采用PLC集成故障安全系統(tǒng)的汽車總裝車間ANDON系統(tǒng)研究

胥紅光，姚文

0 引言

汽車生產(chǎn)行業(yè)作為一個典型的制造行業(yè)，涉及的技術(shù)范圍之廣，需要的技術(shù)水平之高，這就要求該行業(yè)對于生產(chǎn)的管理更加的精細，對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求更高，所需要的自動化水平更加成熟，對生產(chǎn)過程的安全性更加的注重。于是在汽車生產(chǎn)行業(yè)孕育了較多的成熟生產(chǎn)管理標準。另外，如今通過技術(shù)的改進生產(chǎn)的效率提高了，但最近生產(chǎn)事故頻發(fā)讓我們不得不更加重視安全生產(chǎn)。由于在汽車制造車間機器設(shè)備的廣泛運用，需要更加要注重安全生產(chǎn)，保證現(xiàn)場工作人員的安全。

Andon系統(tǒng)就可以作為一個最為典型和成功的生產(chǎn)標準。根據(jù)項目要求本文設(shè)計制作一套具有高度可塑性車輛自動裝配流水線的監(jiān)控干涉的 ANDON系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)對總裝車間地面輸送線和最終裝配線以及空中輸送線進行實時監(jiān)控。具體包括地面輸送線和空中輸送線的動態(tài)模擬顯示，運行報警記錄、運行報警顯示、可干預(yù)必要參數(shù)設(shè)置，地面每條線的生產(chǎn)日完成量、整車的日完成量、整車的月完成量和年完成量。在原來的 ANDON系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)控制系統(tǒng)應(yīng)該更加注重實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的安全控制，避免對人員的嚴重傷害。故障安全(Failsafe)系統(tǒng)是指系統(tǒng)控制過程中立即關(guān)閉過程不會對人員或環(huán)境造成危害，此系統(tǒng)運用在ANDON系統(tǒng)上能在一定程度上克服了控制現(xiàn)場的安全問題。在本文的設(shè)計中，以傳統(tǒng)的 ANDON系統(tǒng)為基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)集成了故障安全系統(tǒng)，完成對現(xiàn)有技術(shù)的改進。

1 ANDON 系統(tǒng)的簡介

ANDON系統(tǒng)起源于日本，也稱為“安燈”，最早由汽車生產(chǎn)商豐田公司提出。本著“建立立即暫停制度以解決問題，從一開始就重視品質(zhì)管理的文化”的生產(chǎn)準則，豐田公司提出了專門應(yīng)用于汽車生產(chǎn)行業(yè)的 ANDON系統(tǒng)。ANDON系統(tǒng)的功能主要包含質(zhì)量控制、物料需求和生產(chǎn)信息管理。質(zhì)量控制保證了汽車生產(chǎn)線上的任一工位發(fā)生質(zhì)量問題會得到立即的解決，當看板上顯示某一工位發(fā)生請求時，相關(guān)人員立即前往解決相關(guān)請求；該系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)要求檢查物料供應(yīng)情況與呼叫物料管理人員，避免因物料短缺影響生產(chǎn)線的正常運行，確保生產(chǎn)線流暢的進行；該系統(tǒng)還能進行時間控制管理和統(tǒng)計生產(chǎn)線的各種生產(chǎn)設(shè)備信息，通過這些統(tǒng)計的信息了解當前生產(chǎn)狀況，分析故障產(chǎn)生的原因，以便改進生產(chǎn)工藝，減少故障產(chǎn)生。在系統(tǒng)運行期間，可動態(tài)模擬觀察到每條自動化生產(chǎn)線上車輛進出的狀態(tài)和數(shù)量，使得整個系統(tǒng)在完全自動并且時刻監(jiān)控的狀態(tài)下按照預(yù)先設(shè)想的要求運行。要求系統(tǒng)具有故障顯示功能，能夠保存相應(yīng)關(guān)鍵信息以及運行的實時數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)恢復(fù)運行后能夠自動恢復(fù)各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)并繼續(xù)運行。由于能夠提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，ANDON系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他的制造領(lǐng)域，例如鋼鐵廠，電子廠和服裝廠等行業(yè)。

2 集成了集成故障安全系統(tǒng)的ANDON系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和工藝流程

ANDON系統(tǒng)的監(jiān)控示意圖，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)配置示意圖

該系統(tǒng)控制的總裝車間工藝包括內(nèi)飾線監(jiān)控子系統(tǒng)、底盤線子系統(tǒng)、車身線子系統(tǒng)和最終裝配線子系統(tǒng)。內(nèi)飾線子系統(tǒng)由兩條輸送線組成，實現(xiàn)每條輸送線18個工位急停顯示；底盤線子系統(tǒng)由兩條輸送線組成，實現(xiàn)底盤一線10個工位和底盤二線6個工位急停顯示；車身線子系統(tǒng)由3條輸送線組成；最終總裝配子系統(tǒng)實現(xiàn)對16個工位急停顯示。為了滿足系統(tǒng)故障安全設(shè)計的需要，每條生產(chǎn)線為一個控制區(qū)域，控制系統(tǒng)由八套西門子S7-315F PLC控制，該類型的PLC能滿足故障安全生產(chǎn)的需要，安全性能滿足 SIL3，非常適用于汽車制造行業(yè)。LED信息顯示屏實時顯示當日完成產(chǎn)量、車型、請求維修的工位和其他相關(guān)的生產(chǎn)信息等。

