王東生,牛毅峰,潘 濤
(上汽通用五菱汽車股份有限公司控制系統(tǒng)科,廣西 柳州 545007)
在SGMW N1和N200車型焊裝生產(chǎn)線中,電控系統(tǒng)起到舉足輕重的作用,比手動(dòng)生產(chǎn)線,如西部車身五菱之光手動(dòng)線,有很多的優(yōu)勢(shì)。工人操作方便,勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,節(jié)拍可以提升到40JPH;故障容易查找,故障率低等。
1.1 原系統(tǒng)的不足
在N1和N200焊裝線的電控系統(tǒng)中,主控PLC采用RockWell公司ControlLogix,安全系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的安全繼電器,把急停、光柵、安全地毯等安全設(shè)備,通過(guò)硬接線的方式串聯(lián)到一起,形成整個(gè)系統(tǒng)的安全回路。但其有以下不足之處:
(1)對(duì)安全控制回路中出現(xiàn)的短路和斷路無(wú)法檢測(cè)。當(dāng)安全回路中出現(xiàn)短路和斷路時(shí),不能及時(shí)的顯示故障,需要對(duì)每個(gè)工位進(jìn)行排查,給維修人員檢修帶來(lái)很多不便;
(2)采用普通的安全繼電器比如Pilz系列組成安全回路,不能進(jìn)行編程控制,需要手工搭接安全回路,安全互鎖導(dǎo)致硬件接線復(fù)雜繁瑣,體積龐大,不利于維修人員進(jìn)行維修;
(3)通過(guò)硬接線方式組成的安全回路,使系統(tǒng)故障點(diǎn)增加,不方便維修人員快速查找故障,增加故障處理時(shí)間。
1.2 新方案的優(yōu)點(diǎn)
為了彌補(bǔ)N1、N200焊裝線電控系統(tǒng)中的不足,盡可能地降低系統(tǒng)的故障率,減少停線時(shí)間,方便維修人員快速查找故障,迅速解決故障,提高生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。在N300焊裝線電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,主控PLC采用RockWel公司的GuardLogix L62S,取代傳統(tǒng)的ControlLogix;安全模塊采用RockWell公司的Safety IO模塊,取代傳統(tǒng)Pilz系列的安全繼電器。該設(shè)計(jì)尚屬國(guó)內(nèi)首家采用此方案。其具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)能夠檢測(cè)安全控制回路中出現(xiàn)的短路和斷路,及時(shí)顯示故障,無(wú)需對(duì)每個(gè)工位進(jìn)行排查,方便維修人員快速的排除故障,快速響應(yīng),減少停線時(shí)間;
(2)采用PLC Guardlogix+Safety IO組合取代PLC(CompactLogix或ControlLogix)+繼電器(安全繼電器)組合控制,安全信號(hào)通過(guò)總線電纜直接和PLC通訊,去除了復(fù)雜的安全硬接線;
(3)采用Rockwell公司推出的Safety IO取代傳統(tǒng)的安全繼電器比如Pilz系列。故障點(diǎn)減少,接線方便,降低維修難度,便于維修。
在N300焊裝線電控系統(tǒng)控制架構(gòu)中,如下圖1所示,主控PLCGuardLogix通過(guò)安全總線和SafetyIO模塊相連,SaftyIO模塊和工位的急停、安全光柵、安全地毯等安全設(shè)備直接相連,這樣每個(gè)工位的安全設(shè)備通過(guò)安全總線的方式,和PLC通訊。
取代傳統(tǒng)的硬接線的方式,把每個(gè)工位的急停、安全光柵、安全地毯等安全設(shè)備,通過(guò)硬接線串聯(lián)在一起,形成安全控制回路。
圖1 N300焊裝線電控系統(tǒng)控制架構(gòu)
GuardLogix安全控制器,綜合了LOGIX平臺(tái)的靈活性和高性能,以及集成安全控制特性來(lái)提供行業(yè)針對(duì)安全控制應(yīng)用的保護(hù)的最高等級(jí)(安全集成等級(jí)3 SIL 3)。在控制器機(jī)架內(nèi)使用兩個(gè)槽位,紅色外殼很容易識(shí)別,如下圖2所示。控制器模塊執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)控制和安全控制程序——一些特殊的安全任務(wù),包括TUV認(rèn)證的安全指令、數(shù)據(jù)、邏輯和訪問(wèn)保護(hù)都被用于這些功能。
對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行安全控制,并能方便的安裝在Control-Logix機(jī)架內(nèi),共用一個(gè)電源、I/O、通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)。所有的安全設(shè)備,例如急停、安全光柵和安全地毯等通過(guò)使用DeviceNet Safety I/O的單一通訊電纜,來(lái)控制和監(jiān)視安全回路,并檢查I/O及工廠配線層面錯(cuò)誤。
