周 琳，周武能

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

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基于SafetyBUS p的安全防護(hù)系統(tǒng)在自動沖壓線中的控制與應(yīng)用

周 琳，周武能

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

在我國汽車生產(chǎn)制造業(yè)中，控制系統(tǒng)是車身覆蓋件自動生產(chǎn)線中的核心部分，它控制著現(xiàn)場電氣設(shè)備的正常運(yùn)作。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的日益提高，大量的安全問題也涌現(xiàn)出來，使得安全生產(chǎn)變得尤為重要。文章采用德國Pilz系列安全PLC，結(jié)合SafetyBUS p安全總線技術(shù)，以國內(nèi)某大型汽車廠自動生產(chǎn)線為例，設(shè)計了一種安全防護(hù)系統(tǒng)，具有一定的實用價值。

安全防護(hù)系統(tǒng)；自動生產(chǎn)線；安全PLC

0 引言

在我國汽車生產(chǎn)制造業(yè)中，控制系統(tǒng)是車身覆蓋件自動生產(chǎn)線中的核心部分，它控制著現(xiàn)場電氣設(shè)備的正常運(yùn)作。隨著科技水平的革新與自動化技術(shù)的日益進(jìn)步，現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)能力不斷提升的同時也增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，易引發(fā)安全事故。因此，在控制系統(tǒng)中必須引入安全防護(hù)措施，以保證產(chǎn)線安全可靠地運(yùn)行。對于車身覆蓋件自動生產(chǎn)線而言，安全防護(hù)系統(tǒng)不僅是對現(xiàn)場操作人員以及電氣設(shè)備的保護(hù)，也是對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的保護(hù)，在控制系統(tǒng)中有著極其重要的地位。

然而，目前我國汽車行業(yè)車身覆蓋件自動生產(chǎn)線自動化程度較低，導(dǎo)致了生產(chǎn)效率低下，且安全防護(hù)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(nèi)某大型汽車廠車身覆蓋件自動生產(chǎn)線為例，采用德國Pilz系列安全PLC，基于SafetyBUS p安全總線技術(shù)，結(jié)合Win-Pro軟件在線編程，設(shè)計了一種安全防護(hù)系統(tǒng)，具有一定的實用價值。

1 車身覆蓋件自動沖壓線結(jié)構(gòu)

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

在車身覆蓋件自動生產(chǎn)系統(tǒng)中，拆垛系統(tǒng)不可或缺。拆垛系統(tǒng)主要包括拆垛小車、磁性皮帶機(jī)、涂油機(jī)、清洗機(jī)以及對中臺等設(shè)備。此外，還包括端拾器和真空裝置。端拾器處于工業(yè)機(jī)器人的末端，用于板件的精準(zhǔn)抓取。而真空裝置是由于板件較薄而采取的一種系統(tǒng)，通常采用兩套真空裝置構(gòu)成冗余系統(tǒng)以防止系統(tǒng)失效。如圖1所示為自動生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)圖。

圖1 車身覆蓋件自動沖壓線結(jié)構(gòu)圖

2 車身覆蓋件自動沖壓線布局

以一條由7個工業(yè)機(jī)器人、5臺壓機(jī)構(gòu)成的車身覆蓋件自動生產(chǎn)線為例。首先，現(xiàn)場操作人員將板料送入拆垛小車，由機(jī)器人取下板料，經(jīng)雙料檢測后送入涂油裝置，完成后再送入對中臺，進(jìn)行對中定位。隨后，2號機(jī)器人抓取己定位的板料，送入壓機(jī)依次完成各個工序，板件在壓機(jī)之間的傳遞由3～6號機(jī)器人完成，完成生產(chǎn)后的板件由7號下料機(jī)器人取出，放在出料裝置上[2]。最后由現(xiàn)場操作人員取下板件并堆垛，至此，單一板件的生產(chǎn)已完成，生產(chǎn)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(chǎn)線流程圖

3 安全防護(hù)技術(shù)

目前，車身覆蓋件自動生產(chǎn)線中常使用的安全防護(hù)技術(shù)包括安全繼電器、安全PLC和安全總線技術(shù)等。

3.1 安全繼電器

傳統(tǒng)安全回路采用硬配線繼電器作為安全防護(hù)系統(tǒng)的控制單元，當(dāng)現(xiàn)場電氣設(shè)備較多時，大量的線路連接會導(dǎo)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(tǒng)繼電器。安全繼電器采用雙通道冗余輸入，可以檢測觸點(diǎn)間故障，同時通過強(qiáng)制斷開、自啟動、自復(fù)位等功能，可以在線檢測回路故障，有效保證現(xiàn)場電氣設(shè)備的安全運(yùn)作。如圖3所示，若使用普通繼電器，當(dāng)安全門由閉合到打開的時候，如因故障不能使得其內(nèi)部觸電斷開，則電機(jī)仍處于正常運(yùn)作狀態(tài)，無法保障現(xiàn)場操作人員和電氣設(shè)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(zhí)行部分出現(xiàn)故障，依然可以正確做出響應(yīng)并實時切斷輸出的可編程系統(tǒng)。安全PLC的出現(xiàn)取代了傳統(tǒng)的繼電器，通過邏輯運(yùn)算功能，實現(xiàn)復(fù)雜安全控制，避免了現(xiàn)場繁瑣的配線，大大縮短了工程生產(chǎn)周期，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造中。

