隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨一場(chǎng)新革命， 在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，變頻調(diào)速系統(tǒng)因效率高、性能好而成為主流。作為變頻調(diào)速的重要設(shè)備，變頻器產(chǎn)業(yè)成為未來(lái)幾年市場(chǎng)潛力非常巨大的產(chǎn)業(yè)之一。

為應(yīng)對(duì)各行業(yè)對(duì)變頻器的不同應(yīng)用要求要求，變頻器也在不停地進(jìn)行技術(shù)革新： 驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。根據(jù)公開(kāi)資資料整理數(shù)據(jù)顯示：2020 年中國(guó)變頻器市場(chǎng)規(guī)模約為 532 億元。2021 年中國(guó)變頻器市場(chǎng)規(guī)模為 591 億元，同比增長(zhǎng) 11.09%。預(yù)測(cè)到2022年我國(guó)變頻器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)656億元。近年來(lái)，我國(guó)變頻器市場(chǎng)一直保持著12%～15%的增長(zhǎng)率。

變頻器的安全功能

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。 在變頻器常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景下，很多時(shí)候，人們不僅需要變頻器能夠調(diào)整轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的；還需要變頻器在緊急危險(xiǎn)的情況下，能夠迅速切斷電源或降低轉(zhuǎn)速，以保證人員安全；也因此對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)提出了新的功能要求，本文將主要介紹如何設(shè)計(jì)變頻器的這些安全功能。

由于篇幅有限，本文將分為上下兩篇發(fā)出。上篇將重點(diǎn)介紹變頻器的安全功能、IEC 61800-5-2 中對(duì)SIL等級(jí)的定義說(shuō)明、變頻器的安全功能開(kāi)發(fā)的生命周期的要求。下篇將重點(diǎn)介紹變頻器安全功能的設(shè)計(jì)架構(gòu)、軟件開(kāi)發(fā)、硬件硬件電路FMEDA和PFH計(jì)算及安全通信協(xié)議的要求。

目前變頻器在IEC標(biāo)準(zhǔn)體系IEC 61800里屬于目前變頻器在IEC標(biāo)準(zhǔn)體系IEC 61800里屬于“調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)”Adjustable speed electrical power drive systems中的關(guān)鍵部件，應(yīng)該遵循的功能安全標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61800-5-2。歐盟 “等同采納”，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為EN 61800-5-2，并納入機(jī)械指令的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)“等同采納”，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：GB/T 12668.502。IEC 61800-5-2屬于功能安全頂層標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508在變頻器領(lǐng)域的細(xì)分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)變頻器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、集成和驗(yàn)證，提出了具體要求，以幫助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)出一款符合功能安全的變頻器產(chǎn)品。

在該標(biāo)準(zhǔn)的第4章明確定義了變頻器類(lèi)產(chǎn)品的安全功能，以供開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需要，選擇需要實(shí)現(xiàn)的安全功能。該部分主要介紹的安全功能如下：

• 安全斷開(kāi)的力矩/安全中斷扭距(STO- Safe Torque Off)；
• 安全停車(chē)1/SS1(Safety Stop1)/ 安全停車(chē)2/SS2(Safety Stop2)
• 安全操作停止/ Safe operating stop (SOS)
• 加速度安全限制/ Safely-limited acceleration(SLA)
• 速度安全限制/Safely-limited speed (SLS)
• 安全加速范圍/Safe acceleration range (SAR)
• 安全極限速度/Safely-limited speed (SLS)
• 安全速度范圍/Safe speed range (SSR)
• 力矩安全限制/ Safely-limited torque(SLT)
• 安全轉(zhuǎn)矩范圍/Safe torque range (STR)
• 位置安全限制/ Safely-limited position(SLP)
• 步程安全限制 / Safely-limited increment(SLI)
• 運(yùn)動(dòng)方向安全限制/ Safe direction(SDI)
• 電動(dòng)機(jī)溫度安全限制等/ Safe motor temperature (SMT)
• 安全凸輪/Safe cam (SCA)
• 安全速度監(jiān)控器/Safe speed monitor (SSM)
• 安全制動(dòng)控制控制/Output functions – Safe brake control (SBC)

其中目前變頻器最為常見(jiàn)的安全功能為STO功能，即安全扭矩關(guān)斷，緊急情況下切斷電機(jī)的工作電源。還有一些變頻器實(shí)現(xiàn)了安全速度限制(SLS)、安全停車(chē)（SS1）功能。

變頻器安全功能開(kāi)發(fā)的一些要點(diǎn)介紹

上述安全功能如何進(jìn)行設(shè)計(jì)才能滿(mǎn)足功能安全的要求呢？本文將針對(duì)設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)為大家解讀。如果想進(jìn)一步了解，可查閱IEC 61800-5-2更加詳細(xì)的內(nèi)容。

