安全現場總線技術及在汽車行業的應用

　　一直以來，安全控制技術一直落后于標準的控制技術。為了說明這一點，讓我們回顧一下幾十年來自動化控制系統的發展歷程。30年前，幾乎所有的控制系統都采用繼電器控制方式，但這種方式安裝和維護的成本較高，且重新配置系統比較麻煩，非常不靈活?；谶@些原因，PLC及其他一些比較“智能”的控制技術就逐步取代了繼電器控制方式，因為PLC減少了硬件配置，簡化了安裝和維護過程，且能非常靈活地適應以生產過程為本的控制任務。隨著生產規模的進一補擴大和生產技術的不斷進步，控制系統的復雜性也在不斷增強，新型的開放式現場總線技術的時代來臨了，它不僅能使不同供貨商的設備共存于一個總線系統中，而且還能簡化布線，加快信息在數字網絡上的傳播。但實際上，標準的現場總線系統還不能算是一個完美的總線系統，尤其在“安全控制”方面存在著很大的漏洞。

　　以汽車生產廠為例，尤其是在自動化程度較高的焊裝車間和總裝車間，大量的焊接機器人和裝配機械手的出現，造成了許多需要安全保護的危險區域，所以安全傳感器，如區域保護掃描器、安全光幕、安全鎖、安全地毯、急停開關等的使用已經非常普遍，但現在連接這些安全設備的控制系統仍停留在“安全繼電器”或“安全PLC”的非總線控制系統的低級控制狀態，大大限制了生產過程控制系統的發展。但如果將這些安全設備連接到非安全的現場總線系統(如標準的Profibus、DeviceNet等總線系統)上去，就會存在比較大的安全隱患，是一種非安全的控制狀態。圖1所示的是安全產品的接線方式。

　　圖1 安全產品的接線方式

　　基于這種狀況，世界上幾家比較大的自動化系統公司(如Siemens、Rockwell等)聯合了幾家著名的安全傳感器的生產公司(如SICK、OMRON)，共同合作開發了開放性的、相互兼容的安全總線系統，如AS-Interfacesafety、Profisafe、DeviceNetSafety、interbussafety及Safetybusp等。這些安全總線控制系統大大加快了控制系統前進的步伐。圖2為一個標準的Profisafe總線系統結構圖。

　　圖2 一個標準的Profisafe總線系統結構圖

　　一、安全總線系統的結構

　　安全總線系統和標準總線系統的主要區別在于通信協議的標準不同。安全總線系統的安全是對標準協議的擴展，使得標準及安全裝置可在同一個網絡上運行。其獨特之處就在于安全通信的實現無需諸如網關、網橋等昂貴的硬件設備，僅僅通過軟件層就可實現。圖3所示為安全總線的協議結構。

　　圖3 安全總線的協議結構

　　一個標準的安全總線系統應包括：

　　帶雙CPU的安全PLC;

　　安全總線協議;

　　安全總線接口I/O及安全傳感器。

　　最初，人們普遍認為僅僅通過軟件上的變化來改變總線系統的性質是一種冒險的行為，但恰恰是安全總線系統內部固有的安全協議保證了整個系統的安全性。協議中規定的諸如：數據冗余、交錯互檢等功能保證了數據傳輸的高可靠性及故障診斷的快速及時等特性。

　　安全總線系統不僅能夠單獨使用，還能直接連接到標準的總線系統中去，而無需其他輔助設備。

　　二、安全總線系統的優點

　　性能卓越的傳輸介質，已經過“高噪聲干擾”等惡劣場合的考驗;

　　重合“節點地址”的自動檢查功能;

　　內置的“數據鏈路層”的重審功能;

　　通過配置建立的“優先權”功能;

　　非常低的誤碼率(≤10-7相當于在滿負載運行情況下，150年只允許出現1次錯誤)。

　　安全現場總線現正處于起步階段，Profisafe安全現場總線現已完成協議的制訂，在歐洲已開始產品的推廣和試用，Siemens公司計劃于2004開始在中國進行推廣。DeviceNetSafety安全現場總線現正處于協議的完善階段，較Profisafe會晚一步開始市場推廣工作。

　　三、安全總線系統在汽車行業的應用

　　(1)焊接機器人

　　汽車廠焊接車間中存在著大量的焊接機器人，焊接機器人周圍需要安裝機械式安全圍欄、安全門鎖、激光區域保護掃描器及急停開關等安全保護設備。這些安全保護設備通過“安全總線接口”連接到安全總線系統中去(如圖4所示)。

　　圖4 安全總線在焊接車間的應用

　　(2)全自動沖壓機

　　在全自動沖壓機的工作區域，通常會安裝機械式安全圍欄、安全門鎖、帶屏蔽傳感器的安全進出入口安全光柵及急停開關等安全傳感器。這些安全保護設備通過“安全總線接口”連接到安全總線系統中去(如圖5所示)。

　　圖5 安全總線在沖壓生產中的應用