控制室內(nèi)核心是上位機，上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與下位機通訊，實現(xiàn)生產(chǎn)線現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)和各類信號報警，實時監(jiān)視設(shè)備運行情況。上位機采用的是Wincc組態(tài)軟件，具有監(jiān)控生產(chǎn)過程的強大功能。Wincc是西門子開發(fā)的監(jiān)控組態(tài)軟件，它更能強大不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能，而且有組態(tài)和開發(fā)功能[1]。Wincc集成了SQL Server 2005有強大的數(shù)據(jù)庫處理功能和報表功能，使系統(tǒng)具有能記憶報警功能和各類生產(chǎn)故障的次數(shù)功能，報表系統(tǒng)可以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的設(shè)備故障時間、設(shè)備維修時間和設(shè)備的故障類型進行統(tǒng)計并可打印，以便于分析故障原因等，進而改進生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率。

3 控制系統(tǒng)分析

控制系統(tǒng)以內(nèi)飾一線子系統(tǒng)為例介紹集成了故障安全系統(tǒng)的 ANDON系統(tǒng)控制。該子系統(tǒng)控制器由一個 CPU 315F為主站和20個分布式I/O ET200S為從站組成，主站和從站之間網(wǎng)絡(luò)通訊是由采用了集成了 PROFIsafe協(xié)議的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)的，如圖2所示：

圖2 內(nèi)飾一線控制系統(tǒng)圖

PROFIsafe是在標準的PROFIBUS上實現(xiàn)主從站之間安全通信的技術(shù)規(guī)范，它的問世使得擁有安全技術(shù)解決方案的PROFIBUS成為唯一能夠滿足制造業(yè)和過程工控的安全通信的要求現(xiàn)場總線。區(qū)別于 PROFIBUS的是，PROFIsafe采用的判斷基本錯誤的方法是SIL監(jiān)視器法，而前者采用的是幀校驗序列和奇偶校驗方法[2]。PROFIsafe主要特征表現(xiàn)在安全通信和標準通信在同一根電纜上實現(xiàn)，安全特性達到了 SIL3，既可用于過程自動化，也可用于制造業(yè)自動化?，F(xiàn)在可以采用集成了PROFIsafe協(xié)議的PROFIBUS總線已經(jīng)用于汽車總裝車間總線系統(tǒng)了。

CPU 315F是SIMATIC S7-300中具有安全控制功能的CPU,支持建立一個故障安全自動化系統(tǒng)，采用 PROFIsafe規(guī)范，通過PROFIBUS DP接口進行連接。所以在本次設(shè)計中控制器選擇CPU 315F，滿足控制汽車總裝車間的安全生產(chǎn)的需要。

ET200S是一款防護等級為IP20，具有豐富的信號模塊的分布式I/O系統(tǒng)。ET200S的使用確保現(xiàn)場信息的安全處理，具有安全處理所需的所有的硬件和軟件組件，符合要求的安全等級。在該系統(tǒng)中接口模塊采用了IM151-1 HF，該型號能滿足 ET200S和支持 PROFIsafe安全協(xié)議的PROFIBUS連接通訊。

分布式I/O ET200S的輸入通過MPI總線與現(xiàn)場的按鈕盒連接，按鈕盒內(nèi)有控制急停、物料，設(shè)備和質(zhì)量等呼叫按鈕，現(xiàn)場人員通過按鈕請求幫助；ET200S輸出與報警燈塔和揚聲器也通過 MPI連接，指示當前工位的狀態(tài)和呼叫幫助請求。

內(nèi)飾一線的動態(tài)模擬畫面，如圖3所示：

圖3 內(nèi)飾一線動態(tài)模擬畫面

每一個工位都有3個報警信號按鈕，這3個信號分別顯示著該工位的動作：需進料，需維修，急停，急停信號連接故障安全輸入輸出模塊，其他的信號連接標準模塊。通過采集現(xiàn)場按鈕信號，可以了解現(xiàn)階段該工位生產(chǎn)狀態(tài)，這些狀態(tài)信息會在上位監(jiān)控系統(tǒng)中顯示，并實時的會在顯示屏上顯示，以便相關(guān)的人員立即前往現(xiàn)場解決問題，這樣可以減少停線時間，提高生產(chǎn)效率。同時，當急停按鈕動作時，由于急停信號通過故障安全模塊連接至 CPU，這樣就只會對相應(yīng)的生產(chǎn)過程停線，而不會對整個生產(chǎn)線構(gòu)成影響，從而達到了故障安全控制。