1. 對(duì)SIL等級(jí)的定義說(shuō)明

IEC 61800-5-2中將變頻器的安全功能可能達(dá)到的SIL等級(jí)分為三級(jí)，即是從SIL1~SIL3; 并且要求需按照“高需求模式”來(lái)衡量安全功能隨機(jī)失效率，即PFH。下表詳細(xì)列出了不同SIL等級(jí)對(duì)PFH的要求。

（引用自標(biāo)準(zhǔn)： IEC 61800-5-2：2016： Table 3 – Safety integrity levels: target failure measures for a PDS(SR) safety sub-function）

為了能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)上可能存在的多種安全功能的應(yīng)用場(chǎng)景。目前大多數(shù)廠(chǎng)商按照SIL3進(jìn)行設(shè)計(jì)的比較多。

2. 對(duì)變頻器安全功能開(kāi)發(fā)的生命周期的要求

在確定這些安全功能的設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要明確安全功能開(kāi)發(fā)的生命周期。IEC61800-5-2中完全繼承了IEC61508的功能安全管理和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生命周期模型的要求，納為標(biāo)準(zhǔn)第5章節(jié)內(nèi)容。具體的生命周期如下：

（引用自標(biāo)準(zhǔn)： IEC 61800-5-2：2016： Figure 3 – PDS(SR) development lifecycle）

安全生命周期中涵蓋了安全功能開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程，包括功能安全管理、安全需求的定義、安全架構(gòu)的設(shè)定、安全需求的確認(rèn)、軟硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和測(cè)試、系統(tǒng)集成以及最終的確認(rèn)。

另外，這里需要明確一點(diǎn)，根據(jù)IEC 61800-5-2 Chapter 6.1.5的規(guī)定， 對(duì)于安全功能的設(shè)計(jì)，需要和普通控制功能分開(kāi)進(jìn)行，不能混為一談。如果必須放到一起，需要將普通調(diào)速功能按照安全功能來(lái)進(jìn)設(shè)計(jì)，但這樣會(huì)為增加很大的開(kāi)發(fā)工作量。也會(huì)增加變頻器的設(shè)計(jì)難度。

常見(jiàn)的變頻器安全功能和非安全功能的架構(gòu)圖如下：

基本控制回路與安全控制回路

我們將在SGS 功能安全認(rèn)證（SIL）服務(wù)：變頻器功能安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)講解（下篇）中重點(diǎn)解讀標(biāo)準(zhǔn)IEC61800-5-2 對(duì)于變頻器安全功能的設(shè)計(jì)架構(gòu)、軟件開(kāi)發(fā)、硬件硬件電路FMEDA和PFH計(jì)算及安全通信協(xié)議的要求，敬請(qǐng)期待。

關(guān)于SGS 工業(yè)服務(wù)功能安全團(tuán)隊(duì)

SGS工業(yè)服務(wù)在中國(guó)大陸現(xiàn)有員工超過(guò)1700人，在18個(gè)城市派駐有檢驗(yàn)認(rèn)證工程師和業(yè)務(wù)員：上海、蘇州、杭州、南京、寧波、廣州、廈門(mén)、深圳、武漢、重慶、成都、西安、北京、天津、鄭州、青島，大連和長(zhǎng)沙，在18個(gè)城市配備有實(shí)驗(yàn)室：上海、蘇州、杭州、南京、寧波、廣州、廈門(mén)、深圳、武漢、北京、天津、青島、煙臺(tái)、大連和成都等。另設(shè)有6個(gè)鐵路實(shí)驗(yàn)室：武漢、沈陽(yáng)、成都、重慶、廈門(mén)、合肥。憑借完善的全球網(wǎng)絡(luò)，SGS工業(yè)服務(wù)能為材料與制造、石油化工、電力及公用設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)領(lǐng)域提供專(zhuān)業(yè)且快捷的檢驗(yàn)、鑒定、測(cè)試和認(rèn)證服務(wù)。

依托于強(qiáng)大的SGS全球功能安全能力中心SGS-TÜV GCC ，SGS工業(yè)服務(wù)部擁有一支龐大的、技術(shù)底蘊(yùn)深厚、在各行業(yè)均有豐富經(jīng)驗(yàn)的功能安全專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)。我們可以依據(jù)各行業(yè)功能安全要求開(kāi)展技術(shù)培訓(xùn)、人員資質(zhì)認(rèn)證、差距分析、技術(shù)咨詢(xún)、功能安全技術(shù)服務(wù)、測(cè)試及認(rèn)證服務(wù)，讓客戶(hù)了解行業(yè)及產(chǎn)品功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求外，充盈企業(yè)安全產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)力。

目前SGS 工業(yè)服務(wù)中國(guó)功能安全團(tuán)隊(duì)已為國(guó)內(nèi)多家電梯、電力及自動(dòng)化領(lǐng)域變頻器產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)頒發(fā)了功能安全認(rèn)證證書(shū)， 助力我們的客戶(hù)在滿(mǎn)足市場(chǎng)要求的同時(shí)，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，提升企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

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