前言

眾所周知，現(xiàn)代汽車的制造分為沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝，再加上動力總成就組成了整車生產(chǎn)的五個(gè)密不可分的生產(chǎn)流程。國內(nèi)外的汽車制造商歷來重視汽車制造過程中的安全與保護(hù)。隨著產(chǎn)能的不斷提升，廠商對設(shè)備自動化的要求越來越高，機(jī)器和設(shè)備也越來越復(fù)雜、速度也越來越快。因此，廠商對這些機(jī)器的安全要求也越來越高。我們既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護(hù)性。這就對安全元器件的正確和合理的設(shè)計(jì)和選擇提出了一定的要求。

為何在安全控制系統(tǒng)中，需要使用特殊的安全控制模塊來控制安全功能

安全控制系統(tǒng)必須提供一種高度可靠的安全保護(hù)手段，最大限度地避免機(jī)器的不安全狀態(tài)、保護(hù)生產(chǎn)裝置和人身安全，防止惡性事故的發(fā)生、減少損失。該系統(tǒng)在開車、停車、出現(xiàn)工藝擾動以及正常維護(hù)操作期間對機(jī)器設(shè)備提供安全保護(hù)。一旦當(dāng)機(jī)器設(shè)備本身出現(xiàn)危險(xiǎn)，或由于人為原因而導(dǎo)致危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)立即做出反應(yīng)并輸出正確信號，使機(jī)器安全停車，以阻止危險(xiǎn)的發(fā)生或事故的擴(kuò)散。

一套安全控制系統(tǒng)，由安全輸入信號（即安全功能，如緊急停止信號、安全門信號等）、安全控制模塊（如安全繼電器、安全PLC）、和被控輸出元件（如主接觸器、閥等）三部分組成。

在國內(nèi)不少具有安全要求的機(jī)器中，普通的繼電器或者PLC被廣泛地作為控制模塊，對安全功能進(jìn)行監(jiān)控。從表面看來，這樣的機(jī)器在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當(dāng)普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因?qū)е鹿δ苁r(shí)（如觸點(diǎn)熔焊、電氣短路、處理器紊亂等故障），就會丟失安全保護(hù)功能，引發(fā)事故。

而對于安全控制模塊，由于其采用冗余、多樣的結(jié)構(gòu)，加之以自我檢測和監(jiān)控、可靠電氣元件、反饋回路等安全措施，保證在本身缺陷或外部故障的情況下，依然能夠保證安全功能，并且可以及時(shí)的將故障檢測出來。從而在最大程度上保證了整個(gè)安全控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)了人和機(jī)器的安全。

汽車制造行業(yè)的安全要求

汽車制造行業(yè)需要運(yùn)用到各種各樣的設(shè)備和技術(shù)，包括有數(shù)控機(jī)床、沖壓設(shè)備、機(jī)器人控制、傳送和傳輸裝置等。這些設(shè)備根據(jù)不同應(yīng)用和其本身的風(fēng)險(xiǎn)程度，有著不同的安全要求。通常，我們可以參照以下歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)：

?EN1050-1996機(jī)械安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

?EN292－1：1991機(jī)器安全基本概念與設(shè)計(jì)通則

?EN954-1機(jī)械安全控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1部分設(shè)計(jì)通則

?EN/IEC60204機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備

?EN/ISO13894機(jī)械的安全控制系統(tǒng)有關(guān)的安全部件

?EN/IEC61508主要涵蓋了電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全

?EN418緊急制動設(shè)備

?EN1088與保護(hù)裝置有關(guān)的連鎖裝置設(shè)計(jì)和選擇原則

?EN12415機(jī)床安全小型數(shù)控車床和車削中心

?EN12417機(jī)床安全加工中心

?EN12478機(jī)床安全大型數(shù)控車床和車削中心

?EN692：1996機(jī)械壓力機(jī)安全

?EN693：2000機(jī)床安全液壓機(jī)

?EN1550：1997機(jī)床安全工件夾緊用卡盤設(shè)計(jì)和制造的安全要求

這些標(biāo)準(zhǔn)中，我們現(xiàn)在比較常用的有EN954-1(此標(biāo)準(zhǔn)將被ENISO13849替代)。其中以下的圖表常被用于機(jī)械的等級判斷。

