王昶輝

(上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

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車身生產(chǎn)線自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

王昶輝

(上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

車身生產(chǎn)線設(shè)計(jì)復(fù)雜、關(guān)聯(lián)因素眾多，從安全等級(jí)和系統(tǒng)總線的角度闡述了自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。之后通過三個(gè)生產(chǎn)線的控制方案分析和工程實(shí)踐從軟硬件標(biāo)準(zhǔn)變化的角度闡述從基于Interbus總線系統(tǒng)到基于Profinet/Profisafe總線系統(tǒng)的諸多有益變化。工程實(shí)踐表明，新標(biāo)準(zhǔn)極大地減少了硬件設(shè)計(jì)和布線的工作強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護(hù)性，滿足更高的安全等級(jí)要求。

車身生產(chǎn)線 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì) Interbus Profinet/Profisafe PLC

0 引言

車身生產(chǎn)線用于將車身的各零部件通過焊接、鉚接、涂膠等工藝連接成整車，自動(dòng)生產(chǎn)線一般包括輸送系統(tǒng)、夾具定位系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人及工藝設(shè)備等。生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)需首先考慮其應(yīng)遵循的安全等級(jí)和控制系統(tǒng)總線形式，在確定安全等級(jí)和控制系統(tǒng)總線形式后，根據(jù)選用的產(chǎn)品系列和實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)生產(chǎn)線軟硬件標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1 車身生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

1.1 車身生產(chǎn)線實(shí)例概述

如圖1所示，其為車身焊接生產(chǎn)線的一個(gè)工位，包括一些上件工位和雪橇輸送工位，輸送方向從右至左，最右側(cè)工位為升降機(jī)。Station A包括10臺(tái)機(jī)器人及一套外部軸、滾床、底部夾具等。

車身首先從升降機(jī)輸送到Station A，滾床下降到位，上件機(jī)器人R01/R02根據(jù)生產(chǎn)車型信息從上件工位上抓取特定車型的零件，并將零件轉(zhuǎn)接給工位內(nèi)機(jī)器人R03/R04，R03/R04做高精度定位將零件上到車身上，定位夾具加緊，其他機(jī)器人開始焊接。機(jī)器人焊接完成回到原位，定位夾具打開，滾床升起，車身通過滾床輸送到Station B。

圖1 生產(chǎn)線平面布局圖

1.2 車身生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路

由于PLC對(duì)數(shù)據(jù)處理按運(yùn)算周期[2]批量刷新輸出的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常響應(yīng)與在非正常情況下的停止時(shí)間與掃描周期有密切的關(guān)系，整車廠需對(duì)其有明確的要求，以便評(píng)估安全風(fēng)險(xiǎn)。而運(yùn)算周期與CPU的選型和系統(tǒng)資源直接相關(guān)，程序量的大小在軟硬件標(biāo)準(zhǔn)的定義下與分配到該CPU的生產(chǎn)線復(fù)雜程度直接相關(guān)。因此，軟硬件標(biāo)準(zhǔn)、總線產(chǎn)品的性能、安全掃描周期的定義將決定生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的劃分原則，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合上述考慮，這里將 Station A劃分為一套PLC控制。

為了提高安全性和設(shè)備開動(dòng)率，還需要將一個(gè)工作組精確劃分為多個(gè)保護(hù)回路和啟動(dòng)組，在此不再詳述。通過劃分生產(chǎn)區(qū)域，可將生產(chǎn)線分割為多個(gè)PLC控制系統(tǒng)，既便于硬件接線改造，也可控制程序的復(fù)雜程度和掃描周期，標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)確的方案設(shè)計(jì)也是整車廠評(píng)估工作量和投資前提。

2 基于Interbus總線的控制方案

2.1 控制方案分析

安全等級(jí)的確定和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的選擇需綜合考慮當(dāng)時(shí)的國際標(biāo)準(zhǔn)和自動(dòng)化產(chǎn)品發(fā)展情況。上海大眾在2000年前后投產(chǎn)的生產(chǎn)線基于EN954 Cat.3安全標(biāo)準(zhǔn)和Interbus 500 kbit/s總線系統(tǒng)。Interbus總線的穩(wěn)定性、靈活性及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多芯線纜連接的簡(jiǎn)化對(duì)減少工程量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了有益作用，以主站為起點(diǎn)，所有的設(shè)備都被連接到總線系統(tǒng)中。Interbus分支從站通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展端子BK擴(kuò)展，支持對(duì)多16層樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

