GuardLogix PLC及Safety IO在N300焊装线电控系统中的应用

王东生，牛毅峰，潘 涛

（上汽通用五菱汽车股份有限公司控制系统科，广西 柳州 545007）

在SGMW N1和N200车型焊装生产线中，电控系统起到举足轻重的作用，比手动生产线，如西部车身五菱之光手动线，有很多的优势。工人操作方便，劳动强度大大降低，节拍可以提升到40JPH；故障容易查找，故障率低等。

1 焊装线电控系统取代前后的对比

1.1 原系统的不足

在N1和N200焊装线的电控系统中，主控PLC采用RockWell公司ControlLogix，安全系统采用传统的安全继电器，把急停、光栅、安全地毯等安全设备，通过硬接线的方式串联到一起，形成整个系统的安全回路。但其有以下不足之处：

（1）对安全控制回路中出现的短路和断路无法检测。当安全回路中出现短路和断路时，不能及时的显示故障，需要对每个工位进行排查，给维修人员检修带来很多不便；

（2）采用普通的安全继电器比如Pilz系列组成安全回路，不能进行编程控制，需要手工搭接安全回路，安全互锁导致硬件接线复杂繁琐，体积庞大，不利于维修人员进行维修；

（3）通过硬接线方式组成的安全回路，使系统故障点增加，不方便维修人员快速查找故障，增加故障处理时间。

1.2 新方案的优点

为了弥补N1、N200焊装线电控系统中的不足，尽可能地降低系统的故障率，减少停线时间，方便维修人员快速查找故障，迅速解决故障，提高生产线的运行效率。在N300焊装线电控系统的设计中，主控PLC采用RockWel公司的GuardLogix L62S，取代传统的ControlLogix；安全模块采用RockWell公司的Safety IO模块，取代传统Pilz系列的安全继电器。该设计尚属国内首家采用此方案。其具有以下优点：

（1）能够检测安全控制回路中出现的短路和断路，及时显示故障，无需对每个工位进行排查，方便维修人员快速的排除故障，快速响应，减少停线时间；

（2）采用PLC Guardlogix＋Safety IO组合取代PLC（CompactLogix或ControlLogix）＋继电器（安全继电器）组合控制，安全信号通过总线电缆直接和PLC通讯，去除了复杂的安全硬接线；

（3）采用Rockwell公司推出的Safety IO取代传统的安全继电器比如Pilz系列。故障点减少，接线方便，降低维修难度，便于维修。

2 N300焊装线电控系统控制架构

在N300焊装线电控系统控制架构中，如下图1所示，主控PLCGuardLogix通过安全总线和SafetyIO模块相连，SaftyIO模块和工位的急停、安全光栅、安全地毯等安全设备直接相连，这样每个工位的安全设备通过安全总线的方式，和PLC通讯。

取代传统的硬接线的方式，把每个工位的急停、安全光栅、安全地毯等安全设备，通过硬接线串联在一起，形成安全控制回路。

图1 N300焊装线电控系统控制架构

3 主控PLC GuardLogix

GuardLogix安全控制器，综合了LOGIX平台的灵活性和高性能，以及集成安全控制特性来提供行业针对安全控制应用的保护的最高等级（安全集成等级3 SIL 3）。在控制器机架内使用两个槽位，红色外壳很容易识别，如下图2所示。控制器模块执行标准控制和安全控制程序——一些特殊的安全任务，包括TUV认证的安全指令、数据、逻辑和访问保护都被用于这些功能。

对各种设备进行安全控制，并能方便的安装在Control-Logix机架内，共用一个电源、I/O、通讯模块和网络。所有的安全设备，例如急停、安全光栅和安全地毯等通过使用DeviceNet Safety I/O的单一通讯电缆，来控制和监视安全回路，并检查I/O及工厂配线层面错误。

图2 GuardLogix安全控制器

通过双处理器架构，使用一个主安全处理器和一个配对安全处理器。这种系统类型的好处之一，是它仍然是一个单一项目。配对安全处理器是系统的一部分，自动配置，不用设置、配置或者下载到需要的配对安全处理器。通过方便的开发调试环境，在安全应用开发期间，可以有多个用户编辑该项目，由于允许进行在线编辑和强制。因此其开发过程类似于标准应用开发过程。一旦项目通过测试，并准备最后确认，用户要将该安全任务设置为SIL3安全级别，然后由GuardLogix控制器强制执行。安全内存被锁定并被保护，安全逻辑不能被修改。一旦安全被锁定到SIL3状态，GuardLogix的标准则操作起来就一个普通的Logix。

