PROFIsafe 總線的汽車焊裝生產(chǎn)線安全控制設(shè)計

李恒志 高云朋 煙臺達源自動化科技有限公司

一、汽車焊裝車間柔性自動化生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車制造廠主要包括沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間和總裝車間。其中焊裝車間生產(chǎn)的是整個汽車零部件的載體——白車身，包括分拼、總拼、四門二蓋和裝配調(diào)整4 個工段，涉及點焊、弧焊、螺柱焊、激光焊、滾邊、沖鉚、搬運、輸送等工藝，由數(shù)百個薄板沖壓件通過焊接、膠接等工藝方法拼裝而成。通俗而言即將各鈑金件按要求焊接在一起形成白車身。焊裝車間柔性自動化生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。采用基于可編程控制器（programablelogic controller，PLC）為核心的柔性自動化生產(chǎn)線進行控制，同時使用大批量的工業(yè)機器人進行焊接加工。該自動化網(wǎng)絡(luò)主要由主站安全PLC、PC677 二類主站（含HMI）、焊接系統(tǒng)（含機器人、焊接控制器等工藝設(shè)備）、安全系統(tǒng)及現(xiàn)場I/O（包括安全模塊、總線閥島等）等組成。焊裝車間根據(jù)工位設(shè)備數(shù)量，以1 個大的工作島（例如門蓋或其他分拼）或大的工位（如主焊Framer）或幾個補焊工位為單位，分別由1 臺PLC 控制。

二、基于PROFINET，PROFIsafe 總線的PLC 硬件組態(tài)設(shè)計及硬件選擇

1.PLC 硬件組態(tài)設(shè)計。汽車焊接生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)采用了西門子的PROFINET及PROFIsafe 總線標準。PROFINET 是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準，作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET 打通了實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、工業(yè)機器人通信、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當前自動化領(lǐng)域的熱點技術(shù)，為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案。焊接生產(chǎn)線還重點使用了西門子PROFIsafe 故障安全總線通信技術(shù)。PROFIsafe 協(xié)議加載在PROFIBUS 或PROFINET 協(xié)議層之上，在數(shù)據(jù)中增加了更多的校驗機制，因此可靠性更高。

2.PLC 系統(tǒng)硬件選擇及功能描述。與普通PLC 不同，安全PLC 不僅可提供普通PLC 的功能，更可實現(xiàn)安全控制功能。安全PLC 中所有元器件采用的是冗余多樣性結(jié)構(gòu)，兩個處理器處理時進行交叉檢測，每個處理器的處理結(jié)果儲存在各自內(nèi)存中，只有處理結(jié)果完全一致時才會進行輸出，如果處理期間出現(xiàn)任何不一致系統(tǒng)立即停機。

3.硬件組態(tài)的注意事項。在實際工程應(yīng)用中，為確保PLC 項目組態(tài)的可靠性，需注意以下問題：（1）為防止項目被非法修改，CPU 屬性需設(shè)置安全程序及密碼。（2）為保證PLC 準確識別設(shè)備名稱，組態(tài)完成后需在線進行設(shè)備名稱與對應(yīng)設(shè)備的標記（利用MAC 地址的唯一性），且每個安全設(shè)備也需分別命名，否則編寫安全程序時將無法對應(yīng)硬件自動生成的DB。（3）為保證實際網(wǎng)絡(luò)接線和設(shè)備端口準確對應(yīng)，防止網(wǎng)絡(luò)上其他未經(jīng)組態(tài)的設(shè)備接入，需正確完成網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計。由于網(wǎng)絡(luò)上有很多相同的安全設(shè)備，需設(shè)置SAFE ID，通過SAFE ID 保證PLC 識別安全設(shè)備所在位置。（4）為縮小有問題設(shè)備的影響范圍，在PLC 故障安全模塊的鈍化方式選擇上需采用通道鈍化而不采用模塊鈍化。

圖1 焊裝車間柔性自動化生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

三、基于PROFIsafe 安全總線的汽車焊接生產(chǎn)線安全處理程序設(shè)計

在軟件方面，安全PLC 提供了相關(guān)安全功能塊，如急停、安全門、安全光柵等，且均經(jīng)過認證并加密。程序設(shè)計時需調(diào)用專用功能塊進行相關(guān)參數(shù)配置，以保證在程序設(shè)計時不會因為安全功能上的程序漏洞而導(dǎo)致安全功能丟失。汽車焊接生產(chǎn)線的安全程序設(shè)計內(nèi)容包括：調(diào)用安全處理程序（多重實例FB），配置安全總線的參數(shù)；根據(jù)實際情況調(diào)用不同設(shè)備的安全處理程序，并按實際情況進行程序編寫；根據(jù)不同設(shè)備的安全處理程序需求，再調(diào)用對應(yīng)的I/O 處理程序并進行程序編寫。

1.安全處理程序的調(diào)用及安全總線的參數(shù)配置。在經(jīng)典STEP7 軟件中，一般在OB1 啟動后即調(diào)用“F-CALL”，從而實現(xiàn)安全處理程序的調(diào)用。最新的TIA 軟件則改進為通過配置OB 直接調(diào)用（默認為OB123）。在汽車生產(chǎn)線的PLC 工程設(shè)計中，需要配置的安全處理程序主要為安全多重實例主程序（FB900/DB900）。重點注意需根據(jù)設(shè)備響應(yīng)時間對安全總線的“Cycle time”進行設(shè)置，以確保安全總線通信正常，不發(fā)生超時報錯。另需注意在配置界面可通過輸入硬件組態(tài)時事先配置好的密碼完成安全程序的下載（和普通邏輯程序下載方式不同），且可體現(xiàn)最新的更新時間。

2.主安全塊與子安全塊的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計。主安全塊用于管理、調(diào)用各子安全程序。主安全塊一般采用多重實例調(diào)用不同的安全子程序。

3.PLC 安全I/O 處理程序設(shè)計。PLC 對汽車生產(chǎn)線的安全區(qū)域輸入信號處理主要包括安全門、掃描光電、隔離門、防護門、分度轉(zhuǎn)臺等輸入設(shè)備的安全DI 信號，并采用專用的SK 塊進行信號處理。