EN954-1中的等級分為B、1、2、3、4，分別由低到高。我們以沖壓車間中的壓機(jī)設(shè)備為例，經(jīng)過分析，由于壓機(jī)滑塊會對人員造成重傷或死亡的危害，我們選擇S2；工作人員需要將加工件放入壓機(jī)之下進(jìn)行加工，連續(xù)工作12小時(shí)。也就是說操作人員需要經(jīng)常面臨此危險(xiǎn)，所以我們選擇F2；而滑塊下落的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人員反應(yīng)和動作的時(shí)間，即為人員幾乎不可能避免此危險(xiǎn)，所以我們選擇P2。根據(jù)圖表，對于壓機(jī)的工作區(qū)域，我們可以得到其安全等級要求為4級。沖壓車間為所有車間之中最為危險(xiǎn)、安全等級最高的一個(gè)生產(chǎn)區(qū)域。對于油漆、總裝、車身和動力車間，則需要根據(jù)不同的設(shè)備、加工區(qū)域、傳送流程進(jìn)行各自的風(fēng)險(xiǎn)評估和等級劃分。

Pilz安全控制模塊在汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

在確定了設(shè)備的安全等級之后，相應(yīng)安全區(qū)域的安全控制電氣回路也必須達(dá)到與之對應(yīng)的安全等級。在整個(gè)安全控制電氣系統(tǒng)中，安全控制模塊最為復(fù)雜。因?yàn)榘踩刂颇K，既要采集安全輸入信號，并且根據(jù)邏輯要求，進(jìn)行安全的輸出控制。安全控制模塊不但在自身出現(xiàn)缺陷的情況下依然要能夠保持高安全可靠性，同時(shí)也要能夠檢測安全輸入信號和被控輸出元件的故障，并及時(shí)做出合理的反應(yīng)。在安全控制領(lǐng)域，常用的安全控制模塊有安全繼電器、安全可編程控制器、安全總線系統(tǒng)。

Pilz緊湊型安全繼電器PNOZX、elog和Sigma系列可以用于控制單一安全功能，適用于小型的安全控制系統(tǒng)。其安全輸出通常有繼電器觸點(diǎn)輸出或晶體管輸出。無論采用何種形式的輸出結(jié)構(gòu)，安全繼電器都能夠保證至少2個(gè)通道進(jìn)行輸出的控制。在一個(gè)輸出通道出現(xiàn)故障的情況下，另外一個(gè)冗余的通道依然能夠保證安全繼電器的安全功能，并且及時(shí)檢測出故障通道。

Pilz模塊化安全繼電器PNOZmulti是一個(gè)多功能、可自由配置的模塊化安全系統(tǒng)。與其他PNOZ安全繼電器不同，PNOZmulti的安全電路可在個(gè)人電腦上使用圖形配置工具輕松生成。PNOZmulti由一個(gè)PNOZm0（1/2）p基礎(chǔ)模塊和若干個(gè)擴(kuò)展模塊組成。基礎(chǔ)模塊可單獨(dú)使用，包括20個(gè)可連接急停按鈕、安全門、雙手控制器等所有安全功能的輸入點(diǎn)；4個(gè)2A容量的半導(dǎo)體安全輸出；2個(gè)繼電器安全輸出；一個(gè)輔助非安全輸出以及4個(gè)測試脈沖輸出?？梢允褂脭U(kuò)展模塊來達(dá)到增加輸入輸出點(diǎn)、速度監(jiān)視、現(xiàn)場總線連接的功能。通過基礎(chǔ)模塊上的RS232接口可以直接向PNOZmulti寫入程序，或使用讀卡器向SIM智能卡寫入程序后插入PNOZmulti運(yùn)行。

安全可編程控制器適用于中、大型的安全控制系統(tǒng)。Pilz的安全可編程控制器PSS的CPU采用冗余的多處理器結(jié)構(gòu)。各個(gè)處理器之間相互監(jiān)控，一旦出現(xiàn)不一致，立刻使控制器處于安全狀態(tài)，并且發(fā)出報(bào)警信息；同時(shí)，安全可編程控制器對內(nèi)部的RAM，EPROM，輸入輸出寄存器等元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且采用特殊的測試脈沖對輸入信號和輸出被控元件進(jìn)行檢測，一旦出現(xiàn)任何不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護(hù)狀態(tài)。

Pilz安全總線系統(tǒng)SafetyBUSp則適用于大型、離散式的安全控制系統(tǒng)。其原理是在現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上，采用了一系列的時(shí)間檢測、地址檢測、連接檢測和CRC冗余校驗(yàn)等措施，達(dá)到高的安全等級。

對于汽車制造工業(yè)的不同車間和設(shè)備，以上安全產(chǎn)品的正確選擇、設(shè)計(jì)和使用，對于成本的降低、設(shè)備的安全可靠性、維護(hù)的便易性至關(guān)重要。

