采用PLC集成故障安全系統的汽車總裝車間ANDON系統研究

胥紅光，姚文

0 引言

汽車生產行業作為一個典型的制造行業，涉及的技術范圍之廣，需要的技術水平之高，這就要求該行業對于生產的管理更加的精細，對于產品質量的要求更高，所需要的自動化水平更加成熟，對生產過程的安全性更加的注重。于是在汽車生產行業孕育了較多的成熟生產管理標準。另外，如今通過技術的改進生產的效率提高了，但最近生產事故頻發讓我們不得不更加重視安全生產。由于在汽車制造車間機器設備的廣泛運用，需要更加要注重安全生產，保證現場工作人員的安全。

Andon系統就可以作為一個最為典型和成功的生產標準。根據項目要求本文設計制作一套具有高度可塑性車輛自動裝配流水線的監控干涉的 ANDON系統，監控系統對總裝車間地面輸送線和最終裝配線以及空中輸送線進行實時監控。具體包括地面輸送線和空中輸送線的動態模擬顯示，運行報警記錄、運行報警顯示、可干預必要參數設置，地面每條線的生產日完成量、整車的日完成量、整車的月完成量和年完成量。在原來的 ANDON系統技術的基礎上，生產控制系統應該更加注重實現對生產現場的安全控制，避免對人員的嚴重傷害。故障安全(Failsafe)系統是指系統控制過程中立即關閉過程不會對人員或環境造成危害，此系統運用在ANDON系統上能在一定程度上克服了控制現場的安全問題。在本文的設計中，以傳統的 ANDON系統為基礎，控制系統集成了故障安全系統，完成對現有技術的改進。

1 ANDON 系統的簡介

ANDON系統起源于日本，也稱為“安燈”，最早由汽車生產商豐田公司提出。本著“建立立即暫停制度以解決問題，從一開始就重視品質管理的文化”的生產準則，豐田公司提出了專門應用于汽車生產行業的 ANDON系統。ANDON系統的功能主要包含質量控制、物料需求和生產信息管理。質量控制保證了汽車生產線上的任一工位發生質量問題會得到立即的解決，當看板上顯示某一工位發生請求時，相關人員立即前往解決相關請求；該系統能根據生產要求檢查物料供應情況與呼叫物料管理人員，避免因物料短缺影響生產線的正常運行，確保生產線流暢的進行；該系統還能進行時間控制管理和統計生產線的各種生產設備信息，通過這些統計的信息了解當前生產狀況，分析故障產生的原因，以便改進生產工藝，減少故障產生。在系統運行期間，可動態模擬觀察到每條自動化生產線上車輛進出的狀態和數量，使得整個系統在完全自動并且時刻監控的狀態下按照預先設想的要求運行。要求系統具有故障顯示功能，能夠保存相應關鍵信息以及運行的實時數據，在系統恢復運行后能夠自動恢復各類關鍵數據并繼續運行。由于能夠提高生產效率和產品質量，ANDON系統已經廣泛應用于其他的制造領域，例如鋼鐵廠，電子廠和服裝廠等行業。

2 集成了集成故障安全系統的ANDON系統監控設備和工藝流程

ANDON系統的監控示意圖，如圖1所示：

圖1 系統配置示意圖

該系統控制的總裝車間工藝包括內飾線監控子系統、底盤線子系統、車身線子系統和最終裝配線子系統。內飾線子系統由兩條輸送線組成，實現每條輸送線18個工位急停顯示；底盤線子系統由兩條輸送線組成，實現底盤一線10個工位和底盤二線6個工位急停顯示；車身線子系統由3條輸送線組成；最終總裝配子系統實現對16個工位急停顯示。為了滿足系統故障安全設計的需要，每條生產線為一個控制區域，控制系統由八套西門子S7-315F PLC控制，該類型的PLC能滿足故障安全生產的需要，安全性能滿足 SIL3，非常適用于汽車制造行業。LED信息顯示屏實時顯示當日完成產量、車型、請求維修的工位和其他相關的生產信息等。

控制室內核心是上位機，上位機通過工業以太網與下位機通訊，實現生產線現場的數據采集、參數調節和各類信號報警，實時監視設備運行情況。上位機采用的是Wincc組態軟件，具有監控生產過程的強大功能。Wincc是西門子開發的監控組態軟件，它更能強大不僅有監控和數據采集功能，而且有組態和開發功能[1]。Wincc集成了SQL Server 2005有強大的數據庫處理功能和報表功能，使系統具有能記憶報警功能和各類生產故障的次數功能，報表系統可以實現對生產線的設備故障時間、設備維修時間和設備的故障類型進行統計并可打印，以便于分析故障原因等，進而改進生產方式，提高生產效率。

3 控制系統分析

控制系統以內飾一線子系統為例介紹集成了故障安全系統的 ANDON系統控制。該子系統控制器由一個 CPU 315F為主站和20個分布式I/O ET200S為從站組成，主站和從站之間網絡通訊是由采用了集成了 PROFIsafe協議的PROFIBUS網絡連接實現的，如圖2所示：

圖2 內飾一線控制系統圖

PROFIsafe是在標準的PROFIBUS上實現主從站之間安全通信的技術規范，它的問世使得擁有安全技術解決方案的PROFIBUS成為唯一能夠滿足制造業和過程工控的安全通信的要求現場總線。區別于 PROFIBUS的是，PROFIsafe采用的判斷基本錯誤的方法是SIL監視器法，而前者采用的是幀校驗序列和奇偶校驗方法[2]。PROFIsafe主要特征表現在安全通信和標準通信在同一根電纜上實現，安全特性達到了 SIL3，既可用于過程自動化，也可用于制造業自動化。現在可以采用集成了PROFIsafe協議的PROFIBUS總線已經用于汽車總裝車間總線系統了。