Interbus總線協(xié)議不具有安全信號(hào)的傳輸和診斷功能，因此涉及到安全輸入輸出信號(hào)必須有符合安全等級(jí)的設(shè)備處理，在該標(biāo)準(zhǔn)中選用Pilz的PNOZ系列安全繼電器，其在EN954-1 中安全等級(jí)達(dá)到4級(jí)。這樣現(xiàn)場(chǎng)普通信號(hào)如傳感器、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、機(jī)器人等通過Interbus總線傳輸?shù)娇刂乒裰杏蒔LC邏輯控制，安全信號(hào)如安全門、急停等通過多芯線進(jìn)入控制柜的Pilz安全模塊，執(zhí)行安全邏輯，輸出安全信號(hào)并傳遞到PLC。

如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)主要通過Interbus總線和硬接線來傳輸，與安全相關(guān)的設(shè)備如激光掃描器、急停、門鎖、機(jī)器人及其他帶安全信號(hào)的工藝設(shè)備以單/雙通道的形式通過普通多芯線纜直接或轉(zhuǎn)接到PLC控制柜的Pilz安全繼電器上。現(xiàn)場(chǎng)選用的其他設(shè)備必須滿足Interbus總線接口，如機(jī)器人、操作面板、激光源等，這里就體現(xiàn)了選擇一款具有廣泛適用性的主流現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的重要性。

圖3 基于Interbus總線的系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 System topology based on Interbus

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

Pilz安全繼電器是由數(shù)個(gè)繼電器與安全設(shè)計(jì)電路組合，以互補(bǔ)各通道的異常缺陷，在觸點(diǎn)粘連、短路等故障下，保證繼電器不會(huì)誤動(dòng)作，可靠性遠(yuǎn)高于一般繼電器。此種安全繼電器一般也會(huì)設(shè)計(jì)多種類型，以滿足不同設(shè)計(jì)和機(jī)械安全等級(jí)的需要，最終保護(hù)暴露于不同危險(xiǎn)情況下的操作人員的人身安全。

如圖4所示，1SG1、1SG2、1SG3分別代表三個(gè)維修門的安全插銷信號(hào)，當(dāng)安全門打開時(shí)，工位內(nèi)的所有自動(dòng)設(shè)備必須停止運(yùn)行。1KG36是該安全回路的總的安全繼電器，此處選擇Pilz的X10.11P，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)適用于連接急停、安全門、光柵等。1KG36閉合條件是三個(gè)安全門關(guān)閉，S11-S12回路閉合，同時(shí)操作人員觸發(fā)復(fù)位繼電器1K50，1K50得電后13、14觸點(diǎn)吸合，1KG36的S33、S34復(fù)位回路閉合，安全繼電器1KG36重新復(fù)位滿足工位啟動(dòng)條件。此時(shí)接通繼電器1KG36b和1KG36c，它們的兩對(duì)觸點(diǎn)吸合接入到1KG36的反饋回路Y1Y2上。

1KG36安全繼電器所帶的6個(gè)安全常開(N/O)觸點(diǎn)和4個(gè)輔助(N/C)觸點(diǎn)將用于連接/切斷自動(dòng)設(shè)備的供電條件并向PLC反饋當(dāng)前狀態(tài)，以保證人員進(jìn)入的安全。

圖4 安全回路的電路設(shè)計(jì)

圖5 激光掃描器的電路設(shè)計(jì)

在掃描器1A13和1A14不被觸發(fā)時(shí)，工人拍下復(fù)位按鈕，1K50吸合兩個(gè)掃描器復(fù)位，在掃描器被觸碰時(shí)雙通道激活1KA13/1，1KA13/2得電，1K50斷開。繼電器1KA13的觸點(diǎn)將串入相應(yīng)的保護(hù)回路，以保證在人員闖入時(shí)，相關(guān)設(shè)備停止。

