SGS 功能安全認證（SIL）服務：變頻器功能安全設計要點講解（上篇）

隨著電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術正面臨一場新革命， 在電氣傳動領域，變頻調速系統因效率高、性能好而成為主流。作為變頻調速的重要設備，變頻器產業成為未來幾年市場潛力非常巨大的產業之一。

為應對各行業對變頻器的不同應用要求要求，變頻器也在不停地進行技術革新： 驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數字化、智能化和網絡化。根據公開資資料整理數據顯示：2020 年中國變頻器市場規模約為 532 億元。2021 年中國變頻器市場規模為 591 億元，同比增長 11.09%。預測到2022年我國變頻器市場規模將達656億元。近年來，我國變頻器市場一直保持著12%～15%的增長率。

變頻器的安全功能

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。 在變頻器常見的應用場景下，很多時候，人們不僅需要變頻器能夠調整轉速，達到節能的目的；還需要變頻器在緊急危險的情況下，能夠迅速切斷電源或降低轉速，以保證人員安全；也因此對變頻器的設計提出了新的功能要求，本文將主要介紹如何設計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出。上篇將重點介紹變頻器的安全功能、IEC 61800-5-2 中對SIL等級的定義說明、變頻器的安全功能開發的生命周期的要求。下篇將重點介紹變頻器安全功能的設計架構、軟件開發、硬件硬件電路FMEDA和PFH計算及安全通信協議的要求。

目前變頻器在IEC標準體系IEC 61800里屬于目前變頻器在IEC標準體系IEC 61800里屬于“調速電氣傳動系統”Adjustable speed electrical power drive systems中的關鍵部件，應該遵循的功能安全標準為IEC 61800-5-2。歐盟 “等同采納”，標準號為EN 61800-5-2，并納入機械指令的協調標準。 我國“等同采納”，標準號為：GB/T 12668.502。IEC 61800-5-2屬于功能安全頂層標準IEC 61508在變頻器領域的細分產品標準，針對變頻器的設計開發、集成和驗證，提出了具體要求，以幫助開發人員設計出一款符合功能安全的變頻器產品。

在該標準的第4章明確定義了變頻器類產品的安全功能，以供開發人員根據實際應用場景需要，選擇需要實現的安全功能。該部分主要介紹的安全功能如下：

• 安全斷開的力矩/安全中斷扭距(STO- Safe Torque Off)；
• 安全停車1/SS1(Safety Stop1)/ 安全停車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)
• 運動方向安全限制/ Safe direction(SDI)
• 電動機溫度安全限制等/ Safe motor temperature (SMT)
• 安全凸輪/Safe cam (SCA)
• 安全速度監控器/Safe speed monitor (SSM)
• 安全制動控制控制/Output functions – Safe brake control (SBC)

其中目前變頻器最為常見的安全功能為STO功能，即安全扭矩關斷，緊急情況下切斷電機的工作電源。還有一些變頻器實現了安全速度限制(SLS)、安全停車（SS1）功能。

變頻器安全功能開發的一些要點介紹

上述安全功能如何進行設計才能滿足功能安全的要求呢？本文將針對設計中的一些要點為大家解讀。如果想進一步了解，可查閱IEC 61800-5-2更加詳細的內容。

1. 對SIL等級的定義說明

IEC 61800-5-2中將變頻器的安全功能可能達到的SIL等級分為三級，即是從SIL1~SIL3; 并且要求需按照“高需求模式”來衡量安全功能隨機失效率，即PFH。下表詳細列出了不同SIL等級對PFH的要求。

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

為了能夠滿足市場上可能存在的多種安全功能的應用場景。目前大多數廠商按照SIL3進行設計的比較多。

2. 對變頻器安全功能開發的生命周期的要求

在確定這些安全功能的設計時，首先需要明確安全功能開發的生命周期。IEC61800-5-2中完全繼承了IEC61508的功能安全管理和產品開發生命周期模型的要求，納為標準第5章節內容。具體的生命周期如下：

（引用自標準： 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發的整個過程，包括功能安全管理、安全需求的定義、安全架構的設定、安全需求的確認、軟硬件開發設計和測試、系統集成以及最終的確認。

另外，這里需要明確一點，根據IEC 61800-5-2 Chapter 6.1.5的規定， 對于安全功能的設計，需要和普通控制功能分開進行，不能混為一談。如果必須放到一起，需要將普通調速功能按照安全功能來進設計，但這樣會為增加很大的開發工作量。也會增加變頻器的設計難度。

常見的變頻器安全功能和非安全功能的架構圖如下：

基本控制回路與安全控制回路

我們將在SGS 功能安全認證（SIL）服務：變頻器功能安全設計要點講解（下篇）中重點解讀標準IEC61800-5-2 對于變頻器安全功能的設計架構、軟件開發、硬件硬件電路FMEDA和PFH計算及安全通信協議的要求，敬請期待。

關于SGS 工業服務功能安全團隊

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依托于強大的SGS全球功能安全能力中心SGS-TÜV GCC ，SGS工業服務部擁有一支龐大的、技術底蘊深厚、在各行業均有豐富經驗的功能安全專家團隊。我們可以依據各行業功能安全要求開展技術培訓、人員資質認證、差距分析、技術咨詢、功能安全技術服務、測試及認證服務，讓客戶了解行業及產品功能安全標準的要求外，充盈企業安全產品的研發實力。

目前SGS 工業服務中國功能安全團隊已為國內多家電梯、電力及自動化領域變頻器產品研發企業頒發了功能安全認證證書， 助力我們的客戶在滿足市場要求的同時，減少安全風險，提升企業在國際市場中的競爭力。

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