安全現(xiàn)場總線技術及其在汽車行業(yè)的應用

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(xiàn)，造成了許多需要安全保護的危險區(qū)域，所以安全傳感器，如區(qū)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(xiàn)在連接這些安全設備的控制系統(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)，大大限制了生產過程控制系統(tǒng)的發(fā)展。但如果將這些安全設備連接到非安全的現(xiàn)場總線系統(tǒng)（如標準的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(tǒng)公司（如Siemens、Rockwell等）聯(lián)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(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)前進的步伐。圖2為一個標準的Profisafe總線系統(tǒng)結構圖。

圖2一個標準的Profisafe總線系統(tǒng)結構圖

一、安全總線系統(tǒng)的結構

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

圖3安全總線的協(xié)議結構

一個標準的安全總線系統(tǒng)應包括：

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，人們普遍認為僅僅通過軟件上的變化來改變總線系統(tǒng)的性質是一種冒險的行為，但恰恰是安全總線系統(tǒng)內部固有的安全協(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，還能直接連接到標準的總線系統(tǒng)中去，而無需其他輔助設備。

二、安全總線系統(tǒng)的優(yōu)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(jié)點地址”的自動檢查功能；
內置的“數(shù)據(jù)鏈路層”的重審功能；
通過配置建立的“優(yōu)先權”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(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(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(tǒng)中去（如圖4所示）。