3 基于Profinet和Interbus的控制方案

3.1 Profinet/Profisafe總線簡(jiǎn)介

Profibus總線于1996年由Profibus國際組織推出，2001年P(guān)NO(Profibus National Organization)發(fā)表了Profinet規(guī)范。在2004年漢諾威工博會(huì)上，PI和Interbus組織共同宣布成立共同工作組以開發(fā)下一代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)Profinet。同年，在紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽會(huì)上，奧迪(Audi)、寶馬(BMW)、戴梅勒-克萊斯勒(DaimlerChrysler)和大眾(Volkswagen)四家德國主要汽車公司宣布同意有條件的將工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Profinet做為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的首選，其聯(lián)盟AIDA(automatisierungs-initiative deutscher automobilhersteller)同時(shí)認(rèn)為可以通過開放的通信標(biāo)準(zhǔn)減少生產(chǎn)制造、啟動(dòng)和運(yùn)營成本，以消除之前現(xiàn)場(chǎng)總線混戰(zhàn)的局面。

Profinet/Profisafe在Profibus的基礎(chǔ)上可以與IT標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)保持開放式實(shí)時(shí)通信，并通過開放式的對(duì)象模型實(shí)現(xiàn)與其他現(xiàn)場(chǎng)總線的兼容性和分布式自動(dòng)化控制[3-4]，Profisafe也實(shí)現(xiàn)了AIDA之前的“條件”，即安全信號(hào)與原有總線實(shí)現(xiàn) “一線傳輸”。Profinet可以實(shí)現(xiàn)從管理層、控制層到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的信息無縫集成，使得工廠/過程控制系統(tǒng)(FCS/PCS)與企業(yè)管理信息系統(tǒng)(ERP)，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)有機(jī)地融為一體，這將有利于制造企業(yè)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、管理可視化、生產(chǎn)定制化的需求。

長期以來，故障安全通信技術(shù)方面的任務(wù)只能在第二層采用常規(guī)手段或者通過專用總線分散解決，這使得制造業(yè)分布式自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線如Probfibus、Interbus的應(yīng)用受到很多限制[5-6]。Profisafe 標(biāo)準(zhǔn)及安全相關(guān)的應(yīng)用可通過簡(jiǎn)單工具和已經(jīng)認(rèn)證的功能塊實(shí)現(xiàn)編程。在安全相關(guān)應(yīng)用方面，按照IEC 61508/IEC 62061可達(dá)到SIL3；按照 EN954 -1可達(dá)到安全類別4；按照 ISO 13849-1 可達(dá)到PL e[7]。

Profisafe的主要特點(diǎn)如下[8-11]。

① 安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信可以在同一根電纜上共存;② Profisafe故障安全建立在單信道系統(tǒng)上，不通過冗余電纜來實(shí)現(xiàn);③ 故障安全措施封閉在終端模塊中(F-Master,F-Slave);④ 采用專利SIL監(jiān)視器獲得極高安全性;⑤ 最高故障安全等級(jí)SIL3(IEC 61508)。

Profisafe以標(biāo)準(zhǔn)總線通信部件：電纜、芯片、基本軟件包(層棧)、Profinet I/O主站和Profinet I/O從站等為基礎(chǔ)，根據(jù)IEC 61508可以建立與報(bào)文長度相關(guān)的CRC多項(xiàng)式[12]，以保證未經(jīng)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤報(bào)文殘留錯(cuò)誤率達(dá)到所要求的數(shù)量級(jí)。為避免任何不安全性，Profisafe使用了一種稱之為SIL-監(jiān)視器的方法，可以使SIL等級(jí)在分布式故障安全自動(dòng)化方案的生命期內(nèi)保持不變，且不受所用總線部件和組態(tài)的影響。

以上Profinet/Profisafe的所有特點(diǎn)符合整車廠對(duì)于安全等級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)總線的一切要求，Profinet/Profisafe也成為當(dāng)今最為主流的現(xiàn)場(chǎng)總線形式之一。

