1. 項(xiàng)目介紹

整個(gè)項(xiàng)目控制系統(tǒng)的實(shí)施完全依照IntegraBBDC V1.02標(biāo)準(zhǔn)（奔馳和Siemens合訂汽車(chē)廠控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）和北京奔馳-戴姆勒柯萊斯勒汽車(chē)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。北京奔馳-戴姆勒柯萊斯勒有限公司是北京北汽集團(tuán)與奔馳-戴姆勒柯萊斯勒的合資企業(yè)，于05年10月開(kāi)始在北京亦莊新建汽車(chē)生產(chǎn)廠，本地化生產(chǎn)奔馳E200、E280系列和戴姆勒柯萊斯勒300C系列車(chē)型。新建廠由兩個(gè)廠區(qū)組成，一邊是生產(chǎn)奔馳車(chē)的焊裝和總裝車(chē)間，另一邊是生產(chǎn)300C的焊裝和總裝車(chē)間。兩個(gè)車(chē)間共用一個(gè)噴涂車(chē)間，這次建廠并沒(méi)有新建沖壓車(chē)間。

根據(jù)300C整車(chē)生產(chǎn)工藝，控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1。設(shè)備層面控制系統(tǒng)采用總線(xiàn)方式，集中控制各生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)線(xiàn)，各生產(chǎn)控制系統(tǒng)上層通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議和廠級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相接入的接口?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用SIEMENS公司PROFIBUS總線(xiàn)，相關(guān)總線(xiàn)I/O擴(kuò)展元件以此為基礎(chǔ)搭建。通常情況下工廠的控制系統(tǒng)可以分為五層：傳感器/執(zhí)行器層、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)層、控制層、 區(qū)域管理層、生產(chǎn)管理層。

圖1. 生產(chǎn)車(chē)間控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

在控制層采用了Siemens控制系統(tǒng) CPU416F- 2作系統(tǒng)主站，采用WinCC開(kāi)發(fā)了中控室人機(jī)界面；而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)層采用了如下PROFIBUS從站：ET200S和ET200ECO作分布式I/O，MasterDrive作工藝線(xiàn)和升降機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，ET200FC變頻器作滾床、推車(chē)機(jī)等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，PP17作操作面板，TP270作現(xiàn)場(chǎng)HMI；傳感器層采用了Siemens大量接近開(kāi)關(guān)。安全系統(tǒng)方面采用了Siemens的PROFIsafe安全總線(xiàn)協(xié)議、分布式安全模塊4/8F-DI和4F-DO、光幕、急停按鈕和門(mén)開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品。

本文針對(duì)PROFIsafe在300C總裝車(chē)間的應(yīng)用，描述了PROFIsafe實(shí)現(xiàn)安全機(jī)制的機(jī)理，結(jié)合PROFIsafe的實(shí)際工程應(yīng)用，探討了應(yīng)用方法和使用效果。

在汽車(chē)生產(chǎn)廠，尤其是在自動(dòng)化程度較高的焊裝車(chē)間和總裝車(chē)間，大量的焊接機(jī)器人和裝配機(jī)械手的出現(xiàn)，造成了許多需要安全保護(hù)的危險(xiǎn)區(qū)域，所以安全傳感器，如區(qū)域保護(hù)掃描器、安全光幕、安全鎖、安全地毯、急停開(kāi)關(guān)等的使用已經(jīng)非常普遍，但現(xiàn)在連接這些安全設(shè)備的控制系統(tǒng)仍停留在“安全繼電器”或“安全PLC”的非總線(xiàn)控制系統(tǒng)的低級(jí)控制狀態(tài)，大大限制了生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展。但如果將這些安全設(shè)備連接到非安全的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)（如標(biāo)準(zhǔn)的Profibus）上去，就會(huì)存在比較大的安全隱患，是一種非安全的控制狀態(tài)。北京奔馳-戴克有限公司300C項(xiàng)目的總裝車(chē)間采用PROFIBUS作為現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采用PROFIsafe為安全通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)和安全網(wǎng)絡(luò)的完美集成，簡(jiǎn)化了控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了安裝成本和工程施工時(shí)間，使系統(tǒng)具有了可靠的安全保護(hù)裝置，為安全、穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。

2. PROFIsafe原理介紹：

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，故障安全通信技術(shù)近年也得到了飛速發(fā)展，安全總線(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用使得工業(yè)控制系統(tǒng)更具安全性和可用性，同時(shí)提高了系統(tǒng)靈活性，有效節(jié)約了布線(xiàn)和工程施工的成本。

