魏 巍，吳辛華

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車分公司，上海 201804）

設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)通常以一個(gè)控制器為最小單元。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，對(duì)整體設(shè)備進(jìn)行停機(jī)響應(yīng)。隨著控制器的處理能力日新月異，單個(gè)控制器可控制多個(gè)乃至十多個(gè)工位。且隨著安全PLC的普及，同一個(gè)控制器已具備對(duì)安全信號(hào)的邏輯處理能力。故我們?cè)诖艘氚踩謪^(qū)的概念，意在通過電氣控制架構(gòu)的設(shè)計(jì)和邏輯編程，將設(shè)備分成更小的單元，將報(bào)警進(jìn)行級(jí)別和響應(yīng)的劃分，由同一個(gè)控制器總體把控各區(qū)域內(nèi)的邏輯，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，根據(jù)設(shè)定，進(jìn)行分區(qū)控制輸出。在出現(xiàn)非安全或能源（氣、電、液壓）故障時(shí)，將故障影響范圍縮小，最小限度地影響機(jī)床非故障區(qū)域的運(yùn)行，提升機(jī)床開動(dòng)率，從而提升整線JPH。JPH是實(shí)時(shí)計(jì)算在指定最快連續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量下的平均節(jié)拍時(shí)間和指定時(shí)間段內(nèi)的等效每小時(shí)的合格品輸出目標(biāo)[1]。所有的設(shè)計(jì)必須以不會(huì)影響人和設(shè)備的安全為前提。

1 硬件

1.1 系統(tǒng)需滿足的安全條件

根據(jù)ISO 13849-1[2]，將設(shè)備的性能能級(jí)分為a-e五個(gè)級(jí)別，見圖1。該能級(jí)直接反映因設(shè)備出現(xiàn)失效而造成人員傷亡的后果嚴(yán)重程度和概率，見圖2。現(xiàn)代化工廠均要求設(shè)備達(dá)到PLd及以上的標(biāo)準(zhǔn)，用于保證操作工及維修工等相關(guān)人員的安全。

圖1

圖2

設(shè)備設(shè)計(jì)為滿足以上安全需求，必須使用雙回路設(shè)計(jì)的安全元器件。

各機(jī)床的控制系統(tǒng)需具備安全信號(hào)的處理能力，控制器需具備處理雙通道回路安全信號(hào)，做出安全響應(yīng)的能力，能夠區(qū)分安全報(bào)警和普通報(bào)警。

需采用類似SIEMENS S7 317F及以上的控制器，如圖3所示。使用該類型的控制器可在保證設(shè)備安全表現(xiàn)等級(jí)不降低的情況下，對(duì)安全信號(hào)進(jìn)行判斷和處理。當(dāng)然，安全邏輯必須合理且有效。

圖3 互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信息流程圖

圖3

1.2 執(zhí)行部件要求

由于各區(qū)為獨(dú)立的安全分區(qū)，則各區(qū)內(nèi)部的安全信號(hào)和輸入輸出信號(hào)均需使用獨(dú)立的模塊采集和輸出。由此可實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)各安全分區(qū)內(nèi)的各種信號(hào)總體把控，分區(qū)控制。

現(xiàn)場(chǎng)使用的分布式IO系統(tǒng)，各分區(qū)需具備獨(dú)立的分布式IO模塊。

對(duì)于直接接入機(jī)床內(nèi)部的信號(hào)可采用ET200SP模塊，同樣分為可處理安全信號(hào)模塊（6ES7136-6DC00-0CA0）和非安全信號(hào)模塊（ES7131-6BH01-0BA0），如圖4所示。

圖4

設(shè)備需有主氣源開關(guān)及三聯(lián)件。各分區(qū)的氣源來自該設(shè)備主氣源，但控制應(yīng)當(dāng)獨(dú)立分開，有獨(dú)立的控制閥，具備由PLC控制獨(dú)立關(guān)斷和打開的能力。

