面对即将到来的工业4.0，旋转编码器的安全性已然变得十分重要。

TR-Group集团成立于1983年，是国际领先的传感器制造商和系统解决方案的供应商，是集生产与销售于一体的自动化系统集团公司，其TR-Group传感器业务子公司TR-Electronic GmbH的核心则是研发和生产各种传感器，包括旋转编码器、直线位移传感器和集成位置检测及控制的智能定位驱动器、光栅尺及激光测距仪等产品。TR-Electronic于1983年开始生产光电绝对值旋转编码器，是机械齿轮计圈技术的发明者之一，生产的绝对值多圈旋转编码器最高分辨率可达36位，几乎可以提供目前工业自动化领域使用的所有工业接口的旋转编码器。同时，其生产的外径为22mm的绝对值编码器CMV22S/M则是目前世界上外径最小的绝对值编码器，QDH80S/M系列绝对值编码器是专为剧院舞台控制技术研发的双重冗余产品，CDV75S/M和CDH75S/M编码器是世界上首款经过SIL3安全认证的编码器。

TR-Electronic能够成为一家在业界技术和产品领先的编码器制造商，完全归功于众多员工在产品技术和产品组合中的不断创新和完善，及30多年来与用户成功合作的编码器项目的经验积累。TR-Electronic还与德国当地高校进行技术合作，而高校也为公司输送了多位产品技术和研发人员。当然，用户对编码器产品的机械结构、输出方式、人机界面和接口技术不断提出新要求，这也保证了TR-Electronic的技术革新和产品创新。

图1 德国帝尔电子（北京）有限公司中国区经理陆彧

通过SIL3/PLe安全认证的旋转编码

TR-Electronic推出的CDV75S/M实轴和CDH75S/M空心轴SIL3安全认证编码器，是世界上首款无需配置额外安全模块而能独立达到SIL3/PLe标准（SIL3：IEC61508/EN62061，PLe：EN ISO 13849-1）的安全旋转编码器（如图），且此款编码器的研发过程、技术和生产过程均通过了TüV认证，每个产品都达到了100％的质量检测。该编码器为智能双重冗余安全旋转编码器，内部包含一个主测系统和安全测量验证系统。主系统使用光电感应检测旋转轴的单圈分辨率，旋转圈数由行星齿轮结构机械计圈，不含电子存储器计圈模块，最大计圈可达32768圈。同时，主测系统的光学检测还能提供脉冲数1024～32768可选的增量方波或正余弦信号。安全测量系统则使用中央磁感应技术检测单圈分辨率，而用机械齿轮和磁学感应技术计圈，最大计圈也为32768圈。有多种输出接口可供选择，如带Checksum的双SSI输出、Profisafe over Profibus、 Profisafe over Profinet、Powerlink open safty和safty over EtherCAT。

安全旋转编码器内部会通过安全系统的绝对位置对主测系统的绝对位置值进行比较校验，如果小于设定的容差阈值，认定安全旋转编码器系统为安全，并通过安全积分时间参数计算出安全速度和安全位置值。

通常主测系统测得的实际绝对值位置数据和经计算所得的速度数据将通过非安全过程数据通道和数据协议，如Profibus-DP或Profinet IO，传输给控制器来实现常规自动化控制任务，数据传输周期时间为0.5ms。而安全位置值和计算所得的安全速度将通过安全通道和安全协议部分，如Profisafe输出给控制器执行安全相关的安全任务，数据传输周期时间为5ms。

图2 经过SIL3/PLe安全认证的旋转编码

确保参数安全

编码器可以将初始输出值设定为根据机器特定位置换算成的并且在编码器量程范围内的任意参考值。但预设值的设定是一个与安全非常相关的操作。编码器输出值的突变会导致机器执行一个未知并不受控制的运行动作。因此CDV75S/M和CDH75S/M安全旋转编码器的预设值设定必须在编码器静止状态，并且这个预设值必须被锁存到编码器中，仅能通过安全通信协议修改。主系统与安全系统的位置数据进行比较，如果差值小于允许的位置偏差阀值，认为编码器的测量数据是安全的。预设值的设定必须在静止状态，可以根据驱动器不同，设置静止状态的容差范围。顺时针为正/逆时针为负。在低速转动时，高积分时间可以得到越高的速度测量分辨率。或者积分时间越低显示的速度改变更快，更适合于高速旋转或高动态控制。非安全数据通道的时间基为5～50ms，安全数据通道的时间基为50～500ms。