與SafetyBus p這種獨(dú)立的安全網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立的安全PLC想比，Siemens推出的安全通信協(xié)議PROFIsafe將安全設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)流完全整合在以PROFIBUS為平臺(tái)的總線(xiàn)系統(tǒng)中，使標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和安全設(shè)備能同時(shí)共用一條通信鏈路。從1999年P(guān)ROFIsafe引入以來(lái)，TUV已經(jīng)認(rèn)證了其在PROFIBUS上運(yùn)用的安全性，達(dá)到了IEC61508中SIL3的等級(jí)，最近它還獲得了PROFInet上使用安全性的認(rèn)證。開(kāi)放架構(gòu)的PROFIsafe使得選擇其他廠商的產(chǎn)品成為可能。目前有大量的廠商都提供支持PROFIsafe的設(shè)備，如Banner，Beckhoff，Sick，Turck和Wago等。

與傳統(tǒng)安全系統(tǒng)相比PROFIsafe具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信在同一根電纜上共存；

（2）PROFIsafe-故障安全性建立在單信道通信系統(tǒng)之上，安全通信不通過(guò)冗余電纜來(lái)達(dá)到目的；

（3）標(biāo)準(zhǔn)通信部件，如電纜、專(zhuān)用芯片、DP-棧軟件等等，無(wú)任何變化；

（4）故障安全措施封閉在終端模塊中（F-Master，F(xiàn)-Slave） ，采用專(zhuān)利SIL監(jiān)視器獲得極高的安全性；

（5）最高故障安全完整性等級(jí)為SIL3（IEC61508）；

（6）既可用于低能耗（Ex-i）的過(guò)程自動(dòng)化，又可用于反應(yīng)迅速的制造業(yè)自動(dòng)化；

PROFIsafe使標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和故障安全技術(shù)合為一個(gè)系統(tǒng)，即故障安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信在同一根電纜上共存，安全通信不通過(guò)冗余電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。這不僅在布線(xiàn)上和品種多樣性方面可以節(jié)約成本，而且也方便日后系統(tǒng)的改造。圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)控制器、I/O和安全控制器、F-I/O共用一條總線(xiàn)，通過(guò)F-網(wǎng)關(guān)可連接到其他安全總線(xiàn)系統(tǒng)。采用PROFIsafe既可使用單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)也可根據(jù)要求采用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)和安全總線(xiàn)分開(kāi)的結(jié)構(gòu)。

圖3為PROFIsafe的ISO/OSI簡(jiǎn)化模型，PROFIBUS在ISO/OSI模型中使用了1、2和7層，相對(duì)安全層來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)黑色通道（Black Channel）；PROFIsafe為置于第7層之上的安全層（Safety-Layer），其僅負(fù)責(zé)有效數(shù)據(jù)的安全傳送，而有效數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和提供則是由依照故障安全技術(shù)要求設(shè)計(jì)的固件來(lái)完成。

圖2.標(biāo)準(zhǔn)通信和安全通信同在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)

圖4為PROFIsafe通信的簡(jiǎn)單報(bào)文結(jié)構(gòu)，從這里可以看出，安全通信的報(bào)文與標(biāo)準(zhǔn)通信報(bào)文是同時(shí)在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行通信的。而且根據(jù)制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)不同的要求，有兩種有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

PROFIsafe采用PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制的主從輪詢(xún)通信方式使F-CPU和F-Slave交換信息，這樣在主站與從站之間存在著1：1的關(guān)系，輪詢(xún)操作（Polling）能夠立即察覺(jué)一旦出現(xiàn)故障的某個(gè)設(shè)備，這正是故障安全技術(shù)的基本原則。為了避免網(wǎng)絡(luò)傳輸錯(cuò)誤

，PROFIsafe采用了故障安全按位編號(hào)，帶應(yīng)答的時(shí)間監(jiān)控，用密碼標(biāo)識(shí)發(fā)送器和接收器，增設(shè)16/32位循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）等措施以保證數(shù)據(jù)的安全。此外，PROFIsafe還采用了SIL-Monitor專(zhuān)利技術(shù)，SIL監(jiān)視器本身不是硬件，而是可實(shí)現(xiàn)PROFIsafe-驅(qū)動(dòng)器軟件的一部分。借助SIL-Monitor，F(xiàn)-系統(tǒng)能夠在故障率超過(guò)一定限度之前即采取有效的安全保護(hù)措施，從而避免系統(tǒng)中出現(xiàn)險(xiǎn)情。

圖3. PROFIsafe的ISO/OSI模型

圖4. 標(biāo)準(zhǔn)通信中的PROFIsafe報(bào)文

PROFIsafe的發(fā)展拓寬了PROFIBUS在工廠自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本文通過(guò)探討PROFIsafe的通信原理及其在汽車(chē)廠的實(shí)際應(yīng)用，展現(xiàn)了PROFIsafe的實(shí)用性和優(yōu)越性。

