安全總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢及在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

一直以來，安全控制技術(shù)一直落后于標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù)。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(tǒng)的發(fā)展歷程。30年前，幾乎所有的控制系統(tǒng)都采用繼電器控制方式，但這種方式安裝和維護(hù)的成本較高，且重新配置系統(tǒng)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(shù)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(hù)過程，且能非常靈活地適應(yīng)以生產(chǎn)過程為本的控制任務(wù)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的進(jìn)一補擴大和生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性也在不斷增強，新型的開放式現(xiàn)場總線技術(shù)的時代來臨了，它不僅能使不同供貨商的設(shè)備共存于一個總線系統(tǒng)中，而且還能簡化布線，加快信息在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)上的傳播。但實際上，標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)還不能算是一個完美的總線系統(tǒng)，尤其在“安全控制”方面存在著很大的漏洞。

以汽車生產(chǎn)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(xiàn)，造成了許多需要安全保護(hù)的危險區(qū)域，所以安全傳感器，如區(qū)域保護(hù)掃描器、安全光幕、安全鎖、安全地毯、急停開關(guān)等的使用已經(jīng)非常普遍，但現(xiàn)在連接這些安全設(shè)備的控制系統(tǒng)仍停留在“安全繼電器”或“安全PLC”的非總線控制系統(tǒng)的低級控制狀態(tài)，大大限制了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展。但如果將這些安全設(shè)備連接到非安全的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（如標(biāo)準(zhǔn)的Profibus、DeviceNet等總線系統(tǒng)）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(tài)。圖1所示的是安全產(chǎn)品的接線方式。

圖1 安全產(chǎn)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(tǒng)公司（如Siemens、Rockwell等）聯(lián)合了幾家著名的安全傳感器的生產(chǎn)公司（如SICK、OMRON），共同合作開發(fā)了開放性的、相互兼容的安全總線系統(tǒng)，如AS-Interfacesafety、Profisafe、DeviceNetSafety、interbussafety及Safetybusp等。這些安全總線控制系統(tǒng)大大加快了控制系統(tǒng)前進(jìn)的步伐。圖2為一個標(biāo)準(zhǔn)的Profisafe總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 一個標(biāo)準(zhǔn)的Profisafe總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一、安全總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

安全總線系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)總線系統(tǒng)的主要區(qū)別在于通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)不同。安全總線系統(tǒng)的安全是對標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的擴展，使得標(biāo)準(zhǔn)及安全裝置可在同一個網(wǎng)絡(luò)上運行。其獨特之處就在于安全通信的實現(xiàn)無需諸如網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等昂貴的硬件設(shè)備，僅僅通過軟件層就可實現(xiàn)。圖3所示為安全總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)。

圖3 安全總線的協(xié)議結(jié)構(gòu)

一個標(biāo)準(zhǔn)的安全總線系統(tǒng)應(yīng)包括：

帶雙CPU的安全PLC；

安全總線協(xié)議；

安全總線接口I/O及安全傳感器。

最初，人們普遍認(rèn)為僅僅通過軟件上的變化來改變總線系統(tǒng)的性質(zhì)是一種冒險的行為，但恰恰是安全總線系統(tǒng)內(nèi)部固有的安全協(xié)議保證了整個系統(tǒng)的安全性。協(xié)議中規(guī)定的諸如：數(shù)據(jù)冗余、交錯互檢等功能保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃约肮收显\斷的快速及時等特性。

安全總線系統(tǒng)不僅能夠單獨使用，還能直接連接到標(biāo)準(zhǔn)的總線系統(tǒng)中去，而無需其他輔助設(shè)備。

二、安全總線系統(tǒng)的優(yōu)點

性能卓越的傳輸介質(zhì)，已經(jīng)過“高噪聲干擾”等惡劣場合的考驗；

重合“節(jié)點地址”的自動檢查功能；

內(nèi)置的“數(shù)據(jù)鏈路層”的重審功能；

通過配置建立的“優(yōu)先權(quán)”功能；

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

安全現(xiàn)場總線現(xiàn)正處于起步階段，Profisafe安全現(xiàn)場總線現(xiàn)已完成協(xié)議的制訂，在歐洲已開始產(chǎn)品的推廣和試用，Siemens公司計劃于2004開始在中國進(jìn)行推廣。DeviceNetSafety安全現(xiàn)場總線現(xiàn)正處于協(xié)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(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)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(qū)域保護(hù)掃描器及急停開關(guān)等安全保護(hù)設(shè)備。這些安全保護(hù)設(shè)備通過“安全總線接口”連接到安全總線系統(tǒng)中去（如圖4所示）。

圖4 安全總線在焊接車間的應(yīng)用

（2）全自動沖壓機

在全自動沖壓機的工作區(qū)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(jìn)出入口安全光柵及急停開關(guān)等安全傳感器。這些安全保護(hù)設(shè)備通過“安全總線接口”連接到安全總線系統(tǒng)中去（如圖5所示）。

圖5 安全總線在沖壓生產(chǎn)中的應(yīng)用

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