基于LabVIEW的伺服安全功能测试系统_石昕宇.pdf

Hotspot Focus42023.1在GB/T 12668.502-2013/IEC 61800-5-2：2007调速电气传动系统 第5-2部分：安全要求 功能标准中，定义了三项安全相关的电气传动系统（以下简称PDS（SR）的安全停止功能和十四项其他安全功能。本文所述测试系统实现了对该标准中两项最基础、最常用的伺服安全功能的测试验证。安全转矩取消功能（以下简称STO）：能够引起转动（或运动，如果是直线电动机）的电源不被应用到电动机。PDS（SR）将不对产生转矩（或力，如果是直线电动机）的电动机提供能量。安全制动控制功能（以下简称SBC）：提供安全输出信号以控制外部制动。PDS（SR）类测试对象通常是运动控制设备与电机的组合，例如伺服/变频器与电机的组合。本文以三菱伺服驱动器（MR-J4-40A）与伺服电机（HG-KR43J/HG-KR43BJ）组合作为被测对象（以下称为EUT），验证其安全功能。1 实现技术与平台本测试系统的硬件部分由NI Compact DAQ测控系统与C系列测控卡件构成（以下简称“DAQ系统”）。测试控制软件通过图形化开发环境LabVIEW 2017开发。NI Compact DAQ是美国国家仪器公司（NI）推出的高性能嵌入式数据采集和记录系统。该系统采用主控+标准化可拔插式卡件的结构形式，通过安装不同的控制卡件，实现多类型信号的测量与控 制。LabVIEW是NI推出的基于图形化编辑语言G的编程环境。该编程环境采用数据流编程的方式，通过程序框图中节点之间的数据流向决定程序的执行顺序，非常便于快速地开发测试用软件程序。2 系统软/硬件架构2.1 硬件架构本测试系统与EUT的安装方式如图1所示。由DAQ系统生成EUT工作所需的外部信号，驱动其在各控制模式下正常工作，适时输出STO/SBC功能控制信号，验证其安全功能。被测伺服电机安装在三轴直线测试滑台驱动槽中，其工作时将带动对应的轴向滑块产生轴向直线运动，从而便于测试人员观察和记录测试现象。整个测试过程由基于LabVIEW开发的安全功能测试软件进行 控制。基于LabVIEW的伺服安全功能测试系统Servo Safety Function Test System Based on LabVIEW石昕宇 肖家麒（机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京市 100055）Shi Xinyu Xiao Jiaqi(Instrumentation Technology&Economy Institute,Beijing 100055)【摘要】国内外自动化企业目前正在加紧研制全面符合GB/T 12668.502-2013/IEC 61800-5-2：2007 调速电气传动系统 第5-2部分：安全要求 功能标准的伺服驱动设备，但缺少验证该标准中所述安全功能及性能的测试验证平台、软件及方法。本文针对伺服常见的控制模式，结合安全功能测试验证要求，采用NI-DAQ测控系统生成伺服所需的控制信号及安全功能触发信号，制定相关测试规程，编制测试控制软件，实现了针对伺服与电机部分安全功能的测试验证平台。【关键词】伺服驱动设备测试验证安全功能Abstract:At present,domestic and overseas automation enterprises are speeding up the development of servo driven equipment in full compliance with GB/T 12668.502-2013/IEC 61800-5-2:2007 standard,but there is no test and verification platform,software and method to verify the safety function and performance described in the standard.Aims at the common control mode of servo,combined with safety function test verification requirements,the NI-DAQ measurement and control system is used to generate the control signals and safety function trigger signals required by the servo,develop relevant test procedures,compile test control software,realized a test and verification platform for servo and motor safety functions.Key words:Servo Driven EquipmentTest VerificationSafety Function收稿日期：2022-11-29项目来源：国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”专项两安融合仪表的测评方法与技术研究课题支持，课题号：2019YFB2006304作者简介：石昕宇（1999-），男，汉族，北京市人，本科，助理工程师，主要研究方向为工控系统和智能仪表的自动化测试。