3.2 控制方案分析

在Profinet自身不斷發(fā)展成熟和客戶對(duì)其不斷熟悉并建立使用標(biāo)準(zhǔn)后，上海大眾于2009年開始使用基于Profinet/Profisafe和Interbus總線的電氣標(biāo)準(zhǔn)。由于當(dāng)時(shí)國際安全標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)處于過渡期，車身生產(chǎn)線需滿足EN954 Cat.3/ISO13849 PL d的安全等級(jí)。

考慮到之前Interbus的使用情況和現(xiàn)場(chǎng)大部分電氣設(shè)備的總線支持情況，我們利用Profinet兼容其他總線的特點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制方案做了調(diào)整。在控制柜內(nèi)首次使用了 Profinet總線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)保留原有的Interbus總線方案，并將總線速率升級(jí)為2 Mbit/s，CPU改用具有安全功能的CPU 319F，通過PROXY網(wǎng)關(guān)將柜內(nèi)的Profinet轉(zhuǎn)換成Interbus總線,從而實(shí)現(xiàn)從Profinet到Interbus的現(xiàn)場(chǎng)控制，如圖6所示。

圖6 基于Profinet/Profisafe+Interbus總線拓?fù)鋱D

該標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)重大變化就是引入了Profisafe，替代原有的Pilz安全繼電器，利用Profisafe安全總線和安全程序替代安全繼電器和硬件邏輯結(jié)構(gòu)。使用軟件實(shí)現(xiàn)安全功能符合工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，提高了設(shè)備的擴(kuò)展性和再利用性，降低了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和安裝調(diào)試的時(shí)間。

故障安全模塊在內(nèi)部設(shè)計(jì)為雙通道，兩個(gè)集成處理器相互監(jiān)視，并自動(dòng)測(cè)試輸入輸出電路。如果發(fā)生故障，則將F模塊置于安全狀態(tài)。F-DI模塊采集安全設(shè)備的數(shù)字量狀態(tài)，執(zhí)行短路和交叉電路測(cè)試和偏差分析，并將相應(yīng)安全消息發(fā)送幀發(fā)送給F-CPU。常規(guī)PLC的輸入通常接傳感器的常開接點(diǎn)，而安全PLC的輸入通常接傳感器的常閉接點(diǎn)，用于提高輸入信號(hào)的快速性和可靠性。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

下面對(duì)老的Interbus標(biāo)準(zhǔn)各設(shè)計(jì)實(shí)例在新標(biāo)準(zhǔn)中的變化做一一介紹和比對(duì)。

圖7 安全回路的電路設(shè)計(jì)

圖7中將一個(gè)維修門SG1的安全開關(guān)的雙通道安全信號(hào)直接接入到Siemens 安全I(xiàn)/O模塊上。三個(gè)門的安全信號(hào)在PLC程序中串聯(lián)到一起，如圖8所示，外部復(fù)位信號(hào)轉(zhuǎn)化為11FrgK36_F，輸出#FM_11K36將在后面做為安全條件使用。要強(qiáng)調(diào)的是該FB塊是經(jīng)權(quán)威三方認(rèn)證的具有SIL3等級(jí)的安全模塊。

圖8 安全回路的程序設(shè)計(jì)

激光掃面器的電路設(shè)計(jì)同樣得到了簡(jiǎn)化，一個(gè)雙通道的安全I(xiàn)/O模塊替代了原有的Pilz安全繼電器，如圖9所示。

圖9 激光掃描器的電路設(shè)計(jì)

與老標(biāo)準(zhǔn)相比，PLC程序中還是使用了OB1,按周期循環(huán)調(diào)用各FC和FB塊不同之處在于增加了FC900及相應(yīng)的FB安全模塊，用于實(shí)現(xiàn)安全邏輯功能。通過軟件程序代替原有的復(fù)雜硬件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)與原有方案相同的功能。

4 基于Profinet/Profisafe的控制方案

4.1 控制方案分析

雖然Profinet/Profisafe+Interbus的控制方案已經(jīng)極大地簡(jiǎn)化了Interbus方案中的復(fù)雜硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，但兩種總線并行的方式還是留有了進(jìn)一步整合的空間。為了使現(xiàn)場(chǎng)層、控制層與上層通用系統(tǒng)平臺(tái)無縫連接，更靈活、全面地監(jiān)控與診斷現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，柜內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)一體化的總線形式勢(shì)在必行。