3. 300C總裝車(chē)間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，改變了汽車(chē)廠控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，近年新上項(xiàng)目均采用了以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和分布式I/O為主的控制結(jié)構(gòu)。開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的使用，不僅能使不同供貨商的設(shè)備共存于一個(gè)總線(xiàn)系統(tǒng)中，而且還能簡(jiǎn)化布線(xiàn)，加快信息在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)上的傳播。但際上，標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)還不能算是一個(gè)完美的總線(xiàn)系統(tǒng)，尤其在“安全控制”方面存在著很大的漏洞。PROFIsafe安全通信協(xié)議是PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)在安全領(lǐng)域的擴(kuò)展，PROFIsafe的引入使PROFIBUS更具完整性。

300C項(xiàng)目總裝車(chē)間按工藝分由三部分構(gòu)成：漆后緩沖區(qū)、門(mén)線(xiàn)、內(nèi)飾/底盤(pán)線(xiàn)。漆后緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)了總裝車(chē)間和噴涂車(chē)間的接口，從噴涂車(chē)間接收到噴好漆的車(chē)身，然后根據(jù)車(chē)的不同型號(hào)和顏色進(jìn)行編組，根據(jù)管理層的生產(chǎn)任務(wù)，按要求將車(chē)身移交給總裝的內(nèi)飾線(xiàn)。內(nèi)飾線(xiàn)由兩條輸送線(xiàn)組成，全長(zhǎng)300米，45個(gè)工位，線(xiàn)上按汽車(chē)安裝工藝編排工位任務(wù)，兩條內(nèi)飾線(xiàn)間通過(guò)快鏈銜接。與內(nèi)飾線(xiàn)相同，底盤(pán)線(xiàn)也有兩條線(xiàn)組成，內(nèi)飾和底盤(pán)間通過(guò)快鏈相連，底盤(pán)線(xiàn)上要與發(fā)動(dòng)機(jī)合裝線(xiàn)和加注機(jī)進(jìn)行信號(hào)交接。在底盤(pán)線(xiàn)的末端會(huì)有升降機(jī)將裝配好的車(chē)放到尾線(xiàn)上，進(jìn)行裝門(mén)和監(jiān)測(cè)。門(mén)線(xiàn)作為總裝的一部分，完成車(chē)門(mén)的安裝和輸送。

整個(gè)總裝車(chē)間控制系統(tǒng)建立在PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝劃分由三部分構(gòu)成，每部分由一個(gè)CPU416F-2作為PROFIBUS主站和ET200S分布式I/O組成，不同PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)間采用DP COUPLER交接信號(hào)。本文以?xún)?nèi)飾/底盤(pán)線(xiàn)為例介紹了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和PROFIsafe的應(yīng)用。

圖5. 內(nèi)飾、底盤(pán)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)飾底盤(pán)線(xiàn)分慢鏈和快鏈，慢鏈為工藝線(xiàn)，包括2條內(nèi)飾線(xiàn)、2條底盤(pán)線(xiàn)、尾線(xiàn)，全長(zhǎng)700多米；快鏈實(shí)現(xiàn)了2條內(nèi)飾線(xiàn)、2條底盤(pán)線(xiàn)間的銜接和吊具緩沖功能?？刂葡到y(tǒng)由一個(gè)CPU416F-2為主站，20個(gè)ET200S、11個(gè)ET200ECO、7個(gè)MasterDrive和8個(gè)PP17和1個(gè)TP270等從站組成，通過(guò)DP Coupler與緩沖區(qū)交接信號(hào)。如圖5為內(nèi)飾底盤(pán)線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò)PROFIBUS簡(jiǎn)圖，安全模塊分布于各個(gè)ET200S從站內(nèi)，通過(guò)IM151HF接口模塊與主站416F-2進(jìn)行安去通信?，F(xiàn)場(chǎng)急停、門(mén)開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、光幕等安全信號(hào)通過(guò)安全模塊輸入點(diǎn)連接到控制系統(tǒng)中。這樣整個(gè)系統(tǒng)的控制設(shè)備和安全設(shè)備就通過(guò)一條PROFIBUS總線(xiàn)連接起來(lái)了。

安全模塊的輸入采用4/8F-DI，輸出采用4F-DO，在電氣硬件設(shè)計(jì)上安全模塊的本身特性使安全模塊的供電和模塊接線(xiàn)與控制部分相分離，既如果安全模塊和普通模塊電氣設(shè)計(jì)上相互交叉，安全模塊將報(bào)錯(cuò)。在硬件組態(tài)中，也可對(duì)安全模塊的屬性進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)置，例如選擇通道評(píng)估類(lèi)型，兩線(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的誤差時(shí)間，產(chǎn)生誤差后替代值。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)上，PROFIsafe也采用控制軟件與安全通信軟件相分離的方法，來(lái)提高系統(tǒng)的安全等級(jí)。軟件設(shè)計(jì)中所有的安全程序?qū)⑼ㄟ^(guò)一個(gè)屬性為F-CALL的FC塊，完成程序的執(zhí)行。