圖2 GuardLogix安全控制器
通過(guò)雙處理器架構(gòu),使用一個(gè)主安全處理器和一個(gè)配對(duì)安全處理器。這種系統(tǒng)類型的好處之一,是它仍然是一個(gè)單一項(xiàng)目。配對(duì)安全處理器是系統(tǒng)的一部分,自動(dòng)配置,不用設(shè)置、配置或者下載到需要的配對(duì)安全處理器。通過(guò)方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境,在安全應(yīng)用開(kāi)發(fā)期間,可以有多個(gè)用戶編輯該項(xiàng)目,由于允許進(jìn)行在線編輯和強(qiáng)制。因此其開(kāi)發(fā)過(guò)程類似于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程。一旦項(xiàng)目通過(guò)測(cè)試,并準(zhǔn)備最后確認(rèn),用戶要將該安全任務(wù)設(shè)置為SIL3安全級(jí)別,然后由GuardLogix控制器強(qiáng)制執(zhí)行。安全內(nèi)存被鎖定并被保護(hù),安全邏輯不能被修改。一旦安全被鎖定到SIL3狀態(tài),GuardLogix的標(biāo)準(zhǔn)則操作起來(lái)就一個(gè)普通的Logix。
另一個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間優(yōu)勢(shì)是,由于安全被集成,安全內(nèi)存能被標(biāo)準(zhǔn)邏輯和外部設(shè)備(如HMIS或者其他控制器)讀取,不需要花費(fèi)時(shí)間從一個(gè)指定的安全設(shè)備設(shè)立或者讀取安全數(shù)據(jù)。從而使系統(tǒng)范圍內(nèi)的集成變得更加容易,而且能夠在顯示器或者選取框上方便地顯示安全狀態(tài)。
GuardLogix使用羅克韋爾RSLogix 5000編程軟件,與所有Logix可編程自動(dòng)化控制器使用的是同一種編程軟件,為程序員提供了熟悉易用的編程環(huán)境。同樣RSLogix 5000可以對(duì)安全內(nèi)存進(jìn)行管理,所以使用者無(wú)需手工管理標(biāo)準(zhǔn)以及安全內(nèi)存的分區(qū)工作,也不用單獨(dú)采用邏輯分區(qū)而隔離安全數(shù)據(jù)。
3.1 安全集成等級(jí)
安全集成等級(jí),即Safety Integrity Levels,簡(jiǎn)稱SIL。根據(jù)在使用的安全設(shè)備每小時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性(PFH),Probability of Dangerous Failure per Hour used for Machinery Safety(Continuous),對(duì)安全集成等級(jí)進(jìn)行劃分。可以劃分為4個(gè)等級(jí),如下表1。
GuardLogix PLC安全集成等級(jí)為SIL3,ControlLogix的安全集成等級(jí)為SIL2,如下圖3所示。
圖3 GuardLogix安全集成等級(jí)
表1 安全集成等級(jí)劃分
3.2 Guard Logix PLC結(jié)構(gòu)
GuardLogix控制器由兩部分組成,一個(gè)是主控制器,型號(hào)為1756-L61S或1756-L62S;另一個(gè)是安全伴侶,型號(hào)為1756-LSP,如圖4所示。在1oo2的結(jié)構(gòu)下,兩個(gè)模塊組合,產(chǎn)生一個(gè)安全、高效的控制器,安全集成等級(jí)達(dá)到SIL3。
圖4 1756-L61S或1756-L62S和1756-LSP
3.2.1 主控制器Primary Controller
主控制器和安全伴侶對(duì)安全回路中所有的安全元器件在上電和運(yùn)行過(guò)程中,進(jìn)行功能診斷測(cè)試。其狀態(tài)通過(guò)LED指示燈顯示出來(lái),如下表2、表3所示。
表2 GuardLogix控制器LED狀態(tài)指示
表3 GuardLogix控制器LED狀態(tài)指示
主控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和安全控制任務(wù)功能,以及涉及到安全功能時(shí),和安全伴侶進(jìn)行信息交換。它包含主處理器、I/O界面和存儲(chǔ)卡等3部分。
標(biāo)準(zhǔn)的功能包括:
(1)I/O控制;
(2)邏輯;
(3)定時(shí);
(4)計(jì)算;
(5)報(bào)表;
(6)通信;
(7)算法計(jì)算;
(8)數(shù)據(jù)歸檔處理。
主控制器包括兩種型號(hào),1756-L61S和1756-L62S,安全任務(wù)內(nèi)存容量一樣,都為1M;標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)內(nèi)存容量不一樣,1756-L61S標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)內(nèi)存容量為2M,1756-L61S標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)內(nèi)存容量為4M,如表4。