對于安全功能4個(gè)以下的單臺設(shè)備或流水線，我們可以使用緊湊型安全繼電器。例如，在動力車間中的單臺數(shù)控機(jī)床，其安全功能通常包括數(shù)個(gè)緊急停止按鈕、一扇至二扇安全門，并且安全等級在3級以上。對于這樣一個(gè)應(yīng)用，我們可以采用一個(gè)緊湊型安全繼電器控制所有的緊急停止按鈕；再使用1/2個(gè)緊湊型安全繼電器控制1/2扇安全門。任何一個(gè)安全繼電器被觸發(fā)，安全輸出必須切斷相關(guān)負(fù)載（如控制軸運(yùn)動的變頻器或伺服）。

對于安全功能在4至14個(gè)的設(shè)備或流水線，我們推薦使用模塊化的安全繼電器PNOZmulti來得到更高的靈活性和更低的成本。我們以一條油漆自動化線為例，在此生產(chǎn)區(qū)域中，通常包括在安裝在噴涂區(qū)域進(jìn)出口的2對安全光柵、4/8個(gè)安全門、若干個(gè)緊急停止按鈕、2套屏蔽傳感器，并且安全等級在3級以上。我們當(dāng)然可以選用緊湊型的安全繼電器來實(shí)現(xiàn)以上安全功能。但是這種解決方案的成本較高、接線繁瑣、故障診斷困難。而PNOZmulti的應(yīng)用，不但能夠可靠、高效的完成安全功能，并且能夠從設(shè)計(jì)、購買、維護(hù)中降低成本。

對于安全功能在數(shù)十個(gè)以上、或者大部分的安全功能都離散分布的現(xiàn)場，可編程安全系統(tǒng)PSS和安全總線系統(tǒng)SafetyBUSp可以使復(fù)雜的安全控制變得簡便、清晰。在大型沖壓流水線中，PSS和SafetyBUSp都有成功的應(yīng)用案例。通常，一條沖壓流水線高10m，長50m，分為涂油、沖壓、剪切等幾個(gè)工作區(qū)域。每個(gè)區(qū)域都有2扇沖程門和若干的緊急停止按鈕；外圍還需要有安全光柵保護(hù)換模區(qū)域；此外沖壓機(jī)械中還有大量的安全信號（比如上死點(diǎn)、閥信號等）需要接入安全控制系統(tǒng)，并且以復(fù)雜的邏輯關(guān)系貫穿于整個(gè)安全控制回路。在這種情況下，PSS安全可編程控制器和SafetyBUSp安全總線系統(tǒng)是最為合適的解決方案。PSS可編程控制器可以簡便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。通過SafetyBUSp安全總線可以將分散在現(xiàn)場的安全輸入信號通過一根電纜集中至PSS主站進(jìn)行控制。同時(shí)，PSS可以通過普通現(xiàn)場總線如Profibus、DeviceNET與現(xiàn)場的其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

Pilz安全傳感器技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)在，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域。機(jī)械手運(yùn)動的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。我們經(jīng)常使用安全光柵/光幕、安全掃描儀、安全地毯和防護(hù)柵欄，以避免保護(hù)工作人員收到受機(jī)械手的傷害。如下圖，2套安全光柵、2個(gè)安全掃描儀和大量的防護(hù)柵欄被用于2個(gè)機(jī)械手的危險(xiǎn)隔離。在這里，3種不同的安全防護(hù)技術(shù)被應(yīng)用于這個(gè)解決方案。而Pilz最新推出的產(chǎn)品SafetyEYE可以使用一種技術(shù)就可以完成以上所有的安全功能，并使成本更加低、使用更加靈活。

