT 端子模塊EL3214-0090）。通過安全 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 內的 Compare 功能塊對這兩個信號進行比較或校驗。

隨后，信號通過 Limit 功能塊進行檢查。Limit 功能塊的結果和 Compare 比較功能塊的 IsValid 輸出通過 Mon 功能塊使用，以切斷 K1 和 K2 觸點。說的更明白一點，本概覽圖中并未顯示觸點控制，但用戶應牢記在心。

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