采用PLC集成故障安全系统的汽车总装车间ANDON系统研究

胥红光，姚文

0 引言

汽车生产行业作为一个典型的制造行业，涉及的技术范围之广，需要的技术水平之高，这就要求该行业对于生产的管理更加的精细，对于产品质量的要求更高，所需要的自动化水平更加成熟，对生产过程的安全性更加的注重。于是在汽车生产行业孕育了较多的成熟生产管理标准。另外，如今通过技术的改进生产的效率提高了，但最近生产事故频发让我们不得不更加重视安全生产。由于在汽车制造车间机器设备的广泛运用，需要更加要注重安全生产，保证现场工作人员的安全。

Andon系统就可以作为一个最为典型和成功的生产标准。根据项目要求本文设计制作一套具有高度可塑性车辆自动装配流水线的监控干涉的 ANDON系统，监控系统对总装车间地面输送线和最终装配线以及空中输送线进行实时监控。具体包括地面输送线和空中输送线的动态模拟显示，运行报警记录、运行报警显示、可干预必要参数设置，地面每条线的生产日完成量、整车的日完成量、整车的月完成量和年完成量。在原来的 ANDON系统技术的基础上，生产控制系统应该更加注重实现对生产现场的安全控制，避免对人员的严重伤害。故障安全(Failsafe)系统是指系统控制过程中立即关闭过程不会对人员或环境造成危害，此系统运用在ANDON系统上能在一定程度上克服了控制现场的安全问题。在本文的设计中，以传统的 ANDON系统为基础，控制系统集成了故障安全系统，完成对现有技术的改进。

1 ANDON 系统的简介

ANDON系统起源于日本，也称为“安灯”，最早由汽车生产商丰田公司提出。本着“建立立即暂停制度以解决问题，从一开始就重视品质管理的文化”的生产准则，丰田公司提出了专门应用于汽车生产行业的 ANDON系统。ANDON系统的功能主要包含质量控制、物料需求和生产信息管理。质量控制保证了汽车生产线上的任一工位发生质量问题会得到立即的解决，当看板上显示某一工位发生请求时，相关人员立即前往解决相关请求；该系统能根据生产要求检查物料供应情况与呼叫物料管理人员，避免因物料短缺影响生产线的正常运行，确保生产线流畅的进行；该系统还能进行时间控制管理和统计生产线的各种生产设备信息，通过这些统计的信息了解当前生产状况，分析故障产生的原因，以便改进生产工艺，减少故障产生。在系统运行期间，可动态模拟观察到每条自动化生产线上车辆进出的状态和数量，使得整个系统在完全自动并且时刻监控的状态下按照预先设想的要求运行。要求系统具有故障显示功能，能够保存相应关键信息以及运行的实时数据，在系统恢复运行后能够自动恢复各类关键数据并继续运行。由于能够提高生产效率和产品质量，ANDON系统已经广泛应用于其他的制造领域，例如钢铁厂，电子厂和服装厂等行业。

2 集成了集成故障安全系统的ANDON系统监控设备和工艺流程

ANDON系统的监控示意图，如图1所示：

图1 系统配置示意图

该系统控制的总装车间工艺包括内饰线监控子系统、底盘线子系统、车身线子系统和最终装配线子系统。内饰线子系统由两条输送线组成，实现每条输送线18个工位急停显示；底盘线子系统由两条输送线组成，实现底盘一线10个工位和底盘二线6个工位急停显示；车身线子系统由3条输送线组成；最终总装配子系统实现对16个工位急停显示。为了满足系统故障安全设计的需要，每条生产线为一个控制区域，控制系统由八套西门子S7-315F PLC控制，该类型的PLC能满足故障安全生产的需要，安全性能满足 SIL3，非常适用于汽车制造行业。LED信息显示屏实时显示当日完成产量、车型、请求维修的工位和其他相关的生产信息等。

控制室内核心是上位机，上位机通过工业以太网与下位机通讯，实现生产线现场的数据采集、参数调节和各类信号报警，实时监视设备运行情况。上位机采用的是Wincc组态软件，具有监控生产过程的强大功能。Wincc是西门子开发的监控组态软件，它更能强大不仅有监控和数据采集功能，而且有组态和开发功能[1]。Wincc集成了SQL Server 2005有强大的数据库处理功能和报表功能，使系统具有能记忆报警功能和各类生产故障的次数功能，报表系统可以实现对生产线的设备故障时间、设备维修时间和设备的故障类型进行统计并可打印，以便于分析故障原因等，进而改进生产方式，提高生产效率。

3 控制系统分析

控制系统以内饰一线子系统为例介绍集成了故障安全系统的 ANDON系统控制。该子系统控制器由一个 CPU 315F为主站和20个分布式I/O ET200S为从站组成，主站和从站之间网络通讯是由采用了集成了 PROFIsafe协议的PROFIBUS网络连接实现的，如图2所示：

图2 内饰一线控制系统图

PROFIsafe是在标准的PROFIBUS上实现主从站之间安全通信的技术规范，它的问世使得拥有安全技术解决方案的PROFIBUS成为唯一能够满足制造业和过程工控的安全通信的要求现场总线。区别于 PROFIBUS的是，PROFIsafe采用的判断基本错误的方法是SIL监视器法，而前者采用的是帧校验序列和奇偶校验方法[2]。PROFIsafe主要特征表现在安全通信和标准通信在同一根电缆上实现，安全特性达到了 SIL3，既可用于过程自动化，也可用于制造业自动化。现在可以采用集成了PROFIsafe协议的PROFIBUS总线已经用于汽车总装车间总线系统了。