表4 1756-L61S和1756-L62S內(nèi)存容量區(qū)別
在主控制器上有指示3個(gè)位置的選擇開(kāi)關(guān),控制著主控制器3個(gè)不同操作模式,和ControlLogixPLC一樣。
RUN—運(yùn)行模式,在此模式下,不能進(jìn)行編程;
PROGRAM—編程模式,在此模式下,可以進(jìn)行編程,但不能運(yùn)行;
REMOTE—程序使能模式,在此模式下,既可以編程,也可以運(yùn)行。
3.2.2 安全伴侶Safety Partner
為滿足SIL3要求,安全伴侶必須安裝在緊鄰主控制器右邊的槽里面,在系統(tǒng)中,為安全任務(wù)提供冗余功能。
安全伴侶沒(méi)有指示3個(gè)位置的選擇開(kāi)關(guān)和RS232通訊接口,主控制器對(duì)其進(jìn)行配置和控制其運(yùn)行模式。
3.3 GuardLogix主控制器編程工具
GuardLogix主控制器編程工具為 14版或者 16版的RSLogix5000軟件,15版的RSLogix5000不支持安全集成等級(jí)3(SIL3)。在安全任務(wù)下的程序,和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)一樣,只支持梯形圖邏輯。
3.3.1 編程環(huán)境
在RSLogix5000軟件中創(chuàng)建一個(gè)工程,和Controllogix創(chuàng)建的工程步驟一樣,選擇控制器要選擇GuardLogix控制器,1756-L61S ControlLogix 5561S Controller或者1756-L62S ControlLogix 5562S Controller;選擇固件版本要選擇14版或者16版,其他的和ControlLogix一樣,比如為工程命名、選擇機(jī)架等,軟件將自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)和安全任務(wù)。
GuardLogix主控制器編程環(huán)境,在控制器狀態(tài)增加Safety Unlocked;安全指令增加安全部分;在主任務(wù)中,增加Safety Task;安全編輯屏幕中增加安全水印,如圖5所示。
在Safety Task中,MainRoutine也自動(dòng)產(chǎn)生。在文件夾圖標(biāo)下方的紅色條,是為了把安全程序和標(biāo)準(zhǔn)程序區(qū)分出來(lái)。
在Main Task中,Program Tags、MainRoutine和ControlLogix一樣。
3.3.2 安全任務(wù)
安全任務(wù)是周期任務(wù),標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)是連續(xù)的任務(wù),如上圖5所示。
(1)掃描開(kāi)始讀入值,掃描期間不改變,安全邏輯執(zhí)行已凍結(jié)安全輸入數(shù)據(jù);
(2)安全任務(wù)在主控制器和安全伴侶兩個(gè)控制器中同時(shí)之前,兩個(gè)控制器交叉檢查安全任務(wù)的結(jié)果;
(3)當(dāng)掃描結(jié)束后,把結(jié)果寫給輸出。
3.3.3 Safety Tags和Standard Tags
(1)Standard Tags使用和邏輯結(jié)構(gòu),和 ControlLogix的一樣;
(2)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,如HMI、控制器、工控機(jī)等能直接讀取安全標(biāo)簽;
(3)全局變量的安全標(biāo)簽在普通任務(wù)中,可以被直接調(diào)用,無(wú)需映射;
(4)普通標(biāo)簽在安全任務(wù)中,不能被直接調(diào)用,需要進(jìn)行映射且用數(shù)組的形式。如圖6所示。
圖6 GuardLogix數(shù)據(jù)調(diào)用規(guī)則
3.3.4 GuardLogix安全指令
GuardLogix安全指令有7種,提供14種功能。分別是ESTOP、DIN、RIN、ROUT、LC、ENPEN、FPMS。其中,在焊裝線最常用的是ESTOP(急停)和LC(安全光柵),如圖7、圖8所示。
圖7急停指令
圖8安全光柵指令
SafetyIO模塊和GuardLogixPLC配合使用,通過(guò)DeviceNet Safety安全總線進(jìn)行通訊。RockWell公司推出種SafteyIO(如表5 所 示 ),分 別 是 1732DS-IB8,1732DS-IB8XOBV4,1791DS-IB12,1791DS-IB8XOB8,1791DS-IB4XOW4,1791DSIB8XOB4,其中1732DS-IB8、1732DS-IB8XOBV4的防護(hù)等級(jí)為IP67,后面4種防護(hù)等級(jí)為IP20。在車身焊裝線電控系統(tǒng)中,最常用的是1791DS-IB12、1791DS-IB8XOB8,如圖9所示。
表5 Safety IO模塊
圖9 1791DS-IB8XOB8
4.1 SafetyInputs安全輸入