另一个关键的时间优势是，由于安全被集成，安全内存能被标准逻辑和外部设备（如HMIS或者其他控制器）读取，不需要花费时间从一个指定的安全设备设立或者读取安全数据。从而使系统范围内的集成变得更加容易，而且能够在显示器或者选取框上方便地显示安全状态。

GuardLogix使用罗克韦尔RSLogix 5000编程软件，与所有Logix可编程自动化控制器使用的是同一种编程软件，为程序员提供了熟悉易用的编程环境。同样RSLogix 5000可以对安全内存进行管理，所以使用者无需手工管理标准以及安全内存的分区工作，也不用单独采用逻辑分区而隔离安全数据。

3.1 安全集成等级

安全集成等级，即Safety Integrity Levels，简称SIL。根据在使用的安全设备每小时发生危险的可能性（PFH），Probability of Dangerous Failure per Hour used for Machinery Safety（Continuous），对安全集成等级进行划分。可以划分为4个等级，如下表1。

GuardLogix PLC安全集成等级为SIL3，ControlLogix的安全集成等级为SIL2，如下图3所示。

图3 GuardLogix安全集成等级

表1 安全集成等级划分

3.2 Guard Logix PLC结构

GuardLogix控制器由两部分组成，一个是主控制器，型号为1756-L61S或1756-L62S；另一个是安全伴侣，型号为1756-LSP，如图4所示。在1oo2的结构下，两个模块组合，产生一个安全、高效的控制器，安全集成等级达到SIL3。

图4 1756-L61S或1756-L62S和1756-LSP

3.2.1 主控制器Primary Controller

主控制器和安全伴侣对安全回路中所有的安全元器件在上电和运行过程中，进行功能诊断测试。其状态通过LED指示灯显示出来，如下表2、表3所示。

表2 GuardLogix控制器LED状态指示

表3 GuardLogix控制器LED状态指示

主控制器负责执行标准和安全控制任务功能，以及涉及到安全功能时，和安全伴侣进行信息交换。它包含主处理器、I/O界面和存储卡等3部分。

标准的功能包括：

（1）I/O控制；

（2）逻辑；

（3）定时；

（4）计算；

（5）报表；

（6）通信；

（7）算法计算；

（8）数据归档处理。

主控制器包括两种型号，1756-L61S和1756-L62S，安全任务内存容量一样，都为1M；标准任务内存容量不一样，1756-L61S标准任务内存容量为2M，1756-L61S标准任务内存容量为4M，如表4。

表4 1756-L61S和1756-L62S内存容量区别

在主控制器上有指示3个位置的选择开关，控制着主控制器3个不同操作模式，和ControlLogixPLC一样。

RUN—运行模式，在此模式下，不能进行编程；

PROGRAM—编程模式，在此模式下，可以进行编程，但不能运行；

REMOTE—程序使能模式，在此模式下，既可以编程，也可以运行。

3.2.2 安全伴侣Safety Partner

为满足SIL3要求，安全伴侣必须安装在紧邻主控制器右边的槽里面，在系统中，为安全任务提供冗余功能。

安全伴侣没有指示3个位置的选择开关和RS232通讯接口，主控制器对其进行配置和控制其运行模式。

3.3 GuardLogix主控制器编程工具

GuardLogix主控制器编程工具为 14版或者 16版的RSLogix5000软件，15版的RSLogix5000不支持安全集成等级3（SIL3）。在安全任务下的程序，和标准任务一样，只支持梯形图逻辑。

3.3.1 编程环境

在RSLogix5000软件中创建一个工程，和Controllogix创建的工程步骤一样，选择控制器要选择GuardLogix控制器，1756-L61S ControlLogix 5561S Controller或者1756-L62S ControlLogix 5562S Controller；选择固件版本要选择14版或者16版，其他的和ControlLogix一样，比如为工程命名、选择机架等，软件将自动产生一个标准任务和安全任务。

