基于SafetyBUS p的安全防護系統在自動沖壓線中的控制與應用

周 琳，周武能

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

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基于SafetyBUS p的安全防護系統在自動沖壓線中的控制與應用

周 琳，周武能

(東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620)

在我國汽車生產制造業中，控制系統是車身覆蓋件自動生產線中的核心部分，它控制著現場電氣設備的正常運作。隨著工業控制系統復雜程度的日益提高，大量的安全問題也涌現出來，使得安全生產變得尤為重要。文章采用德國Pilz系列安全PLC，結合SafetyBUS p安全總線技術，以國內某大型汽車廠自動生產線為例，設計了一種安全防護系統，具有一定的實用價值。

安全防護系統；自動生產線；安全PLC

0 引言

在我國汽車生產制造業中，控制系統是車身覆蓋件自動生產線中的核心部分，它控制著現場電氣設備的正常運作。隨著科技水平的革新與自動化技術的日益進步，現場設備生產能力不斷提升的同時也增加了控制系統的復雜程度，易引發安全事故。因此，在控制系統中必須引入安全防護措施，以保證產線安全可靠地運行。對于車身覆蓋件自動生產線而言，安全防護系統不僅是對現場操作人員以及電氣設備的保護，也是對生產過程中數據的保護，在控制系統中有著極其重要的地位。

然而，目前我國汽車行業車身覆蓋件自動生產線自動化程度較低，導致了生產效率低下，且安全防護措施并不完善，存在大量安全隱患。針對這一情況，本文以國內某大型汽車廠車身覆蓋件自動生產線為例，采用德國Pilz系列安全PLC，基于SafetyBUS p安全總線技術，結合Win-Pro軟件在線編程，設計了一種安全防護系統，具有一定的實用價值。

1 車身覆蓋件自動沖壓線結構

車身覆蓋件自動生產線主要由壓機、工業機器人、拆垛單元、端拾器及真空單元等構成。壓機是完成車身覆蓋件加工的主要設備。目前，國內大型汽車廠采用的自動生產線有兩種：一種是多工位壓機生產線，適合產量較高的車間；另一種是配備了工業機器人的沖壓生產連線，適合產量較低的車間。與多工位壓機生產線相比，機械式壓機的制造成本和工藝水平相對較低，因此在國內外的車身覆蓋件生產中仍在大量使用[1]。

在車身覆蓋件自動生產系統中，拆垛系統不可或缺。拆垛系統主要包括拆垛小車、磁性皮帶機、涂油機、清洗機以及對中臺等設備。此外，還包括端拾器和真空裝置。端拾器處于工業機器人的末端，用于板件的精準抓取。而真空裝置是由于板件較薄而采取的一種系統，通常采用兩套真空裝置構成冗余系統以防止系統失效。如圖1所示為自動生產線結構圖。

圖1 車身覆蓋件自動沖壓線結構圖

2 車身覆蓋件自動沖壓線布局

以一條由7個工業機器人、5臺壓機構成的車身覆蓋件自動生產線為例。首先，現場操作人員將板料送入拆垛小車，由機器人取下板料，經雙料檢測后送入涂油裝置，完成后再送入對中臺，進行對中定位。隨后，2號機器人抓取己定位的板料，送入壓機依次完成各個工序，板件在壓機之間的傳遞由3～6號機器人完成，完成生產后的板件由7號下料機器人取出，放在出料裝置上[2]。最后由現場操作人員取下板件并堆垛，至此，單一板件的生產已完成，生產不同的板件僅需要更換模具即可，其工作流程如圖2所示。

圖2 車身覆蓋件自動生產線流程圖

3 安全防護技術

目前，車身覆蓋件自動生產線中常使用的安全防護技術包括安全繼電器、安全PLC和安全總線技術等。

3.1 安全繼電器

傳統安全回路采用硬配線繼電器作為安全防護系統的控制單元，當現場電氣設備較多時，大量的線路連接會導致可靠性降低。為提高控制回路的可靠性，采用安全繼電器取代傳統繼電器。安全繼電器采用雙通道冗余輸入，可以檢測觸點間故障，同時通過強制斷開、自啟動、自復位等功能，可以在線檢測回路故障，有效保證現場電氣設備的安全運作。如圖3所示，若使用普通繼電器，當安全門由閉合到打開的時候，如因故障不能使得其內部觸電斷開，則電機仍處于正常運作狀態，無法保障現場操作人員和電氣設備的安全，易造成安全事故。

3.2 安全PLC

安全PLC是指在元器件執行部分出現故障，依然可以正確做出響應并實時切斷輸出的可編程系統。安全PLC的出現取代了傳統的繼電器，通過邏輯運算功能，實現復雜安全控制，避免了現場繁瑣的配線，大大縮短了工程生產周期，目前已廣泛應用于工業生產制造中。