热点聚焦 Hotspot Focus62023.1负载横梁能缓慢自由滑落，则可从试验现象上判定EUT已经进入了STO状态。此时点击前面板“SBC”开关，观察并记录负载横梁状态。图5 复位过程核心程序图图6 SBC测试过程核心程序图（4）STO测试过程（见图7）复位后点击测试控制软件前面板“执行”按钮进入此过程。此过程由DAQ系统向伺服输出驱动信号，使直线测试滑台上的滑块在可动距离上做匀速运动。测试过程中观察并记录伺服电机的的U/V/W三相驱动电源信号，适时点击前面板“STO”开关，由系统向EUT输出STO控制信号，观察并记录实验现象和信号数据。图7 running状态核心程序图2.2.2 速度/转矩控制模式下的测试过程速度/转矩控制模型下的软件架构及前面板如图8，9所示，主要功能有：1.为EUT提供正常工作所需的外部信号，包括RES、EM2、LSP、LSN、ST1、ST2、SP1、SP2信号。2.启用伺服功能控制开关，包括：a）“强制停止”开关：控制伺服紧急停止。b）“复位”开关：控制伺服初始化，清除故障信息。c）“STO”开关：触发伺服的STO安全功能。d）“SP1”开关：伺服电机转速1（100r/min）。e）“SP2”开关：伺服电机转速2（500r/min）。f）“反转启动”开关：伺服电机逆时针旋转。g）“正转启动”开关：伺服电机顺时针旋转。当EUT处于速度/转矩控制模式时，DAQ系统向伺服输出驱动信号，操控伺服电机的转速和转向。在进行STO测试时，运用测试控制软件使EUT在拟定的速度/转矩下工作，观察并记录伺服电机的U/V/W三相驱动电源信号，适时点击前面板“STO”开关，由系统向EUT输出STO控制信号，观察并记录实验现象和信号数据。图8 速度/转矩控制模式程序图图9 速度/转矩控制模式软件前面板3 测试结果与分析3.1 安全转矩取消（STO）测试结果见表1。表1 STO测试结果控制模式直线滑台Y轴负载横梁状态STO前STO后 位置控制模式可动距离上匀速随机运行停止运行且缓慢自由下落（下转第11页）工业互联网 112023.1联网标识解析体系以及工业领域的数据字典内容进行总结，分析其内容无法满足工业互联网的应用需求。工业互联网标识解析主要将企业的全生产要素进行标识以及关联，通过引入语义关联标识，开发工业互联网数据语义标识系统实现企业跨系统跨环节数据统一语义标识、生产过程数据全生命周期管理及企业内部跨系统信息关联检索功能，对企业生产运营分析进行支持，并且支持企业进行产品质量追溯、企业库存实时管理、生产节拍优化以及设备管理与状态监测等内容。参考文献1 刁俊武，汪谷银，邱斌.工业互联网标识解析体系在石化行业的应用研究J.物联网技术，2022，12（12）：89-92.DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2022.12.024 2 任语铮，谢人超，曾诗钦，赵浩然，喻嘉义，霍如，黄韬，刘韵洁.工业互联网标识解析体系综述J.通信学报，2019，40（11）：138-155 3 田野，刘佳，申杰.物联网标识技术发展与趋势J.物联网学报，2018，2（02）：8-17 4 胡亨汶，孟祥印，李丹，漆雯，唐志锋.基于RESTful Web Services的云边数据交换设计与实现J.现代制造工程，2022（08）：25-32.DOI：10.16731/ki.1671-3133.2022.08.004 5 张二锋，田改玲.基于语义的传感观测服务系统J.西安邮电大学学报，2014，19（04）：63-69.DOI：10.13682/j.issn.2095-6533.2014.04.013 6 桑田.基于物联网的异构物品编码解析方法优化与实现D.吉林大学，2020.DOI：10.27162/ki.gjlin.2020.004973（上接第6页）位置控制模式U/V/W三相驱动电源信号（STO前）U/V/W三相驱动电源信号（STO状态）速度/转矩模式U/V/W三相驱动电源信号（STO前）U/V/W三相驱动电源信号（STO状态）3.2 安全制动控制（SBC）测试结果见表2。表2 SBC测试结果控制模式 STO信号状态 SBC信号状态 Y轴负载横梁状态位置控制模式ONOFF缓慢自由滑落ONON稳定悬停位置控制模式测试照片Y轴负载横梁状态（SBC：OFF）Y轴负载横梁状态（SBC：ON）3.3 测试结果分析分析3.1中测试数据可得知，在位置和速度/转矩控制模式下，系统向被测伺服电机组合发出STO信号后，记录的伺服电机U/V/W三相电源信号分别为164VPP和159VPP，此电压均低于伺服电机技术资料集（第3集）中规定的伺服电机工作电压，且伺服电机的转轴处于自由状态（Y轴负载横梁缓慢自由 滑落）。分析3.2中测试数据可得知，在位置控制模式下，系统向已处于STO状态的伺服电机组合发出SBC信号后，伺服电机制动，使Y轴负载横梁稳定悬停。据此判断被测的伺服电机组合具有GB/T 12668.502-2013/IEC 61800-5-2：2007标准中所述的STO和SBC功能。4 结论本文采用NI Compact DAQ测控技术手段，搭建了伺服与电机部分安全功能的测试系统，开展了STO与SBC两项安全功能的测试验证，对测试结果进行了分析判定，验证了采用模拟信号方式控制的伺服电机组合的STO和SBC安全功能，具备对同类伺服产品进行测试验证的能力。参考文献1 GB/T 12668.502-2013 调速电气传动系统 第5-2部分：安全要求 功能2 三菱电机.三菱通用AC伺服.MR-J4-_A伺服放大器技术资料集3 三菱电机.三菱通用AC伺服.伺服电机技术资料集（第3集）