車身生產(chǎn)線自動化標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展
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（上海大眾汽車有限公司，上海201805）
摘要：車身生產(chǎn)線設(shè)計復(fù)雜、關(guān)聯(lián)因素眾多，從安全等級和系統(tǒng)總線的角度闡述了自動化系統(tǒng)設(shè)計原則。之后通過三個生產(chǎn)線的控制方案分析和工程實踐從軟硬件標(biāo)準(zhǔn)變化的角度闡述從基于Interbus總線系統(tǒng)到基于ProfineU Ptofisafe總線系統(tǒng)的諸多有益變化。工程實踐表明，新標(biāo)準(zhǔn)極大地減少了硬件設(shè)計和布線的工作強度，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要求。
關(guān)鍵詞：車身生產(chǎn)線 自動化系統(tǒng)設(shè)計Interbus ProfineUProfisafe 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，自動生產(chǎn)線一般包括輸送系統(tǒng)、夾具定位系統(tǒng)、工業(yè)機器人及工藝設(shè)備等。生產(chǎn)線的設(shè)計需首先考慮其應(yīng)遵循的安全等級和控制系統(tǒng)總線形式，在確定安全等級和控制系統(tǒng)總線形式后，根據(jù)選用的產(chǎn)品系列和實際應(yīng)用需求設(shè)計生產(chǎn)線軟硬件標(biāo)準(zhǔn)。
1 車身生產(chǎn)線設(shè)計
1.1 車身生產(chǎn)線實例概述
如圖1所示，其為車身焊接生產(chǎn)線的一個工位，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。Station A包括10臺機器人及一套外部軸、滾床、底部夾具等。
車身首先從升降機輸送到Station A，滾床下降到位，上件機器人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，其他機器人開始焊接。機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。
1.2車身生產(chǎn)線設(shè)計思路
由于PLC對數(shù)據(jù)處理按運算周期批量刷新輸出的特點，現(xiàn)場設(shè)備正常響應(yīng)與在非正常情況下的停止時間與掃描周期有密切的關(guān)系，整車廠需對其有明確的要求，以便評估安全風(fēng)險。而運算周期與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。
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)備開動率，還需要將一個工作組精確劃分為多個保護(hù)回路和啟動組，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)計也是整車廠評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
安全等級的確定和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的選擇需綜合考慮當(dāng)時的國際標(biāo)準(zhǔn)和自動化產(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、靈活性及對現(xiàn)場多芯線纜連接的簡化對減少工程量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性起到了有益作用，以主站為起點，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)擴展端子BK擴展，支持對多16層樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
Interbus總線協(xié)議不具有安全信號的傳輸和診斷功能，因此涉及到安全輸入輸出信號必須有符合安全等級的設(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中安全等級達(dá)到4級。這樣現(xiàn)場普通信號如傳感器、驅(qū)動設(shè)備、機器人等通過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，輸出安全信號并傳遞到PLC。
如圖3所示，現(xiàn)場信號主要通過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、機器人及其他帶安全信號的工藝設(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�，F(xiàn)場選用的其他設(shè)備必須滿足Interbus總線接口，如機器人、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)場總線系統(tǒng)的重要性。
2.2系統(tǒng)設(shè)計實例
Pilz安全繼電器是由數(shù)個繼電器與安全設(shè)計電路組合，以互補各通道的異常缺陷，在觸點粘連、短路等故障下，保證繼電器不會誤動作，可靠性遠(yuǎn)高于一般繼電器。此種安全繼電器一般也會設(shè)計多種類型，以滿足不同設(shè)計和機械安全等級的需要，最終保護(hù)暴露于不同危險情況下的操作人員的人身安全。