CPU 315F是SIMATIC S7-300中具有安全控制功能的CPU,支持建立一个故障安全自动化系统，采用 PROFIsafe规范，通过PROFIBUS DP接口进行连接。所以在本次设计中控制器选择CPU 315F，满足控制汽车总装车间的安全生产的需要。

ET200S是一款防护等级为IP20，具有丰富的信号模块的分布式I/O系统。ET200S的使用确保现场信息的安全处理，具有安全处理所需的所有的硬件和软件组件，符合要求的安全等级。在该系统中接口模块采用了IM151-1 HF，该型号能满足 ET200S和支持 PROFIsafe安全协议的PROFIBUS连接通讯。

分布式I/O ET200S的输入通过MPI总线与现场的按钮盒连接，按钮盒内有控制急停、物料，设备和质量等呼叫按钮，现场人员通过按钮请求帮助；ET200S输出与报警灯塔和扬声器也通过 MPI连接，指示当前工位的状态和呼叫帮助请求。

内饰一线的动态模拟画面，如图3所示：

图3 内饰一线动态模拟画面

每一个工位都有3个报警信号按钮，这3个信号分别显示着该工位的动作：需进料，需维修，急停，急停信号连接故障安全输入输出模块，其他的信号连接标准模块。通过采集现场按钮信号，可以了解现阶段该工位生产状态，这些状态信息会在上位监控系统中显示，并实时的会在显示屏上显示，以便相关的人员立即前往现场解决问题，这样可以减少停线时间，提高生产效率。同时，当急停按钮动作时，由于急停信号通过故障安全模块连接至 CPU，这样就只会对相应的生产过程停线，而不会对整个生产线构成影响，从而达到了故障安全控制。

4 ANDON控制系统的设计

根据控制工艺的要求，ANDON系统要完成对汽车总装线现场的故障安全控制和监控，系统的设计包括上位机的设计和下位机的设计，下面就分别将这两部分进行设计。

4.1 下位机的设计

下位机的每个控制子系统主要包含主站 S7-315F和从站 ET200S,下位机的设计要完成故障安全系统的编程和组态，与普通的PLC系统有所不同，故障安全系统的硬件组态和程序结构有自己的特点。故障安全系统的组态和编程分五个步骤[3]：（1）硬件组态（2）建立程序结构，插入 F-FB/F-FC（3）创建 failsafe runtime group（4）在OB35中调用F-CALL（5）编译并下载 Failsafe程序。该系统需要硬件组态主站F-CPU和从站 F-I/O,本次设计中应用的 F-CPU是 CPU 315F-2，F-I/O是分布式I/O ET200S。硬件组态可以用Step7完成，ET200S输入采用4/8 F-DI,输出采用4 F-DO，如图4所示：

图4 故障安全系统硬件配置示意图

F-CPU 的组态需要配置密码保护。

硬件配置完成后，需要进行安全程序的编写，一个安全程序结构有一个或者两个F运行组组成。首先先建立安全的F-CALL,即一个特殊的 FC，用来调用故障安全程序，软件设计中所有的安全程序将通过该FC块完成程序的执行。然后插入 F-FB,FB100是主安全程序包含所有安全信息和逻辑，在FB100中编写故障急停程序。在OB35中调用F-CALL,实现对故障安全程序的调用。

4.2 上位机的设计

根据ANDON系统的监控要求，上位机应用Wincc开发，监控界面实时反应当前生产线的运行动态模拟情况，包括工艺流程、实时数据、故障报警、数据统计报表等，设计的监控系统实现了对内饰线、车身线、总装线和底盘线的实时监控，画面监控系统的结构，如图5所示：

图5 ANDON监控画面结构图

上位机安装 step7编程软件，可以建立 wincc和 step7动态连接，同时两者的通信通过simatic s7 protocol suite 协议通道实现。在wincc中建立变量标签要和step7中的变量地址要一致。组态系统主画面，如图6所示：

图6 ANDON监控系统主画面

由主画面可自由切换到各个分生产线的画面，各个分生产线可以实时显示每个工位的生产状况，内饰一线的监控画面，如图7所示：

图7 内饰一线画面

该画面显示了15个工位的生产信息，当内饰一线现场的报警信号动作时，对应的信号信息会显示在该画面，指示相应的人员到现场解决该工位的问题，问题解决后现场的报警解除。

5 结束语

本文介绍了基于 PLC集成故障安全控制安全系统的ANDON系统，在硬件上采用了西门子的故障安全自动化系统，控制器西门子PLC配置了含有安全功能的CPU 315F，系统从站使用的ET200S,现场总线则是采用集成PROFIsafe协议的 PROFIBUS组网，这些设计都满足了故障安全控制的需要。上位机采用wincc能很好的现场的监控作用。本文设计的ANDON系统满足了现代汽车总装生产线提高效率、扩大产能的要求，更加注重了安全生产的重要性。随着技术提高和政策的要求，故障安全控制会在现代制造业里发挥更加突出的作用。

[1]甄立东.西门子WinCC V7基础与应用[M].机械工业出版社，2011.

[2]吴成岩.PROFIsafe安全总线协议的研究分析[D],北京交通大学，2006.

[3]李佳.通向机器安全之路—西门子安全系统的实现（下）[J].仪器仪表标准化与计量，2011（6）:21～24.