CN103885374A - 基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，包括一个主控安全可编程控制器和一个以上数目的安全输入输出模块，安全输入输出模块、主控安全可编程控制器均连接到一个安全通讯总线上，任意一个安全输入输出模块各自连接有一个以上数目的工位安全设备。本发明采用安全总线取代现有技术中的硬接线安全回路，采用主控安全可编程控制器和安全输入输出模块，取代现有技术中的可编程控制器和安全继电器的组合方式，安全数据不受到普通总线中信息交换的影响，安全信息确保到达功能和信息到达之后进行反复校对，可确保数据的准确性。控制方式由传统分散控制更改集中控制，节约了安装空间和投资成本，可缩短安装时间，并且方便维护。

Description

基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及电气控制技术，特别涉及自动化柔性焊装生产线的控制技术，具体的是一种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统。 

背景技术：

在汽车制造工业中，汽车焊装线将各车身冲压件装配、焊接成白车身。汽车焊装线由机器人系统集成构成。汽车焊装线在结构上包括地板线、侧围线、门盖线和总拼线，地板线将前底板总成、后底板总成、发动机舱总成焊接拼合成车身下部地板，总拼线是将地板线、车身左右侧围、前后顶横梁、顶盖组合成一个完整的白车身。各工位设置有相应的焊装夹具、点焊设备、输送系统、点焊机器人、电气控制系统和机器人控制系统。车身拼接完成后，通过在线测量工位完成关键点精度检测和质量检查，然后车身下线送至调整线进行外观检查、车门、发动机仓盖、行李箱盖及其他工件的安装，完成整个汽车焊装的过程。 

现有技术中，汽车厂采用大中型PLC控制系统及大量焊接机器人系统构成自动化柔性焊装生产线。该自动化生产线结构复杂，涉及设备繁多，为了协调各个设备与机器人，以及设备之间的动作时序，保证焊装线安全、可靠运行，所需的控制硬件系统和PLC程序十分庞大。特别是该生产线对安全防护的要求较高，因其执行机构都是如机器人、升降机、夹具等大型设备，一旦安全系统出现问题，将直接出现操作人员死伤的后果。因而，焊装生产线的安全系统非常复杂，控制的安全设备非常多，如安全光栅、急停按钮、双手按钮、安全地毯、安全激光扫描器等。 

目前的安全系统由安全继电器和硬接线回路与所有安全设备连接构成，其接线繁杂，不便于维修及快速排查故障。 

例如，在主流焊装线的控制系统中，主控安全可编程控制器1一般采用RockWell公司的ControlLogix、或Siemen公司的S7-300等大型PLC，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。这种方式在生产中存在以下不足之处： 

（一）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。 

（二）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。 

（三）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。 

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，所述的这种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统要解决现有技术中由安全继电器和硬接线回路连接的生产线安全系统接线繁杂、不便于维修及快速排查故障的技术问题。 

本发明的这种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，包括一个主控安全可编程控制器和一个以上数目的安全输入输出模块，其中，任意一个所述的安全输入输出模块均连接到一个安全通讯总线上，所述的主控安全可编程控制器也连接在所述的安全通讯总线上，任意一个安全输入输出模块各自连接有一个以上数目的工位安全设备，所述的工位安全设备包括急停装置、或者安全光栅、或者安全地毯。 

进一步的，所述的安全通讯总线中包括有安全以太网络。 

进一步的，所述的主控安全可编程控制器包括有一个主安全处理器和一个配对安全处理器。 

本发明的工作原理是：主控安全可编程控制器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，所有的安全设备，例如急停、安全光栅和安全地毯等均通过单一通讯电缆连接在安全输入输出模块，主控安全可编程控制器通过安全总线来控制和监视安全回路并检查输入输出及工厂配线层面错误。 

主控安全可编程控制器包括一个由主安全处理器和配对安全处理器构成的双处理器架构，配对安全处理器是系统的一部分，可自动配置。 

安全输入输出模块上包括有4个脉冲测试端，4个脉冲测试端输出电压为24V的测试脉冲，用以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。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，安全输出信号数据及其状态将会被关闭。 

安全总线的优先级高于普通总线，安全数据不受普通总线中信息交换的影响。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。 

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明采用安全总线取代现有技术中自动化柔性焊装生产线中的硬接线安全回路，在安全总线上连接主控安全可编程控制器和安全输入输出模块，取代现有技术中的可编程控制器和安全继电器的组合方式，急停、安全光栅等安全信号直接接入安全输入输出模块。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，安全信息确保到达功能和信息到达之后进行反复校对，可确保数据的准确性。控制方式由传统分散控制更改集中控制，节约了安装空间和投资成本，可缩短安装时间，并且方便维护。 