1.3 其他安全部件

門鎖和急停按鈕必須采用安全型產(chǎn)品，使用雙回路控制，當(dāng)一路觸點(diǎn)失效時(shí)整個(gè)系統(tǒng)必須停止。急停裝置作為工業(yè)自動(dòng)化過程中基礎(chǔ)且關(guān)鍵的部件，其產(chǎn)品的安全性和可靠性至關(guān)重要，直接關(guān)系到設(shè)備和人員的安全[3]。同時(shí)，如PLC與外部通信時(shí)，需使用CP343-1advanced用以防護(hù)[4]。

2 設(shè)備報(bào)警的分類和響應(yīng)設(shè)計(jì)

當(dāng)硬件滿足條件后，需在軟件中對(duì)報(bào)警進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)包括安全報(bào)警在內(nèi)的各類報(bào)警的不同響應(yīng)。

2.1 報(bào)警的分類

2.1.1 安全報(bào)警

安全報(bào)警為最高級(jí)別報(bào)警，是通常所說的急停報(bào)警。電氣緊急停止控制是設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要的保護(hù)措施[5]。當(dāng)機(jī)床門打開、斷電、斷氣、急停拍下、光柵觸發(fā)等安全元器件被觸發(fā)時(shí)，機(jī)床應(yīng)響應(yīng)安全報(bào)警。這些報(bào)警的觸發(fā)元器件均為安全型元器件，由可處理安全信號(hào)的IO模塊輸入到PLC，并進(jìn)行處理。當(dāng)這些元器件的任意一個(gè)出現(xiàn)失效，設(shè)備會(huì)當(dāng)作報(bào)警被觸發(fā)處理，最大程度保證人員和設(shè)備的安全。

安全報(bào)警根據(jù)觸發(fā)內(nèi)容的不同，分為一級(jí)安全報(bào)警和二級(jí)安全報(bào)警。

一級(jí)安全報(bào)警包括：急停、安全光柵觸發(fā)、安全門鎖意外打開、氣源故障等。此類報(bào)警為意外觸發(fā)的報(bào)警，如果設(shè)備繼續(xù)動(dòng)作存在可能發(fā)生重大安全事故，造成人員的傷亡。

二級(jí)安全報(bào)警包括：請(qǐng)求安全門鎖打開后打開安全門鎖。當(dāng)人員請(qǐng)求安全門打開后，設(shè)備進(jìn)入循環(huán)結(jié)束后停止模式，會(huì)在完成當(dāng)前加工循環(huán)后停止設(shè)備，并允許安全門鎖被拉開，此時(shí)門打開后，設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)，但安全系統(tǒng)被觸發(fā)。

2.1.2 一般報(bào)警

其他非安全部件觸發(fā)的邏輯報(bào)警均為一般報(bào)警。

一般報(bào)警包括一級(jí)總體報(bào)警、一級(jí)分區(qū)報(bào)警和二級(jí)總體報(bào)警、二級(jí)分區(qū)報(bào)警。

一級(jí)總體報(bào)警為邏輯上的錯(cuò)誤，導(dǎo)致下一步動(dòng)作可能會(huì)引起意外的錯(cuò)誤。如某工位上有工件，且傳感器被觸發(fā)。但移位寄存器顯示無工件。此時(shí)設(shè)備會(huì)報(bào)警工位狀態(tài)未知或不可信。此時(shí)機(jī)器人不可以繼續(xù)動(dòng)作將工件放在此工位上，因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

一級(jí)分區(qū)報(bào)警同一級(jí)總體報(bào)警，但該報(bào)警只影響一個(gè)安全分區(qū)內(nèi)的動(dòng)作，不涉及整臺(tái)機(jī)床，如輥道電機(jī)故障。