如圖4所示，1SG1、1SG2、1SG3分別代表三個維修門的安全插銷信號，當(dāng)安全門打開時，工位內(nèi)的所有自動設(shè)備必須停止運行。1KG36是該安全回路的總的安金繼電器，此處選擇Pilz的Xl0. 11P，該產(chǎn)品設(shè)計適用于連接急停、安全門、光柵等。1KG36閉合條件是三個安全門關(guān)閉，S11- S12回路閉合，同時操作人員觸發(fā)復(fù)位繼電器1K50，1K50得電后13、14觸點吸合，1KG36的S33、S34復(fù)位回路閉合，安全繼電器1KG36重新復(fù)位滿足工位啟動條件。此時接通繼電器1KG36b和1KG36c，它們的兩對觸點吸合接入到1KG36的反饋回路Y1 Y2上。
1KG36安全繼電器所帶的6個安全常開(N/O)觸點和4個輔助( N/C)觸點將用于連接／切斷自動設(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。
在掃描器1A13和1A14不被觸發(fā)時，工人拍下復(fù)位按鈕，1K50吸合兩個掃描器復(fù)位，在掃描器被觸碰時雙通道激活1KA13/1，1KA13/2得電，1K50斷開。繼電器1KA13的觸點將串入相應(yīng)的保護(hù)回路，以保證在人員闖入時，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)場總線技術(shù)Profinet。同年，在紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽會上，奧迪(Audi)、寶馬(BMW)、戴梅勒一克萊斯勒( 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)Ptofinet做為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的首選，其聯(lián)盟AIDA(automatisierungs - initiative deutscherautomobilhersteller)同時認(rèn)為可以通過開放的通信標(biāo)準(zhǔn)減少生產(chǎn)制造、啟動和運營成本，以消除之前現(xiàn)場總線混戰(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)保持開放式實時通信，并通過開放式的對象模型實現(xiàn)與其他現(xiàn)場總線的兼容性和分布式自動化控制,Profisafe也實現(xiàn)了AIDA之前的“條件”，即安全信號與原有總線實現(xiàn)“一線傳輸”。Profinet可以實現(xiàn)從管理層、控制層到現(xiàn)場設(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)有機地融為一體，這將有利于制造企業(yè)對系統(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)分布式自動化現(xiàn)場總線如Probfibus、Interbus的應(yīng)用受到很多限制。Profisafe標(biāo)準(zhǔn)及安全相關(guān)的應(yīng)用可通過簡單工具和已經(jīng)認(rèn)證的功能塊實現(xiàn)編程。在安全相關(guān)應(yīng)用方面，按照IEC 61508/IEC62061可達(dá)到SIL3；按照EN954 -1可達(dá)到安全類別
4；按照IS0 13849 -1可達(dá)到PL e。
Profisafe的主要特點如下。
①安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信可以在同一根電纜上共存；②Profisafe故障安全建立在單信道系統(tǒng)上，不通過冗余電纜來實現(xiàn)；③故障安全措施封閉在終端模塊中(F - Master，F(xiàn)- 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SIL3( IEC61508)。
Profisafe以標(biāo)準(zhǔn)總線通信部件：電纜、芯片、基本軟件包（層棧）、Proflnet I/O主站和Profinet l/0從站等為基礎(chǔ)，根據(jù)IEC 61508可以建立與報文長度相關(guān)的CRC多項式，以保證未經(jīng)發(fā)現(xiàn)的錯誤報文殘留錯誤率達(dá)到所要求的數(shù)量級。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等級在分布式故障安全自動化方案的生命期內(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的所有特點符合整車廠對于安全等級和現(xiàn)場總線的一切要求，Profinet/Profisafe也成為當(dāng)今最為主流的現(xiàn)場總線形式之一。
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/Proflsafe和Interbus總線的電氣標(biāo)準(zhǔn)。由于當(dāng)時國際安全標(biāo)準(zhǔn)同時處于過渡期，車身生產(chǎn)線需滿足EN954 Cat.3/IS013849 PL d的安全等級。
考慮到之前Interbus的使用情況和現(xiàn)場大部分電氣設(shè)備的總線支持情況，我們利用Profinet兼容其他總線的特點對網(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)場保留原有的Interbus總線方案，并將總線速率升級為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，從而實現(xiàn)從Profinet到Interbus的現(xiàn)場控制，如圖6所示。
該標(biāo)準(zhǔn)的另—個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)。使用軟件實現(xiàn)安全功能符合工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢，提高了設(shè)備的擴展性和再利用性，降低了圖紙設(shè)計和安裝調(diào)試的時間。