T0、T1、T2、T3是脈沖測(cè)試端,輸出電壓為24V的測(cè)試脈沖,T3端能檢測(cè)外部線路斷路故障。當(dāng)外部線路通的時(shí)候,測(cè)試脈沖發(fā)出測(cè)試信號(hào)來(lái)檢測(cè)內(nèi)部線路。使用這個(gè)功能,當(dāng)輸入和電源端發(fā)生短路、兩個(gè)電源端發(fā)生短路或者某一輸入斷路時(shí),可被檢測(cè)出來(lái)。如果檢測(cè)到錯(cuò)誤,安全輸出信號(hào)數(shù)據(jù)及其狀態(tài)將會(huì)被關(guān)閉,如圖10所示。
圖10 安全輸入脈沖檢測(cè)原理圖
4.2 Safety Outputs安全輸出
安全輸出伴隨著脈沖輸出,當(dāng)輸出為ON時(shí),測(cè)試脈沖在每個(gè)648ms中關(guān)閉470μs。使用這個(gè)功能,當(dāng)輸出信號(hào)例如電源正端和輸出信號(hào)之間短路時(shí)、兩輸出短路或者某一輸出斷路時(shí),可以被檢測(cè)出來(lái),如果檢測(cè)到錯(cuò)誤,安全輸出信號(hào)數(shù)據(jù)及其狀態(tài)將會(huì)被關(guān)閉。
4.3 RSLogix 5000中的Safety IO模塊
標(biāo)準(zhǔn)DNB模塊支持DeviceNet Safety,安全模塊直接出現(xiàn)在IO配置中,對(duì)連接、安全、輸入、輸出、脈沖測(cè)試端進(jìn)行相應(yīng)的配置,如圖11、圖12所示。
圖11 RSLogix 5000中的Safety IO
圖12 安全模塊的配置
GuardLogix PLC和Safety IO模塊通過(guò)DeviceNet Safety安全總線進(jìn)行通訊,如圖13所示。急停、安全光柵等安全信號(hào),直接接入Safety IO模塊。安全總線不同于普通總線,安全信息確保到達(dá)功能和信息到達(dá)之后,進(jìn)行反復(fù)校對(duì)功能,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;安全總線的優(yōu)先級(jí)高于普通總線,安全數(shù)據(jù)不受到普通總線中信息交換的影響。
圖13 DeviceNet Safety示意圖
在N300焊裝線電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,主控PLC采用Rock-Well公司GuardLogix1756-L62S,Partner能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),自動(dòng)檢測(cè)安全回路中的斷路和短路。一旦網(wǎng)絡(luò)有異常,PLC就會(huì)停止運(yùn)行,使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠;安全I(xiàn)O采用1791DS-IB12和1791DS-IB8XOB8,通過(guò)DeviceNet Safety和PLC進(jìn)行通訊,取代傳統(tǒng)的通過(guò)安全繼電器硬接線的方式,使安裝接線簡(jiǎn)單,故障點(diǎn)大大減少,維護(hù)方便。
[1]Rockwell Automation;Control Logix選型指南 [DB/OL].http://www. chinakong.com/download/list.asp?clas=3&owner=4&subid=5.
[2]Rockwell Automation;DeviceNet Safety英文手冊(cè)[DB/OL].www.rockwellautomation.com.
[3]Rockwell Automation;Guard I/O DeviceNet Safety Modules英文手冊(cè)[DB/OL].www.rockwellautomation.com.
[4]Rockwell Automation;CompactBlock Guard I/O DeviceNet Safety Modules安裝手冊(cè)[DB/OL].www.rockwellautomation.com.
[5]Rockwell Automation;Rockwell AB GuardLogix可編程序控制器產(chǎn)品手冊(cè)[DB/OL].http://www.chinakong.com/download/list.aspclas=3&owner=4&subid=4.
[6]Rockwell Automation;GuardLogix Controller Systems[DB/OL].www. rockwellautomation.com.
[7]Rockwell Automation;GuardLogix Safety Application Instruction Set [DB/OL].www.rockwellautomation.com.
[8]Rockwell Automation;GuardLogixControllers英文手冊(cè)[DB/OL].www. rockwellautomation.com.
[9]Rockwell Automation;設(shè)備網(wǎng)(DEVICENET)產(chǎn)品概貌publication DN2.5 ZH-April 1998 4-10[DB/OL].http://www.iianews.com.