为了确保以上2～5的可编程参数的安全可靠性，这些可编程参数首先会被输入TR-Electronic提供的iParameters软件中计算出F_iPar_CRC，并必须事先手动输入F-Host工程工具中。在每次设备启动时，这些参数都会被通过控制器的非安全通道传输给编码器，并通过安全参数F_iPar_CRC验证，如果通过验证, 才能被编码器接受和生成安全正确的设备特征参数，并执行后期相关的安全控制任务。

实现全区域功能安全

在很多安全要求很高的应用中仍然使用传统的带增量输出的绝对值编码器。增量信号用作速度反馈和绝对值位置用作位置反馈来实现电动机定位。但使用这种方法，机器设备运行时存在安全隐患，因为只有一个可用的绝对值位置数据，假如存在数据丢失或数据突变，这样的错误往往无法被机器设备检测出来，从而会使机器根据错误数据的位置或速度反馈执行未知的危险动作。

而改进的常规解决办法是在编码器和控制器之间加入一个安全模块去测试编码器输出的数据。根据旋转编码器的特点，安全模块能够识别所获取的位置数值或速度是否安全，且安全功能模块能够根据设定的限位值和限位功能参数判断机器设备的状态是否安全，或驱动应保持运转还是立刻制动。但使用这个安全模块只能保证使用这个安全模块的区域部分为功能安全区域，且安全模块必须完全正确完成编程和参数化设置，编码器必须满足安全模块制造厂商的技术要求。另外，需要额外的第二个编码器或和模块为控制器提供控制任务所需的绝对值位置和速度信息，且这些控制区域仍为未经安全确认的区域。为了使用户能够实现机械设备整体完全有效的功能安全，TR-Electronic推出了CDV75S/M和CDH75S/M智能SIL3安全认证双重旋转编码器解决方案。

由于旋转编码器本身具有自我检测和诊断功能，双系统通过验证得到的安全位置和安全速度可以通过安全数据通道和协议PROFIsafe输出给一个同样经过安全认证的安全控制器，安全控制器可以使用这些安全数据执行与安全相关的控制任务（包含驱动电动机的安全控制任务和需要使用编码器位置和速度信号的其他安全控制任务）。这样不仅实现了与连接编码器的驱动电动机直接相关的某个区域的功能安全，还可以实现使用这些安全数据执行其他安全任务的机械设备整体性功能安全。同时，安全控制器还能使用通过常规非安全过程数据通道PROFIBUS或PROFINET获取的数据执行常规的控制任务。

与之前常规改进的功能安全组合方法相比，无需额外的SIL安全认证模块，无需额外的编码器或模块提供控制所需的位置或速度信息，减少了模块和连接电缆，降低了成本和出错机率，提高了安全系数，最关键的是实现了使用编码器数据控制任务的整体机械设备的SIL3功能安全。

编码器的发展方向

工业发展即将进入工业4.0时代，需要通过信息物理融合的智能机器来实现智能工厂和智能生产。需要实现智能化机器，机器设备会在必要部位使用传感器来实现感知，但简单的实现感知只能实现自动化，而非真正意义上的智能化。智能化的另一方面是机器设备需要感知到执行的自动化动作是安全可靠且无错的，或控制器首先必须确认机器设备的传感器是否处于正常工作状态，输出的传感数据是否有效可靠，才能执行下一步动作。因此，众多编码器生产厂商开始研发具有诊断功能的安全编码器。但目前大部分方案都是需要借助外部模块来诊断编码器的状态和编码器输出数据的安全性。TR-Electronic是编码器安全方面的专家，2003年开始研发生产双重冗余绝对值安全编码器，从2009年推出经过SIL3认证的安全编码器，到2011年推出全系列以Profisafe和Open safety等安全协议为基础的SIL3安全认证编码器，TR-Electronic不断地在安全领域中实现着技术革新和产品创新。