附图说明：

图1是本发明的基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统的结构示意图。 

图2是本发明的基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统中的安全输入输出模块的检测原理图。 

具体实施方式：

实施例1： 

如图1所示，本发明的基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，包括，包括一个主控安全可编程控制器1和一个以上数目的安全输入输出模块2，其中，任意一个所述的安全输入输出模块2均连接到一个安全通讯总线3上，所述的主控安全可编程控制器1也连接在所述的安全通讯总线3上，任意一个安全输入输出模块2各自连接有一个以上数目的工位安全设备4，所述的工位安全设备4包括急停装置、或者安全光栅、或者安全地毯。 

进一步的，所述的安全通讯总线3中包括有安全以太网络。 

进一步的，所述的主控安全可编程控制器1包括有一个主安全处理器和一个配对安全处理器。 

具体的，安全通讯总线3上连接有计算机5，计算机5对主控安全可编程控制器1进行编程控制。 

本发明的工作原理是：主控安全可编程控制器1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，所有的安全设备，例如急停、安全光栅和安全地毯等均通过单一通讯电缆连接在安全输入输出模块2，主控安全可编程控制器1通过安全总线来控制和监视安全回路并检查输入输出及工厂配线层面错误。 

主控安全可编程控制器1包括一个由主安全处理器和配对安全处理器构成的双处理器架构，配对安全处理器是系统的一部分，可自动配置。 

安全输入输出模块2上包括有4个脉冲测试端，4个脉冲测试端输出电压为24V的测试脉冲，用以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。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，安全输出信号数据及其状态将会被关闭。 

安全总线的优先级高于普通总线，安全数据不受普通总线中信息交换的影响。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。 

具体的，在本发明的一个实施例中，主控安全可编程控制器1采用RockWell公司的大型安全型PLC GuardLogix L62S，取代传统的ControlLogix；安全输入输出模块2采用RockWell公司的1791DS系列安全输入输出模块，取代传统Pilz系列的安全继电器。三、具体方案 

主控安全可编程控制器1综合了Rockwell公司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3SIL3）。在控制器机架内使用两个槽位，红色外壳很容易识别（图2）。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ControlLogix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。 

通过双处理器架构，它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。 

安全集成等级即Safety Integrity Levels，简称SIL(国际标准)。根据在使用的安全设备每小时发生危险的可能性（PFH），国际上对安全集成等级进行划分。可以划分为4个等级，如下表1所示。 

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。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。 

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。它们的状态通过LED指示灯显示出来。 

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界面和存储卡等部分。标 准的功能包括：I/O控制、逻辑、定时、计算、报表、通信、算法计算和数据归档处理。 

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（为1M），但标准任务内存容量不一样，1756-L61S为2M，1756-L61S为4M。 

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：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。 

为满足SIL3要求，安全伴侣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。 

它没有指示三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它的运行模式。 

GuardLogix主控制器编程工具为14版或者16版的RSLogix5000软件。在安全任务下的程序和标准任务一样，只支持梯形图逻辑。 

在RSLogix5000软件中创建一个工程和Controllogix创建的工程步骤一样，选择GuardLogix控制器，固件选择14版或16版。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。 

在SafetyTask中，MainRoutine也自动产生。 

安全任务是周期任务，标准任务是连续的任务。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；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；当扫描结束后，把结果写给输出。 

标准设备如HMI、控制器、工控机等直接读取安全标签；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；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。 

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

安全输入输出模块和GuardLogix PLC配合使用，通过安全总线进行通讯。 

如图2所示，T0是安全输入输出模块2的一个脉冲测试端，T0输出电压为24V的测试脉冲。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，安全输出信号数据及其状态将会被关闭。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470us。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。 

Claims (3)

1.一种基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，包括一个主控安全可编程控制器和一个以上数目的安全输入输出模块，其特征在于：任意一个所述的安全输入输出模块均连接到一个安全通讯总线上，所述的主控安全可编程控制器也连接在所述的安全通讯总线上，任意一个安全输入输出模块各自连接有一个以上数目的工位安全设备，所述的工位安全设备包括急停装置、或者安全光栅、或者安全地毯。

2.如权利要求1所述基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，其特征在于：所述的安全通讯总线中包括有安全以太网络。

3.如权利要求1所述基于安全可编程逻辑控制器的焊装线控制系统，其特征在于：所述的主控安全可编程控制器包括有一个主安全处理器和一个配对安全处理器。