CPU 315F是SIMATIC S7-300中具有安全控制功能的CPU,支持建立一個故障安全自動化系統，采用 PROFIsafe規范，通過PROFIBUS DP接口進行連接。所以在本次設計中控制器選擇CPU 315F，滿足控制汽車總裝車間的安全生產的需要。

ET200S是一款防護等級為IP20，具有豐富的信號模塊的分布式I/O系統。ET200S的使用確保現場信息的安全處理，具有安全處理所需的所有的硬件和軟件組件，符合要求的安全等級。在該系統中接口模塊采用了IM151-1 HF，該型號能滿足 ET200S和支持 PROFIsafe安全協議的PROFIBUS連接通訊。

分布式I/O ET200S的輸入通過MPI總線與現場的按鈕盒連接，按鈕盒內有控制急停、物料，設備和質量等呼叫按鈕，現場人員通過按鈕請求幫助；ET200S輸出與報警燈塔和揚聲器也通過 MPI連接，指示當前工位的狀態和呼叫幫助請求。

內飾一線的動態模擬畫面，如圖3所示：

圖3 內飾一線動態模擬畫面

每一個工位都有3個報警信號按鈕，這3個信號分別顯示著該工位的動作：需進料，需維修，急停，急停信號連接故障安全輸入輸出模塊，其他的信號連接標準模塊。通過采集現場按鈕信號，可以了解現階段該工位生產狀態，這些狀態信息會在上位監控系統中顯示，并實時的會在顯示屏上顯示，以便相關的人員立即前往現場解決問題，這樣可以減少停線時間，提高生產效率。同時，當急停按鈕動作時，由于急停信號通過故障安全模塊連接至 CPU，這樣就只會對相應的生產過程停線，而不會對整個生產線構成影響，從而達到了故障安全控制。

4 ANDON控制系統的設計

根據控制工藝的要求，ANDON系統要完成對汽車總裝線現場的故障安全控制和監控，系統的設計包括上位機的設計和下位機的設計，下面就分別將這兩部分進行設計。

4.1 下位機的設計

下位機的每個控制子系統主要包含主站 S7-315F和從站 ET200S,下位機的設計要完成故障安全系統的編程和組態，與普通的PLC系統有所不同，故障安全系統的硬件組態和程序結構有自己的特點。故障安全系統的組態和編程分五個步驟[3]：（1）硬件組態（2）建立程序結構，插入 F-FB/F-FC（3）創建 failsafe runtime group（4）在OB35中調用F-CALL（5）編譯并下載 Failsafe程序。該系統需要硬件組態主站F-CPU和從站 F-I/O,本次設計中應用的 F-CPU是 CPU 315F-2，F-I/O是分布式I/O ET200S。硬件組態可以用Step7完成，ET200S輸入采用4/8 F-DI,輸出采用4 F-DO，如圖4所示：

圖4 故障安全系統硬件配置示意圖

F-CPU 的組態需要配置密碼保護。

硬件配置完成后，需要進行安全程序的編寫，一個安全程序結構有一個或者兩個F運行組組成。首先先建立安全的F-CALL,即一個特殊的 FC，用來調用故障安全程序，軟件設計中所有的安全程序將通過該FC塊完成程序的執行。然后插入 F-FB,FB100是主安全程序包含所有安全信息和邏輯，在FB100中編寫故障急停程序。在OB35中調用F-CALL,實現對故障安全程序的調用。

4.2 上位機的設計

根據ANDON系統的監控要求，上位機應用Wincc開發，監控界面實時反應當前生產線的運行動態模擬情況，包括工藝流程、實時數據、故障報警、數據統計報表等，設計的監控系統實現了對內飾線、車身線、總裝線和底盤線的實時監控，畫面監控系統的結構，如圖5所示：

圖5 ANDON監控畫面結構圖

上位機安裝 step7編程軟件，可以建立 wincc和 step7動態連接，同時兩者的通信通過simatic s7 protocol suite 協議通道實現。在wincc中建立變量標簽要和step7中的變量地址要一致。組態系統主畫面，如圖6所示：

圖6 ANDON監控系統主畫面

由主畫面可自由切換到各個分生產線的畫面，各個分生產線可以實時顯示每個工位的生產狀況，內飾一線的監控畫面，如圖7所示：

圖7 內飾一線畫面

該畫面顯示了15個工位的生產信息，當內飾一線現場的報警信號動作時，對應的信號信息會顯示在該畫面，指示相應的人員到現場解決該工位的問題，問題解決后現場的報警解除。

5 結束語

本文介紹了基于 PLC集成故障安全控制安全系統的ANDON系統，在硬件上采用了西門子的故障安全自動化系統，控制器西門子PLC配置了含有安全功能的CPU 315F，系統從站使用的ET200S,現場總線則是采用集成PROFIsafe協議的 PROFIBUS組網，這些設計都滿足了故障安全控制的需要。上位機采用wincc能很好的現場的監控作用。本文設計的ANDON系統滿足了現代汽車總裝生產線提高效率、擴大產能的要求，更加注重了安全生產的重要性。隨著技術提高和政策的要求，故障安全控制會在現代制造業里發揮更加突出的作用。

[1]甄立東.西門子WinCC V7基礎與應用[M].機械工業出版社，2011.

[2]吳成巖.PROFIsafe安全總線協議的研究分析[D],北京交通大學，2006.

[3]李佳.通向機器安全之路—西門子安全系統的實現（下）[J].儀器儀表標準化與計量，2011（6）:21～24.