3.3 安全總線技術(shù)

安全總線是指通信協(xié)議采用安全措施且達(dá)到EN ISO 13849-1等安全要求的現(xiàn)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(yīng)用較為廣泛的安全總線技術(shù)有SafetyBUSp和ProfiSAFE等。SafetyBUSp用于分布式的開放總線控制系統(tǒng)，其基于CAN總線的通信方式，以雙線差動作為媒介，抗噪聲強(qiáng)，帶有事件驅(qū)動機(jī)制，具有較快的信號響應(yīng)速度，符合EN 954-1、EN IEC 62061級別4，故本文選用SafetyBUSp安全總線應(yīng)用于車身覆蓋件自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，組成安全防護(hù)系統(tǒng)。

圖3 繼電器觸點(diǎn)故障圖

4 安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

自動沖壓線具有較高的安全等級要求，且現(xiàn)場設(shè)備繁多，控制復(fù)雜。因此，采用安全PLC和SafetyBUS p安全總線構(gòu)成的安全防護(hù)系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，也避免了現(xiàn)場繁瑣的配線。車身覆蓋件自動生產(chǎn)線的安全防護(hù)采用德國Pilz PSS安全PLC作為核心，通過SafetyBUS p安全總線構(gòu)成總線型結(jié)構(gòu)。其中，自動生產(chǎn)線上如急停、安全門、光柵等設(shè)備的安全控制回路直接連接到現(xiàn)場模塊，通過現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)部分(Standard Section)進(jìn)行在線編程，實現(xiàn)安全回路的邏輯控制。最后，安全防護(hù)信號通過Profibus-DP總線進(jìn)入連線控制系統(tǒng)[4]?；赟afetyBUS p的安全防護(hù)系統(tǒng)框圖如圖4所示。

在設(shè)計自動沖壓線安全防護(hù)系統(tǒng)過程中，為達(dá)到各部分獨(dú)立運(yùn)作的需求，各個終端設(shè)備均通過分組排進(jìn)不同的功能組(Function Group)，當(dāng)某組出現(xiàn)問題時，不會影響到其他組的正常運(yùn)作。因此，即使整條生產(chǎn)線某一部分出現(xiàn)故障，也不會干擾到其他部分的安全生產(chǎn)，有效地保證了控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

圖4 基于SafetyBUS p的安全防護(hù)系統(tǒng)

5 安全防護(hù)評估

操作人員和設(shè)備的安全由各種安全防護(hù)技術(shù)來實現(xiàn)。對于自動生產(chǎn)線來說，安全防護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立于連線控制系統(tǒng)，其基本原理是所有安全回路構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，如果有某一通道斷開，并聯(lián)的生產(chǎn)運(yùn)作仍有其他通道可以與裝置保持導(dǎo)通，并在出現(xiàn)故障時能將系統(tǒng)切換到安全狀態(tài)。以工業(yè)機(jī)器人安全控制為例，其安全控制邏輯如圖5所示。

當(dāng)C、D兩側(cè)安全門閉合，同時C側(cè)光柵有效等一系列安全設(shè)備處于正常工作時，繼電器導(dǎo)通，表示機(jī)器人安全區(qū)域正常關(guān)閉，可以上電進(jìn)行一系列后續(xù)操作；如果此時有一處操作人員沒有安全退出或安全設(shè)備發(fā)生故障，則不會導(dǎo)通中間繼電器，從而保證了人員和設(shè)備的安全[5]。

6 結(jié)束語

本文介紹了自動沖壓線的結(jié)構(gòu)、工作流程以及幾種常用的安全防護(hù)技術(shù)，提出了采用安全PLC及SafetyBUS p安全總線技術(shù)構(gòu)成安全防護(hù)系統(tǒng)的方法，基于德國Pilz系列安全PLC，以國內(nèi)某大型汽車廠車身覆蓋件自動生產(chǎn)線為例，結(jié)合Win-Pro軟件在線編程，設(shè)計了一種安全防護(hù)系統(tǒng)，具有一定的實用價值。

圖5 工業(yè)機(jī)器人安全控制邏輯圖

[1] 王明.工業(yè)機(jī)器人在自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2008.

[2] 姜俊杰.汽車工廠沖壓車間輸送系統(tǒng)自動化改造[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2010.

[3] 侯維巖，張海峰，費(fèi)敏銳,等.現(xiàn)場總線PROFIBUS系統(tǒng)的實時性能分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，2004,18(2):56-60.

[4] 鄒益仁.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社,2003.

[5] 王保軍，滕少鋒.工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)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(hù)系統(tǒng)在自動沖壓線中的控制與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)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(jìn)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術(shù)。

周武能(1959-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與同步、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與同步、傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同與控制、魯棒控制、工業(yè)過程控制。