二級(jí)總體報(bào)警為警告或提示，出現(xiàn)報(bào)警后暫時(shí)不會(huì)引起意外的錯(cuò)誤，但可能因條件不滿足而導(dǎo)致生產(chǎn)停止。如某螺堵上料機(jī)構(gòu)傳感器無信號(hào)顯示缺料或進(jìn)料輥道報(bào)警進(jìn)料超時(shí)/卡料。此類報(bào)警在發(fā)生后不影響當(dāng)前正在加工的部件，只是可能會(huì)影響后續(xù)的加工，提醒操作工對(duì)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。

二級(jí)分區(qū)報(bào)警同一級(jí)總體報(bào)警，但該報(bào)警只影響一個(gè)安全分區(qū)內(nèi)的動(dòng)作，不涉及整臺(tái)機(jī)床，如涂膠罐重量不足。

2.2 設(shè)備對(duì)報(bào)警的響應(yīng)

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)一級(jí)安全報(bào)警時(shí)，所有安全分區(qū)需緊急停止。設(shè)備切斷24V控制電源，切斷氣源供氣，立即釋放設(shè)備控制，所有運(yùn)動(dòng)部件緊急停止。

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)二級(jí)安全報(bào)警時(shí)，所有安全分區(qū)循環(huán)結(jié)束后停止。設(shè)備在受控的情況下停止所有動(dòng)作。不切斷控制電源，切斷氣源。

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)一級(jí)總體報(bào)警時(shí)，所有安全分區(qū)需緊急停止。設(shè)備切斷24V控制電源，切斷氣源供氣，立即釋放設(shè)備控制，所有運(yùn)動(dòng)部件緊急停止。

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)二級(jí)總體報(bào)警時(shí)，該機(jī)床需循環(huán)結(jié)束后停止。

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)一級(jí)分區(qū)報(bào)警時(shí)，該安全分區(qū)需緊急停止，其他安全分區(qū)循環(huán)結(jié)束后停止。

當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)二級(jí)分區(qū)報(bào)警時(shí)，該安全分區(qū)需循環(huán)結(jié)束后停止，其他安全分區(qū)不對(duì)該報(bào)警響應(yīng)。

邏輯如表1所示。

表1

3 安全區(qū)域劃分原則

程序中對(duì)報(bào)警進(jìn)行分級(jí)分類后，軟件和硬件已滿足對(duì)不同區(qū)域出現(xiàn)的不同級(jí)別報(bào)警進(jìn)行的不同響應(yīng)。

針對(duì)各類型的設(shè)備，合理有效地設(shè)置安全區(qū)域和響應(yīng)方式，可大幅度提高設(shè)備開動(dòng)率。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警后，機(jī)床內(nèi)的工件均為未完成工件，無法繼續(xù)使用，但出料輥道上的工件及線邊在制品已完成加工，如果輥道在各功能完備的情況下停止運(yùn)行而與下一個(gè)工序之間的手動(dòng)上下料工位由該機(jī)床控制，那么下一道工序則會(huì)因輥道無工件進(jìn)入且無法手動(dòng)上在制品在完成當(dāng)前加工后因缺料導(dǎo)致停機(jī)。同理，如果當(dāng)本設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警，但上一個(gè)工序可正常生產(chǎn)，且兩道工序之間的手動(dòng)上下料工位由該機(jī)床控制，則無法完成在制品下料，造成上一臺(tái)機(jī)床的堵料停機(jī)。因此，大體上應(yīng)按照上料輥道、下料輥道和加工區(qū)域進(jìn)行劃分。

對(duì)于有壓裝系統(tǒng)/涂膠系統(tǒng)等無法反工工位的設(shè)備來講，此類工位需單獨(dú)設(shè)立安全區(qū)域，當(dāng)其他工位出現(xiàn)不影響壓裝過程的故障時(shí)，可保證當(dāng)前加工工件完成加工，不造成不必要的工廢。