本系統(tǒng)安全程序參照Siemens安全程序編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用奔馳 IntegraBBDC標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)，采集安全模塊的輸入并進(jìn)行處理，同時(shí)通過(guò)安全模塊的輸出來(lái)控制電機(jī)接觸器的分?jǐn)?。圖6為安全程序基本機(jī)構(gòu)，通過(guò)處理輸入點(diǎn)的FC程序塊，對(duì)急停、限位開(kāi)關(guān)、光幕等安全輸入信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)將處理過(guò)的信號(hào)輸出給處理輸出模塊的FC塊，輸出模塊的FC塊直接輸出控制信號(hào)給DO點(diǎn)，來(lái)控制接觸器動(dòng)作。圖6中，分別采集了兩個(gè)急停的輸入信號(hào)給兩個(gè)FC塊，把FC塊的輸出相與給到輸出模塊的輸入點(diǎn)上，這樣只要有一個(gè)急停被觸發(fā)，輸出模塊就會(huì)動(dòng)作。

圖6. 安全程序基本結(jié)構(gòu)

4. 完成的功能

內(nèi)飾/底盤(pán)控制系統(tǒng)的PROFIsafe實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)30個(gè)急停和30個(gè)保護(hù)開(kāi)關(guān)及光幕的通信監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)控制網(wǎng)絡(luò)與安全網(wǎng)絡(luò)的良好集成，簡(jiǎn)化了控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了安裝成本和工程施工時(shí)間。本系統(tǒng)于2006年6月開(kāi)始投入使用，至今運(yùn)行穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，維護(hù)人員基本不用考慮與安全設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題，就像安全相關(guān)的設(shè)備不在這個(gè)系統(tǒng)中一樣，但實(shí)際上其已經(jīng)集成在了這個(gè)系統(tǒng)中了。由于控制信息和安全信息在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，所以操作員可以通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面就可以觀察現(xiàn)場(chǎng)的所有部件運(yùn)行狀況，這無(wú)論對(duì)生產(chǎn)控制或者避免非安全事件的發(fā)生，都能產(chǎn)生更為有效的反應(yīng)。

在系統(tǒng)的調(diào)試階段碰到的問(wèn)題有兩個(gè)：

（1） 連接到PROFIBUS上的TP270不能接收到CPU傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)

按項(xiàng)目的最初設(shè)計(jì)，TP270應(yīng)該與其他分布式I/O和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備共存于一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，但調(diào)試TP270時(shí)，其卻不能得到CPU416F-2的數(shù)據(jù)。分析原因可能是安全模塊過(guò)多，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)大。解決方案是利用CPU的另一個(gè)PROFIBUS接口建立與TP的連接，完成通信。

（2）位于底盤(pán)2的加注機(jī)給我們的信號(hào)有急停，而且其要求急停信號(hào)可在兩個(gè)回路間切換。實(shí)現(xiàn)加注機(jī)開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，急停都能控制輸送線(xiàn)的運(yùn)行。這里邊存在的問(wèn)題是，安全模塊限制這樣的回路切換，一旦切換就會(huì)報(bào)短路故障。解決方法是在安全模塊的硬件屬性設(shè)置里邊有一項(xiàng)“Short circuit test”設(shè)置，將其默認(rèn)屬性“cyclic”改成“l(fā)ock”，這樣這塊模塊就不具備了短路監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)切換時(shí)也不會(huì)發(fā)生短路故障報(bào)警。但這樣作同時(shí)也降低了系統(tǒng)的安全等級(jí)。

圖7.現(xiàn)場(chǎng)控制柜安全模塊從站

5. 小結(jié)

PROFIsafe自1999年推出以來(lái)，在歐美地區(qū)制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)都取得了良好的業(yè)績(jī)。北京奔馳-戴克汽車(chē)廠PROFIsafe安全通信協(xié)議的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信的集成，節(jié)省了安裝費(fèi)用，沒(méi)有復(fù)雜的反饋接線(xiàn)，安全邏輯通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了靈活性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在中國(guó)的大力發(fā)展，安全總線(xiàn)及其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)利益將倍受關(guān)注，對(duì)于面臨全球化的中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)，使自己的生產(chǎn)系統(tǒng)可進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)價(jià)，也增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，相信不久的將來(lái)，PROFIsafe將在中國(guó)取得更大的發(fā)展。

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