SGS 功能安全认证（SIL）服务：变频器功能安全设计要点讲解（上篇）

随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正面临一场新革命， 在电气传动领域，变频调速系统因效率高、性能好而成为主流。作为变频调速的重要设备，变频器产业成为未来几年市场潜力非常巨大的产业之一。

为应对各行业对变频器的不同应用要求要求，变频器也在不停地进行技术革新： 驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。根据公开资资料整理数据显示：2020 年中国变频器市场规模约为 532 亿元。2021 年中国变频器市场规模为 591 亿元，同比增长 11.09%。预测到2022年我国变频器市场规模将达656亿元。近年来，我国变频器市场一直保持着12%～15%的增长率。

变频器的安全功能

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。 在变频器常见的应用场景下，很多时候，人们不仅需要变频器能够调整转速，达到节能的目的；还需要变频器在紧急危险的情况下，能够迅速切断电源或降低转速，以保证人员安全；也因此对变频器的设计提出了新的功能要求，本文将主要介绍如何设计变频器的这些安全功能。

由于篇幅有限，本文将分为上下两篇发出。上篇将重点介绍变频器的安全功能、IEC 61800-5-2 中对SIL等级的定义说明、变频器的安全功能开发的生命周期的要求。下篇将重点介绍变频器安全功能的设计架构、软件开发、硬件硬件电路FMEDA和PFH计算及安全通信协议的要求。

目前变频器在IEC标准体系IEC 61800里属于目前变频器在IEC标准体系IEC 61800里属于“调速电气传动系统”Adjustable speed electrical power drive systems中的关键部件，应该遵循的功能安全标准为IEC 61800-5-2。欧盟 “等同采纳”，标准号为EN 61800-5-2，并纳入机械指令的协调标准。 我国“等同采纳”，标准号为：GB/T 12668.502。IEC 61800-5-2属于功能安全顶层标准IEC 61508在变频器领域的细分产品标准，针对变频器的设计开发、集成和验证，提出了具体要求，以帮助开发人员设计出一款符合功能安全的变频器产品。

在该标准的第4章明确定义了变频器类产品的安全功能，以供开发人员根据实际应用场景需要，选择需要实现的安全功能。该部分主要介绍的安全功能如下：

• 安全断开的力矩/安全中断扭距(STO- Safe Torque Off)；
• 安全停车1/SS1(Safety Stop1)/ 安全停车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)
• 安全加速范围/Safe acceleration range (SAR)
• 安全极限速度/Safely-limited speed (SLS)
• 安全速度范围/Safe speed range (SSR)
• 力矩安全限制/ Safely-limited torque(SLT)
• 安全转矩范围/Safe torque range (STR)
• 位置安全限制/ Safely-limited position(SLP)
• 步程安全限制 / Safely-limited increment(SLI)
• 运动方向安全限制/ Safe direction(SDI)
• 电动机温度安全限制等/ Safe motor temperature (SMT)
• 安全凸轮/Safe cam (SCA)
• 安全速度监控器/Safe speed monitor (SSM)
• 安全制动控制控制/Output functions – Safe brake control (SBC)

其中目前变频器最为常见的安全功能为STO功能，即安全扭矩关断，紧急情况下切断电机的工作电源。还有一些变频器实现了安全速度限制(SLS)、安全停车（SS1）功能。

变频器安全功能开发的一些要点介绍

上述安全功能如何进行设计才能满足功能安全的要求呢？本文将针对设计中的一些要点为大家解读。如果想进一步了解，可查阅IEC 61800-5-2更加详细的内容。

1. 对SIL等级的定义说明

IEC 61800-5-2中将变频器的安全功能可能达到的SIL等级分为三级，即是从SIL1~SIL3; 并且要求需按照“高需求模式”来衡量安全功能随机失效率，即PFH。下表详细列出了不同SIL等级对PFH的要求。

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

为了能够满足市场上可能存在的多种安全功能的应用场景。目前大多数厂商按照SIL3进行设计的比较多。

2. 对变频器安全功能开发的生命周期的要求

在确定这些安全功能的设计时，首先需要明确安全功能开发的生命周期。IEC61800-5-2中完全继承了IEC61508的功能安全管理和产品开发生命周期模型的要求，纳为标准第5章节内容。具体的生命周期如下：

（引用自标准： IEC 61800-5-2：2016： Figure 3 – PDS(SR) development lifecycle）

安全生命周期中涵盖了安全功能开发的整个过程，包括功能安全管理、安全需求的定义、安全架构的设定、安全需求的确认、软硬件开发设计和测试、系统集成以及最终的确认。

另外，这里需要明确一点，根据IEC 61800-5-2 Chapter 6.1.5的规定， 对于安全功能的设计，需要和普通控制功能分开进行，不能混为一谈。如果必须放到一起，需要将普通调速功能按照安全功能来进设计，但这样会为增加很大的开发工作量。也会增加变频器的设计难度。

常见的变频器安全功能和非安全功能的架构图如下：

基本控制回路与安全控制回路

我们将在SGS 功能安全认证（SIL）服务：变频器功能安全设计要点讲解（下篇）中重点解读标准IEC61800-5-2 对于变频器安全功能的设计架构、软件开发、硬件硬件电路FMEDA和PFH计算及安全通信协议的要求，敬请期待。

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目前SGS 工业服务中国功能安全团队已为国内多家电梯、电力及自动化领域变频器产品研发企业颁发了功能安全认证证书， 助力我们的客户在满足市场要求的同时，减少安全风险，提升企业在国际市场中的竞争力。

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