故障安全模塊在內(nèi)部設(shè)計為雙通道，兩個集成處理器相互監(jiān)視，并自動測試輸入輸出電路。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，而安全PLC的輸入通常接傳感器的常閉接點，用于提高輸入信號的快速性和可靠性。
3.3系統(tǒng)設(shè)計實例
下面對老的Interbus標(biāo)準(zhǔn)各設(shè)計實例在新標(biāo)準(zhǔn)中的變化做一一介紹和比對。
圖7中將一個維修門SG1的安全開關(guān)的雙通道安全信號直接接人到Siemens安全I(xiàn)/O模塊上。三個門的安全信號在PLC程序中串聯(lián)到一起，如圖8所示，外部復(fù)位信號轉(zhuǎn)化為llFrgK36_F，輸出#FM_11K36將在后面做為安全條件使用。要強調(diào)的是該FB塊是經(jīng)權(quán)威三方認(rèn)證的具有SIL3等級的安全模塊。
激光掃面器的電路設(shè)計同樣得到了簡化，一個雙通道的安全I(xiàn)/O模塊替代了原有的Pilz安全繼電器，如圖9所示。
與老標(biāo)準(zhǔn)相比，PLC程序中還是使用了081，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，最終實現(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ProfineU Profsafe+Interbus的控制方案已經(jīng)極大地簡化了Interbus方案中的復(fù)雜硬件設(shè)計，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)場層、控制層與上層通用系統(tǒng)平臺無縫連接，更靈活、全面地監(jiān)控與診斷現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，柜內(nèi)與現(xiàn)場一體化的總線形式勢在必行。
Profinet支持實時通信的特點為更精確的現(xiàn)場控制提供了可能。Profinet支持TCP/IP、RT（實時通人信）、IRT(同步實時通信)三種通信方式，根據(jù)實際應(yīng)用的需要，不同的信息在不同等級傳輸速度的協(xié)議上傳輸。TCP/IP是IT領(lǐng)域關(guān)于通信協(xié)議方面事實上的標(biāo)準(zhǔn)，盡管其響應(yīng)時間大概在100 ms的量級，對于信息統(tǒng)計與顯示這個響應(yīng)時間已經(jīng)足夠。RT通信對于傳感器和執(zhí)行器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求更為嚴(yán)格，大概需要5 ~10 ms的響應(yīng)時間。Profinet提供了一個優(yōu)化的、基于以太網(wǎng)第二層的實時通信通道，通過該實時通道，極大地減少了數(shù)據(jù)在通信棧中的處理時間，因此，Proflnet獲得了等同、甚至超過傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的實時性能。IRT通信應(yīng)用于對通信實時性要求最高的是運動控制，Profinet的同步實時技術(shù)可以滿足運動控制的高速通信需求，在100個節(jié)點下，其響應(yīng)時間要小于1ms，抖動誤差要小于1μs。
從2013年開始，上海大眾在新建工廠中大量使用了一體化的ProfineU 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。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，和目前自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，選用了大量支持Profinet總線的自動化設(shè)備品牌實現(xiàn)從柜內(nèi)到現(xiàn)場的一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中各種設(shè)備的通信等級的設(shè)計由于篇幅有限在此不再詳述。
4.2系統(tǒng)設(shè)計實例
與之前的標(biāo)準(zhǔn)相比，此方案的變化更多的在于現(xiàn)場工藝設(shè)備實現(xiàn)了Profinet網(wǎng)絡(luò)通信，比較上一節(jié)的設(shè)計實倒，激光掃描器由于使用了Profmet/Profisafe接口，接線得到了進(jìn)一步簡化。
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。
由于現(xiàn)場使用了Profinet總線，分布式控制的理念進(jìn)一步得到發(fā)展，簡化硬件線、就近維修的方式大大提高了生產(chǎn)線的開動率。
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)展的三個階段，從老的Interbus總線標(biāo)準(zhǔn)到最新的Profmet總線標(biāo)準(zhǔn)，控制方案的改變大幅降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度，減少了生產(chǎn)線設(shè)計的工作量和改造時間，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，通過提高開動率更多地為企業(yè)創(chuàng)造了價值。
生產(chǎn)線控制方案的發(fā)展與工業(yè)自動化發(fā)展密不可分，如何依托最新的技術(shù)發(fā)展設(shè)計適合于企業(yè)自身需求的控制方案，如何從跟隨趨勢到引領(lǐng)潮流值得制造行業(yè)同仁深思。
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