4 ANDON控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)控制工藝的要求，ANDON系統(tǒng)要完成對汽車總裝線現(xiàn)場的故障安全控制和監(jiān)控，系統(tǒng)的設(shè)計包括上位機的設(shè)計和下位機的設(shè)計，下面就分別將這兩部分進行設(shè)計。

4.1 下位機的設(shè)計

下位機的每個控制子系統(tǒng)主要包含主站 S7-315F和從站 ET200S,下位機的設(shè)計要完成故障安全系統(tǒng)的編程和組態(tài)，與普通的PLC系統(tǒng)有所不同，故障安全系統(tǒng)的硬件組態(tài)和程序結(jié)構(gòu)有自己的特點。故障安全系統(tǒng)的組態(tài)和編程分五個步驟[3]：（1）硬件組態(tài)（2）建立程序結(jié)構(gòu)，插入 F-FB/F-FC（3）創(chuàng)建 failsafe runtime group（4）在OB35中調(diào)用F-CALL（5）編譯并下載 Failsafe程序。該系統(tǒng)需要硬件組態(tài)主站F-CPU和從站 F-I/O,本次設(shè)計中應(yīng)用的 F-CPU是 CPU 315F-2，F(xiàn)-I/O是分布式I/O ET200S。硬件組態(tài)可以用Step7完成，ET200S輸入采用4/8 F-DI,輸出采用4 F-DO，如圖4所示：

圖4 故障安全系統(tǒng)硬件配置示意圖

F-CPU 的組態(tài)需要配置密碼保護。

硬件配置完成后，需要進行安全程序的編寫，一個安全程序結(jié)構(gòu)有一個或者兩個F運行組組成。首先先建立安全的F-CALL,即一個特殊的 FC，用來調(diào)用故障安全程序，軟件設(shè)計中所有的安全程序?qū)⑼ㄟ^該FC塊完成程序的執(zhí)行。然后插入 F-FB,FB100是主安全程序包含所有安全信息和邏輯，在FB100中編寫故障急停程序。在OB35中調(diào)用F-CALL,實現(xiàn)對故障安全程序的調(diào)用。

4.2 上位機的設(shè)計

根據(jù)ANDON系統(tǒng)的監(jiān)控要求，上位機應(yīng)用Wincc開發(fā)，監(jiān)控界面實時反應(yīng)當前生產(chǎn)線的運行動態(tài)模擬情況，包括工藝流程、實時數(shù)據(jù)、故障報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表等，設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對內(nèi)飾線、車身線、總裝線和底盤線的實時監(jiān)控，畫面監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

圖5 ANDON監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)圖

上位機安裝 step7編程軟件，可以建立 wincc和 step7動態(tài)連接，同時兩者的通信通過simatic s7 protocol suite 協(xié)議通道實現(xiàn)。在wincc中建立變量標簽要和step7中的變量地址要一致。組態(tài)系統(tǒng)主畫面，如圖6所示：

圖6 ANDON監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

由主畫面可自由切換到各個分生產(chǎn)線的畫面，各個分生產(chǎn)線可以實時顯示每個工位的生產(chǎn)狀況，內(nèi)飾一線的監(jiān)控畫面，如圖7所示：

圖7 內(nèi)飾一線畫面

該畫面顯示了15個工位的生產(chǎn)信息，當內(nèi)飾一線現(xiàn)場的報警信號動作時，對應(yīng)的信號信息會顯示在該畫面，指示相應(yīng)的人員到現(xiàn)場解決該工位的問題，問題解決后現(xiàn)場的報警解除。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于 PLC集成故障安全控制安全系統(tǒng)的ANDON系統(tǒng)，在硬件上采用了西門子的故障安全自動化系統(tǒng)，控制器西門子PLC配置了含有安全功能的CPU 315F，系統(tǒng)從站使用的ET200S,現(xiàn)場總線則是采用集成PROFIsafe協(xié)議的 PROFIBUS組網(wǎng)，這些設(shè)計都滿足了故障安全控制的需要。上位機采用wincc能很好的現(xiàn)場的監(jiān)控作用。本文設(shè)計的ANDON系統(tǒng)滿足了現(xiàn)代汽車總裝生產(chǎn)線提高效率、擴大產(chǎn)能的要求，更加注重了安全生產(chǎn)的重要性。隨著技術(shù)提高和政策的要求，故障安全控制會在現(xiàn)代制造業(yè)里發(fā)揮更加突出的作用。

[1]甄立東.西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2011.

[2]吳成巖.PROFIsafe安全總線協(xié)議的研究分析[D],北京交通大學，2006.

[3]李佳.通向機器安全之路—西門子安全系統(tǒng)的實現(xiàn)（下）[J].儀器儀表標準化與計量，2011（6）:21～24.