PROFIsafe 總線的汽車焊裝生產線安全控制設計

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線網絡結構設計

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線網絡結構設計如圖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線進行控制，同時使用大批量的工業機器人進行焊接加工。該自動化網絡主要由主站安全PLC、PC677 二類主站（含HMI）、焊接系統（含機器人、焊接控制器等工藝設備）、安全系統及現場I/O（包括安全模塊、總線閥島等）等組成。焊裝車間根據工位設備數量，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 硬件組態設計及硬件選擇

1.PLC 硬件組態設計。汽車焊接生產線自動化控制系統采用了西門子的PROFINET及PROFIsafe 總線標準。PROFINET 是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，作為一項戰略性的技術創新，PROFINET 打通了實時以太網、運動控制、分布式自動化、工業機器人通信、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的熱點技術，為自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案。焊接生產線還重點使用了西門子PROFIsafe 故障安全總線通信技術。PROFIsafe 協議加載在PROFIBUS 或PROFINET 協議層之上，在數據中增加了更多的校驗機制，因此可靠性更高。

2.PLC 系統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構，兩個處理器處理時進行交叉檢測，每個處理器的處理結果儲存在各自內存中，只有處理結果完全一致時才會進行輸出，如果處理期間出現任何不一致系統立即停機。

3.硬件組態的注意事項。在實際工程應用中，為確保PLC 項目組態的可靠性，需注意以下問題：（1）為防止項目被非法修改，CPU 屬性需設置安全程序及密碼。（2）為保證PLC 準確識別設備名稱，組態完成后需在線進行設備名稱與對應設備的標記（利用MAC 地址的唯一性），且每個安全設備也需分別命名，否則編寫安全程序時將無法對應硬件自動生成的DB。（3）為保證實際網絡接線和設備端口準確對應，防止網絡上其他未經組態的設備接入，需正確完成網絡拓撲設計。由于網絡上有很多相同的安全設備，需設置SAFE ID，通過SAFE ID 保證PLC 識別安全設備所在位置。（4）為縮小有問題設備的影響范圍，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線網絡結構示意圖

三、基于PROFIsafe 安全總線的汽車焊接生產線安全處理程序設計

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

1.安全處理程序的調用及安全總線的參數配置。在經典STEP7 軟件中，一般在OB1 啟動后即調用“F-CALL”，從而實現安全處理程序的調用。最新的TIA 軟件則改進為通過配置OB 直接調用（默認為OB123）。在汽車生產線的PLC 工程設計中，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）。重點注意需根據設備響應時間對安全總線的“Cycle time”進行設置，以確保安全總線通信正常，不發生超時報錯。另需注意在配置界面可通過輸入硬件組態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），且可體現最新的更新時間。

2.主安全塊與子安全塊的程序結構設計。主安全塊用于管理、調用各子安全程序。主安全塊一般采用多重實例調用不同的安全子程序。

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