3.3 安全總線技術

安全總線是指通信協議采用安全措施且達到EN ISO 13849-1等安全要求的現場總線。安全總線中采用的安全措施包括：CRC冗余校驗、Echo模式以及地址檢測等[3]。目前，世界上應用較為廣泛的安全總線技術有SafetyBUSp和ProfiSAFE等。SafetyBUSp用于分布式的開放總線控制系統，其基于CAN總線的通信方式，以雙線差動作為媒介，抗噪聲強，帶有事件驅動機制，具有較快的信號響應速度，符合EN 954-1、EN IEC 62061級別4，故本文選用SafetyBUSp安全總線應用于車身覆蓋件自動生產線控制系統，組成安全防護系統。

圖3 繼電器觸點故障圖

4 安全防護系統設計

自動沖壓線具有較高的安全等級要求，且現場設備繁多，控制復雜。因此，采用安全PLC和SafetyBUS p安全總線構成的安全防護系統，既可以實現復雜的控制功能，也避免了現場繁瑣的配線。車身覆蓋件自動生產線的安全防護采用德國Pilz PSS安全PLC作為核心，通過SafetyBUS p安全總線構成總線型結構。其中，自動生產線上如急停、安全門、光柵等設備的安全控制回路直接連接到現場模塊，通過現場總線連接到安全PLC上，在安全PLC中，通過PSS Win-Pro軟件分別對故障安全部分(Fail Section)和標準部分(Standard Section)進行在線編程，實現安全回路的邏輯控制。最后，安全防護信號通過Profibus-DP總線進入連線控制系統[4]?；赟afetyBUS p的安全防護系統框圖如圖4所示。

在設計自動沖壓線安全防護系統過程中，為達到各部分獨立運作的需求，各個終端設備均通過分組排進不同的功能組(Function Group)，當某組出現問題時，不會影響到其他組的正常運作。因此，即使整條生產線某一部分出現故障，也不會干擾到其他部分的安全生產，有效地保證了控制系統的正常運作。

圖4 基于SafetyBUS p的安全防護系統

5 安全防護評估

操作人員和設備的安全由各種安全防護技術來實現。對于自動生產線來說，安全防護系統獨立于連線控制系統，其基本原理是所有安全回路構成冗余結構，如果有某一通道斷開，并聯的生產運作仍有其他通道可以與裝置保持導通，并在出現故障時能將系統切換到安全狀態。以工業機器人安全控制為例，其安全控制邏輯如圖5所示。

當C、D兩側安全門閉合，同時C側光柵有效等一系列安全設備處于正常工作時，繼電器導通，表示機器人安全區域正常關閉，可以上電進行一系列后續操作；如果此時有一處操作人員沒有安全退出或安全設備發生故障，則不會導通中間繼電器，從而保證了人員和設備的安全[5]。

6 結束語

本文介紹了自動沖壓線的結構、工作流程以及幾種常用的安全防護技術，提出了采用安全PLC及SafetyBUS p安全總線技術構成安全防護系統的方法，基于德國Pilz系列安全PLC，以國內某大型汽車廠車身覆蓋件自動生產線為例，結合Win-Pro軟件在線編程，設計了一種安全防護系統，具有一定的實用價值。

圖5 工業機器人安全控制邏輯圖

[1] 王明.工業機器人在自動生產線中的應用[D].合肥:合肥工業大學,2008.

[2] 姜俊杰.汽車工廠沖壓車間輸送系統自動化改造[D].上海：復旦大學，2010.

[3] 侯維巖，張海峰，費敏銳,等.現場總線PROFIBUS系統的實時性能分析[J].電子測量與儀器學報，2004,18(2):56-60.

[4] 鄒益仁.現場總線控制系統的設計[M].北京：國防工業出版社,2003.

[5] 王保軍，滕少鋒.工業機器人基礎[M]. 武漢：華中科技大學出版社,2015.

Control and application of SafetyBUS p based safety protection system in automatic punching line

Zhou Lin, Zhou Wuneng

(College of Information Science & Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In China’s automobile production and manufacturing industry, the control system is the most important body in the auto-punching line, which controls the site of the normal operation of the electrical equipment. With the increasing complexity of industrial control system, a large number of safety problems have emerged, making the safety of production has become particularly important.Therefore, in this paper, based on the Germany Pilz system safety PLC and SafetyBUS p safety bus technology into automatic stamping line, a security protection system is designed, which with a certain practical value.

safety protection system; automatic punching line; safety PLC

TP23

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.002

周琳，周武能.基于SafetyBUS p的安全防護系統在自動沖壓線中的控制與應用[J].微型機與應用，2017,36(13)：4-6，9.

2017-02-08)

周琳(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式與先進控制系統、現場總線技術。

周武能(1959-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：神經網絡穩定性與同步、復雜網絡穩定性與同步、傳感器網絡協同與控制、魯棒控制、工業過程控制。