安全照相系統(tǒng)的SafetyEYE包含兩個(gè)相互作用的單元：傳感裝置包含照相機(jī)和分析單元，分析單元用以分析圖像信息并且通過一個(gè)可編程的安全控制系統(tǒng)提供一個(gè)自動化的界面。照相機(jī)每秒鐘能記錄下多個(gè)圖像信息用于計(jì)算目標(biāo)的物理位置，然后將其與檢測區(qū)域和警告區(qū)域進(jìn)行比較，根據(jù)不同的比較結(jié)果可以設(shè)定不同的輸出，并且可以通過安全的總線系統(tǒng)SafetyBUSp和未來的SafetyNETp進(jìn)行設(shè)置。SafetyEYE是在三維視覺理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它要形成一個(gè)真實(shí)空間中目標(biāo)的圖像信息至少需要來自兩個(gè)角度的信息，就像人的兩只眼睛一樣，SafetyEYE需要一些傳感器也就是一些照相機(jī)來保證獲取所需的信息。SafetyEYE配置了三個(gè)照相機(jī)為的是能夠獲取所有情況及每個(gè)可能的可視和實(shí)際情況下的圖像信息。人眼之間的距離能夠與SafetyEYE鏡頭間的距離相比較。由于所有靜態(tài)和動態(tài)的目標(biāo)都可以被監(jiān)控，單個(gè)的照相機(jī)必須同時(shí)采集信息，SafetyEYE的傳感裝置每秒鐘可以采集20個(gè)圖像信息，通過光纖電纜傳輸?shù)椒治鰡卧?，隨著單個(gè)照相機(jī)間的距離的確定也建立起深度效果。靈活的設(shè)計(jì)使得風(fēng)景顯得相對平坦，例如，對于一個(gè)具體的應(yīng)用，基本距離間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鏡頭的布局以及照相機(jī)的像素都應(yīng)該作為參考，用以確定最小的可發(fā)覺的目標(biāo)的大小。

對于汽車制造領(lǐng)域中的機(jī)器人控制，采用SafetyEYE即可達(dá)到類似下圖中的效果。一套系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)原先需要三套甚至更多系統(tǒng)才能夠完成的安全功能！

我們以總裝車間中的涂膠工作站為例，操作人員需要將一個(gè)前擋風(fēng)玻璃插入到一個(gè)裝置中，擋風(fēng)玻璃通過排煙罩殼固定，操作人員安裝真空固定的光、雨傳感器，然后在外邊緣涂上膠粘劑，從而使得擋風(fēng)玻璃能夠連接到車身上，要完成整個(gè)的工作流程，操作人員必須離開工作站并啟動自動模式。這些工作站的大小大約是3x1x2米（寬、深、高），在這樣的工作站內(nèi)，操作人員的安全保障主要是通過光幕和激光掃描儀來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有操作人員進(jìn)入到工作站時(shí)，光幕就會切斷所有危險(xiǎn)的移動。激光掃描儀用于防止侵入被保護(hù)的區(qū)域，這也就意味著直到人離開危險(xiǎn)區(qū)域才可以通過腳踏開關(guān)或按鈕開啟工作站。除了單個(gè)系統(tǒng)的投資之外，在工廠的工程、安裝和調(diào)試的過程中也會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)馁M(fèi)用，所有的安全元件都必須安裝、固定并且在相應(yīng)的總線分站上建立獨(dú)立的紀(jì)錄文檔，當(dāng)然我們也不能忘記在操作的過程中產(chǎn)生的費(fèi)用，包括在設(shè)定的間隔內(nèi)重復(fù)測試所產(chǎn)生的費(fèi)用?，F(xiàn)在我們可以利用SafetyEYE來保護(hù)兩個(gè)互成90°的兩個(gè)車間。兩個(gè)車間連接處的檢測區(qū)域?qū)⑼ㄟ^一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。SafetyEYE將會被安裝在大約4米能夠看到兩個(gè)工廠的高度，也會對檢測區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。因此每個(gè)工作站被定義為一個(gè)檢測區(qū)域組，這些工作組將會獨(dú)立于其他的元件單獨(dú)轉(zhuǎn)換。使用了SafetyEYE之后，其他的安全裝置如激光掃描儀和光幕現(xiàn)在就可以拆除了，因?yàn)椴辉傩枰切┰谠O(shè)備邊緣的防護(hù)裝置，整個(gè)的工作站將會變得非常得開放。整個(gè)的設(shè)備現(xiàn)在可以更好得滿足員工對環(huán)境的需求。

結(jié)束語

Pilz作為第一個(gè)安全繼電器的發(fā)明者，多年來一直致力于安全自動化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)自動化技術(shù)的研究和開發(fā)。Pilz的各種產(chǎn)品被廣泛的應(yīng)用于汽車制造行業(yè)，并且獲得客戶極大的認(rèn)可。隨著國內(nèi)對安全生產(chǎn)、以人為本的經(jīng)營理念的不斷認(rèn)知，我們相信，國內(nèi)汽車制造廠商對安全自動化技術(shù)的要求將會不斷提高。Pilz將會保持客戶至上的公司理念，為國內(nèi)汽車制造領(lǐng)域的廣大用戶提供更加可靠、更高性價(jià)比、更先進(jìn)的安全與非安全的整體解決方案。