Profinet支持實(shí)時(shí)通信的特點(diǎn)為更精確的現(xiàn)場(chǎng)控制提供了可能。Profinet支持TCP/IP、RT(實(shí)時(shí)通人信)、IRT(同步實(shí)時(shí)通信)三種通信方式，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，不同的信息在不同等級(jí)傳輸速度的協(xié)議上傳輸。TCP/IP 是IT 領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時(shí)間大概在100 ms的量級(jí)，對(duì)于信息統(tǒng)計(jì)與顯示這個(gè)響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)足夠。 RT通信對(duì)于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求更為嚴(yán)格，大概需要5～10 ms的響應(yīng)時(shí)間。 Profinet提供了一個(gè)優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層的實(shí)時(shí)通信通道，通過該實(shí)時(shí)通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時(shí)間，因此，Profinet獲得了等同、甚至超過傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。IRT通信應(yīng)用于對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求最高的是運(yùn)動(dòng)控制，Profinet的同步實(shí)時(shí)技術(shù)可以滿足運(yùn)動(dòng)控制的高速通信需求，在100個(gè)節(jié)點(diǎn)下，其響應(yīng)時(shí)間要小于1 ms，抖動(dòng)誤差要小于1 μs。

從2013年開始，上海大眾在新建工廠中大量使用了一體化的Profinet/Profisafe標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)具有比原有標(biāo)準(zhǔn)更高的安全等級(jí)。根據(jù)Profinet網(wǎng)絡(luò)支持星型、總線型和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，和目前自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，選用了大量支持Profinet總線的自動(dòng)化設(shè)備品牌實(shí)現(xiàn)從柜內(nèi)到現(xiàn)場(chǎng)的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中各種設(shè)備的通信等級(jí)的設(shè)計(jì)由于篇幅有限在此不再詳述。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比，此方案的變化更多的在于現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了Profinet網(wǎng)絡(luò)通信，比較上一節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例，激光掃描器由于使用了Profinet/Profisafe接口，接線得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

原有的雙通道安全輸入通過硬接線進(jìn)入控制柜安全I(xiàn)/O模塊的方式被Profinet/Profisafe總線取代，如圖10所示。

圖10 激光掃描器的電路設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)使用了Profinet總線，分布式控制的理念進(jìn)一步得到發(fā)展，簡(jiǎn)化硬件線、就近維修的方式大大提高了生產(chǎn)線的開動(dòng)率。

5 結(jié)束語

本文詳述了上海大眾車身生產(chǎn)線控制系統(tǒng)發(fā)展的三個(gè)階段，從老的Interbus總線標(biāo)準(zhǔn)到最新的Profinet總線標(biāo)準(zhǔn)，控制方案的改變大幅降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，減少了生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的工作量和改造時(shí)間，提高了設(shè)備的可維護(hù)性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在降低投資成本的同時(shí)，通過提高開動(dòng)率更多地為企業(yè)創(chuàng)造了價(jià)值。

生產(chǎn)線控制方案的發(fā)展與工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展密不可分，如何依托最新的技術(shù)發(fā)展設(shè)計(jì)適合于企業(yè)自身需求的控制方案，如何從跟隨趨勢(shì)到引領(lǐng)潮流值得制造行業(yè)同仁深思。

[10]彭杰,應(yīng)啟戛.工業(yè)以太網(wǎng)的安全性研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2004,8(25): 516-517.

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Development of the Automation Standards for Car-body Production Line

The design of car body production line is complex and with many associated factors,the design principles of automation system are described from the angles of safety level and system bus.Through analyzing three of the control schemes of production line and engineering practices,from the perspective of software and hardware standards variation,various beneficial changes from Interbus based system to Profinet/Profisafe based system are described.The engineering practices indicate that the new standard greatly reduces the work intensity of hardware design and wirings,enhances the stability and maintainability of the system,and meets requirements of higher safety level.

Car body production line Design of automation system Interbus Profinet/Profisafe PLC

TH-3;TP278

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601016

修改稿收到日期：2015-01-11。

作者王昶輝(1984-)，男，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事車身生產(chǎn)線電氣規(guī)劃的研究。