對(duì)于串聯(lián)的多個(gè)工位，工位與工位之間無法手動(dòng)上下料的，每增加一個(gè)安全分區(qū)，至多只能保證多一個(gè)工件流入下一個(gè)工序?？紤]到增加安全分區(qū)的成本和程序控制復(fù)雜程度，除非有上述特殊工位，否則均不再單獨(dú)設(shè)立分區(qū)。

對(duì)于并聯(lián)的多個(gè)工位，工位與工位之間進(jìn)行相同的加工流程，可考慮每個(gè)工位設(shè)置一個(gè)安全分區(qū)，任一工位出現(xiàn)報(bào)警，不會(huì)影響其他工位的正常運(yùn)行。

對(duì)于設(shè)立的安全分區(qū)需要有獨(dú)立的MHI操作畫面，該畫面主要針對(duì)維修人員使用，如圖5所示。在該操作畫面下，可對(duì)該安全分區(qū)進(jìn)行調(diào)整到手動(dòng)模式等操作。可實(shí)現(xiàn)不影響其他分區(qū)運(yùn)行的同時(shí)對(duì)特定安全分區(qū)進(jìn)行維修、調(diào)整等操作[6]。

圖5

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 一般生產(chǎn)線上料工位的安全分區(qū)

安全分區(qū)實(shí)例舉例如下：

一般生產(chǎn)線上料工位如圖6的安全分區(qū)大致可分為Zone1/輸送輥道、Zone2/對(duì)工件預(yù)操作（打標(biāo)、安裝RFID、安裝托盤）、Zone3/轉(zhuǎn)臺(tái)+輥道。

圖6

通常以輥道和加工區(qū)域?yàn)榻?，分為之前之后和本工位三個(gè)安全分區(qū)?？紤]到類似Zone2區(qū)域內(nèi)有多個(gè)工序，但工序間無法上下料，故均只劃分一個(gè)區(qū)域，如部分裝配工藝設(shè)計(jì)工位[7]。

當(dāng)Zone1出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，Zone2區(qū)域內(nèi)的輥道由該分區(qū)內(nèi)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此可通過手動(dòng)推料的方式進(jìn)行上料。

當(dāng)Zone2出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，Zone3可繼續(xù)運(yùn)行，可將輥道上積存的工件或通過手動(dòng)上料工位將工件送入下一工位。

當(dāng)Zone3出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，則需從Zone2手動(dòng)下料，從下一個(gè)工序的入口手動(dòng)上料。

假設(shè)該設(shè)備60JPH產(chǎn)能（每小時(shí)可生產(chǎn)60件合格工件），當(dāng)各工位均出現(xiàn)10min的非安全報(bào)警時(shí)，設(shè)置安全分區(qū)和不設(shè)置安全分區(qū)的節(jié)拍損失如表2及表3所示。

表2

表3

情形1：設(shè)置安全分區(qū)。

情形2：不設(shè)置安全分區(qū)。

4.2 自動(dòng)生產(chǎn)線多工位單機(jī)設(shè)備的安全分區(qū)

自動(dòng)生產(chǎn)線上的單機(jī)設(shè)備指具備獨(dú)立的控制系統(tǒng)，能夠獨(dú)立完成一個(gè)或多個(gè)加工工序，有來自上一個(gè)工序和輸送到下一個(gè)工序的輥道，串聯(lián)在整條生產(chǎn)線上的設(shè)備。

該類型的機(jī)床是機(jī)加工生產(chǎn)線最常見的PLC控制設(shè)備。

如圖7，構(gòu)建一臺(tái)典型機(jī)加工生產(chǎn)線常見PLC控制輔機(jī)簡(jiǎn)易工位分布圖。該設(shè)備包括一條進(jìn)料輥道、兩條出料輥道（合格輥道和不合格輥道）、加工區(qū)域。

圖7

其中加工區(qū)域包括一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)責(zé)對(duì)工件進(jìn)行調(diào)度和定位。

