PROFIsafe 总线的汽车焊装生产线安全控制设计

李恒志 高云朋 烟台达源自动化科技有限公司

一、汽车焊装车间柔性自动化生产线网络结构设计

汽车制造厂主要包括冲压车间、焊装车间、涂装车间和总装车间。其中焊装车间生产的是整个汽车零部件的载体——白车身，包括分拼、总拼、四门二盖和装配调整4 个工段，涉及点焊、弧焊、螺柱焊、激光焊、滚边、冲铆、搬运、输送等工艺，由数百个薄板冲压件通过焊接、胶接等工艺方法拼装而成。通俗而言即将各钣金件按要求焊接在一起形成白车身。焊装车间柔性自动化生产线网络结构设计如图1 所示。采用基于可编程控制器（programablelogic controller，PLC）为核心的柔性自动化生产线进行控制，同时使用大批量的工业机器人进行焊接加工。该自动化网络主要由主站安全PLC、PC677 二类主站（含HMI）、焊接系统（含机器人、焊接控制器等工艺设备）、安全系统及现场I/O（包括安全模块、总线阀岛等）等组成。焊装车间根据工位设备数量，以1 个大的工作岛（例如门盖或其他分拼）或大的工位（如主焊Framer）或几个补焊工位为单位，分别由1 台PLC 控制。

二、基于PROFINET，PROFIsafe 总线的PLC 硬件组态设计及硬件选择

1.PLC 硬件组态设计。汽车焊接生产线自动化控制系统采用了西门子的PROFINET及PROFIsafe 总线标准。PROFINET 是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，作为一项战略性的技术创新，PROFINET 打通了实时以太网、运动控制、分布式自动化、工业机器人通信、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点技术，为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案。焊接生产线还重点使用了西门子PROFIsafe 故障安全总线通信技术。PROFIsafe 协议加载在PROFIBUS 或PROFINET 协议层之上，在数据中增加了更多的校验机制，因此可靠性更高。

2.PLC 系统硬件选择及功能描述。与普通PLC 不同，安全PLC 不仅可提供普通PLC 的功能，更可实现安全控制功能。安全PLC 中所有元器件采用的是冗余多样性结构，两个处理器处理时进行交叉检测，每个处理器的处理结果储存在各自内存中，只有处理结果完全一致时才会进行输出，如果处理期间出现任何不一致系统立即停机。

3.硬件组态的注意事项。在实际工程应用中，为确保PLC 项目组态的可靠性，需注意以下问题：（1）为防止项目被非法修改，CPU 属性需设置安全程序及密码。（2）为保证PLC 准确识别设备名称，组态完成后需在线进行设备名称与对应设备的标记（利用MAC 地址的唯一性），且每个安全设备也需分别命名，否则编写安全程序时将无法对应硬件自动生成的DB。（3）为保证实际网络接线和设备端口准确对应，防止网络上其他未经组态的设备接入，需正确完成网络拓扑设计。由于网络上有很多相同的安全设备，需设置SAFE ID，通过SAFE ID 保证PLC 识别安全设备所在位置。（4）为缩小有问题设备的影响范围，在PLC 故障安全模块的钝化方式选择上需采用通道钝化而不采用模块钝化。

图1 焊装车间柔性自动化生产线网络结构示意图

三、基于PROFIsafe 安全总线的汽车焊接生产线安全处理程序设计

在软件方面，安全PLC 提供了相关安全功能块，如急停、安全门、安全光栅等，且均经过认证并加密。程序设计时需调用专用功能块进行相关参数配置，以保证在程序设计时不会因为安全功能上的程序漏洞而导致安全功能丢失。汽车焊接生产线的安全程序设计内容包括：调用安全处理程序（多重实例FB），配置安全总线的参数；根据实际情况调用不同设备的安全处理程序，并按实际情况进行程序编写；根据不同设备的安全处理程序需求，再调用对应的I/O 处理程序并进行程序编写。

1.安全处理程序的调用及安全总线的参数配置。在经典STEP7 软件中，一般在OB1 启动后即调用“F-CALL”，从而实现安全处理程序的调用。最新的TIA 软件则改进为通过配置OB 直接调用（默认为OB123）。在汽车生产线的PLC 工程设计中，需要配置的安全处理程序主要为安全多重实例主程序（FB900/DB900）。重点注意需根据设备响应时间对安全总线的“Cycle time”进行设置，以确保安全总线通信正常，不发生超时报错。另需注意在配置界面可通过输入硬件组态时事先配置好的密码完成安全程序的下载（和普通逻辑程序下载方式不同），且可体现最新的更新时间。

2.主安全块与子安全块的程序结构设计。主安全块用于管理、调用各子安全程序。主安全块一般采用多重实例调用不同的安全子程序。

3.PLC 安全I/O 处理程序设计。PLC 对汽车生产线的安全区域输入信号处理主要包括安全门、扫描光电、隔离门、防护门、分度转台等输入设备的安全DI 信号，并采用专用的SK 块进行信号处理。