GuardLogix主控制器编程环境，在控制器状态增加Safety Unlocked；安全指令增加安全部分；在主任务中，增加Safety Task；安全编辑屏幕中增加安全水印，如图5所示。

在Safety Task中，MainRoutine也自动产生。在文件夹图标下方的红色条，是为了把安全程序和标准程序区分出来。

在Main Task中，Program Tags、MainRoutine和ControlLogix一样。

3.3.2 安全任务

安全任务是周期任务，标准任务是连续的任务，如上图5所示。

（1）扫描开始读入值，扫描期间不改变，安全逻辑执行已冻结安全输入数据；

（2）安全任务在主控制器和安全伴侣两个控制器中同时之前，两个控制器交叉检查安全任务的结果；

（3）当扫描结束后，把结果写给输出。

3.3.3 Safety Tags和Standard Tags

（1）Standard Tags使用和逻辑结构，和 ControlLogix的一样；

（2）标准设备，如HMI、控制器、工控机等能直接读取安全标签；

（3）全局变量的安全标签在普通任务中，可以被直接调用，无需映射；

（4）普通标签在安全任务中，不能被直接调用，需要进行映射且用数组的形式。如图6所示。

图6 GuardLogix数据调用规则

3.3.4 GuardLogix安全指令

GuardLogix安全指令有7种，提供14种功能。分别是ESTOP、DIN、RIN、ROUT、LC、ENPEN、FPMS。其中，在焊装线最常用的是ESTOP（急停）和LC（安全光栅），如图7、图8所示。

图7急停指令

图8安全光栅指令

4 Safety IO模块

SafetyIO模块和GuardLogixPLC配合使用，通过DeviceNet Safety安全总线进行通讯。RockWell公司推出种SafteyIO（如表5 所 示 ），分 别 是 1732DS-IB8，1732DS-IB8XOBV4，1791DS-IB12，1791DS-IB8XOB8，1791DS-IB4XOW4，1791DSIB8XOB4，其中1732DS-IB8、1732DS-IB8XOBV4的防护等级为IP67，后面4种防护等级为IP20。在车身焊装线电控系统中，最常用的是1791DS-IB12、1791DS-IB8XOB8，如图9所示。

表5 Safety IO模块

图9 1791DS-IB8XOB8

4.1 SafetyInputs安全输入

T0、T1、T2、T3是脉冲测试端，输出电压为24V的测试脉冲，T3端能检测外部线路断路故障。当外部线路通的时候，测试脉冲发出测试信号来检测内部线路。使用这个功能，当输入和电源端发生短路、两个电源端发生短路或者某一输入断路时，可被检测出来。如果检测到错误，安全输出信号数据及其状态将会被关闭，如图10所示。

图10 安全输入脉冲检测原理图

4.2 Safety Outputs安全输出

安全输出伴随着脉冲输出，当输出为ON时，测试脉冲在每个648ms中关闭470μs。使用这个功能，当输出信号例如电源正端和输出信号之间短路时、两输出短路或者某一输出断路时，可以被检测出来，如果检测到错误，安全输出信号数据及其状态将会被关闭。

4.3 RSLogix 5000中的Safety IO模块

标准DNB模块支持DeviceNet Safety，安全模块直接出现在IO配置中，对连接、安全、输入、输出、脉冲测试端进行相应的配置，如图11、图12所示。

图11 RSLogix 5000中的Safety IO

图12 安全模块的配置

5 DeviceNet Safety安全总线

GuardLogix PLC和Safety IO模块通过DeviceNet Safety安全总线进行通讯，如图13所示。急停、安全光栅等安全信号，直接接入Safety IO模块。安全总线不同于普通总线，安全信息确保到达功能和信息到达之后，进行反复校对功能，确保数据的准确性；安全总线的优先级高于普通总线，安全数据不受到普通总线中信息交换的影响。

图13 DeviceNet Safety示意图

6 结束语

在N300焊装线电控系统的设计中，主控PLC采用Rock-Well公司GuardLogix1756-L62S，Partner能够实时监控网络，自动检测安全回路中的断路和短路。一旦网络有异常，PLC就会停止运行，使系统运行更加安全可靠；安全IO采用1791DS-IB12和1791DS-IB8XOB8，通过DeviceNet Safety和PLC进行通讯，取代传统的通过安全继电器硬接线的方式，使安装接线简单，故障点大大减少，维护方便。

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