工位1壓裝工位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的碗型塞進(jìn)行壓裝工作。壓裝工序具有不可返工的特性。

工位2負(fù)責(zé)壓裝后的測(cè)漏工作。

測(cè)漏完成后設(shè)備自動(dòng)將工件放入對(duì)應(yīng)的下料輥道。

其他如涂膠、打標(biāo)、送料、信息識(shí)別、標(biāo)準(zhǔn)件等工序均未在圖中標(biāo)識(shí)。

安全分區(qū)方法實(shí)例：

通常將加工區(qū)域設(shè)置為一個(gè)單獨(dú)的安全分區(qū)Zone1。

可將上料輥道和下料輥道分為一個(gè)或兩個(gè)安全分區(qū)，取決于輥道的長(zhǎng)度。當(dāng)兩段輥道均很短且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，可作為同一個(gè)分區(qū)，用以節(jié)約成本，簡(jiǎn)化程序。如上下料輥道較長(zhǎng)，且包括轉(zhuǎn)臺(tái)，涉及正常下料和不合格下料等復(fù)雜情況，可設(shè)置獨(dú)立的分區(qū)Zone2和Zone3。

當(dāng)Zone1出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，可通過Zone3對(duì)后續(xù)工序進(jìn)行在制品上料。Zone4完成當(dāng)前加工步驟后停止。Zone3保持正常上料直至在制品消耗完畢。

當(dāng)Zone2出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，可通過手動(dòng)上料的方式對(duì)機(jī)床進(jìn)行上料。

當(dāng)Zone3出現(xiàn)一般報(bào)警時(shí)，可通過手動(dòng)下料的方式對(duì)機(jī)床進(jìn)行下料。

Zone4為壓裝工位，該工位具備不可返工的特點(diǎn)，考慮到Zone1中包含許多其他附件，容易出現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)同一分區(qū)內(nèi)的其他工位出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，如果壓裝正在進(jìn)行中，突然停止會(huì)造成工廢，故設(shè)置獨(dú)立的安全分區(qū)Zone4。當(dāng)Zone1區(qū)域出現(xiàn)非安全報(bào)警時(shí)，該工位應(yīng)當(dāng)完成當(dāng)前加工步驟后停止。

共4個(gè)安全分區(qū)，假設(shè)該設(shè)備60JPH產(chǎn)能（每小時(shí)可生產(chǎn)60件合格工件），當(dāng)各工位均出現(xiàn)10min的非安全報(bào)警時(shí)，設(shè)置安全分區(qū)和不設(shè)置安全分區(qū)的節(jié)拍損失如表4及表5所示：

表4

表5

情形1：設(shè)置安全分區(qū)，無在制品。

情形2：不設(shè)置安全分區(qū)。

除此之外，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)：（1）輥道可以繼續(xù)運(yùn)行可以保證線邊在制品的順利上料和下料；（2）已經(jīng)在輥道上的工件可以順利進(jìn)入下一工序。

4.3 自動(dòng)生產(chǎn)線并行工位單機(jī)設(shè)備的安全分區(qū)

該設(shè)備如圖8，工位1和工位2進(jìn)行完全相同的加工過程，是典型的并行加工工位。

圖8

故對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全分區(qū)如上例，僅新增安全分區(qū)5。設(shè)置安全分區(qū)和不設(shè)置安全分區(qū)的節(jié)拍損失如表6及表7所示。

表6

情形1：設(shè)置安全分區(qū)，無在制品。

情形2：不設(shè)置安全分區(qū)（見表7）。

表7

5 結(jié)束語

通過上述應(yīng)用實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，各類情況下，有效合理的安全分區(qū)可以將故障限定在最小的影響范圍內(nèi)，可在最大程度上利用現(xiàn)有條件減少停機(jī)時(shí)間，理論上可提升約50%開動(dòng)效率，提高開動(dòng)率，但該設(shè)計(jì)理念并未完成對(duì)多控制器的并行工序的討論。