Pilz安全控制模塊在汽車制造中的應(yīng)用
安全繼電器 ， 汽車制造 ， 四大工藝
*，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(dòng)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(guó)內(nèi)外的汽車制造商歷來(lái)重視汽車制造過(guò)程中的安全與保護(hù)。隨著產(chǎn)能的不斷提升，廠商對(duì)設(shè)備自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，機(jī)器和設(shè)備也越來(lái)越復(fù)雜、速度也越來(lái)越快。因此，廠商對(duì)這些機(jī)器的安全要求也越來(lái)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(duì)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(lái)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，zui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(kāi)車、停車、出現(xiàn)工藝擾動(dòng)以及正常維護(hù)操作期間對(duì)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(hào)，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(hào)（即安全功能，如緊急停止信號(hào)、安全門信號(hào)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(guó)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(duì)安全功能進(jìn)行監(jiān)控。從表面看來(lái)，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(huì)丟失安全保護(hù)功能，引發(fā)事故。
Pilz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(cè)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(cè)出來(lái)。從而在zui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。
Pilz在汽車制造行業(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)：
ØEN 1050-1996 機(jī)械安全 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
ØEN 292－1：1991 機(jī)器安全 基本概念與設(shè)計(jì)通則
ØEN 954-1 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
ØEN/IEC 60204 機(jī)械安全 機(jī)械電氣設(shè)備
ØEN/ISO 13894 機(jī)械的安全 控制系統(tǒng)有關(guān)的安全部件
ØEN/IEC 61508 主要涵蓋了電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全
ØEN 418 緊急制動(dòng)設(shè)備
ØEN 1088 與保護(hù)裝置有關(guān)的連鎖裝置 設(shè)計(jì)和選擇原則
ØEN 12415 機(jī)床 安全 小型數(shù)控車床和車削中心
ØEN 12417 機(jī)床 安全 加工中心
ØEN 12478 機(jī)床 安全 大型數(shù)控車床和車削中心
ØEN 692：1996 機(jī)械壓力機(jī)安全
ØEN 693：2000 機(jī)床安全 液壓機(jī)
ØEN 1550：1997 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EN 954-1(此標(biāo)準(zhǔn)將被 EN ISO 13849替代)。其中以下的圖表常被用于機(jī)械的等級(jí)判斷。
EN 954-1中的等級(jí)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(guò)分析，由于壓機(jī)滑塊會(huì)對(duì)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(shuō)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(dòng)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(duì)于壓機(jī)的工作區(qū)域，我們可以得到其安全等級(jí)要求為4級(jí)。沖壓車間為所有車間之中zui為危險(xiǎn)、安全等級(jí)zui高的一個(gè)生產(chǎn)區(qū)域。對(duì)于油漆、總裝、車身和動(dòng)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(píng)估和等級(jí)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(jí)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(duì)應(yīng)的安全等級(jí)。在整個(gè)安全控制電氣系統(tǒng)中，安全控制模塊zui為復(fù)雜。因?yàn)榘踩刂颇K，既要采集安全輸入信號(hào)，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(cè)安全輸入信號(hào)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PNOZ X、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(wú)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(cè)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)PNOZ m0（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(cè)試脈沖輸出。可以使用擴(kuò)展模塊來(lái)達(dá)到增加輸入輸出點(diǎn)、速度監(jiān)視、現(xiàn)場(chǎng)總線連接的功能。通過(guò)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(duì)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(cè)試脈沖對(duì)輸入信號(hào)和輸出被控元件進(jìn)行檢測(cè)，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)SafetyBUS p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(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，采用了一系列的時(shí)間檢測(cè)、地址檢測(cè)、連接檢測(cè)和CRC冗余校驗(yàn)等措施，達(dá)到高的安全等級(jí)。
對(duì)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(duì)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(duì)于安全功能4個(gè)以下的單臺(tái)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(dòng)力車間中的單臺(tái)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(jí)在3級(jí)以上。對(duì)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(dòng)的變頻器或伺服）。
對(duì)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(lái)得到更高的靈活性和更低的成本。我們以一條油漆自動(dòng)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(duì)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(jí)在 3級(jí)以上。我們當(dāng)然可以選用緊湊型的安全繼電器來(lái)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、的完成安全功能，并且能夠從設(shè)計(jì)、購(gòu)買、維護(hù)中降低成本。
對(duì)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(chǎng)，可編程安全系統(tǒng)PSS和安全總線系統(tǒng)SafetyBUS p 可以使復(fù)雜的安全控制變得簡(jiǎn)便、清晰。在大型沖壓流水線中，PSS和SafetyBUS p都有成功的應(yīng)用案例。通常，一條沖壓流水線高10m，長(zhǎng)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(hào)（比如上死點(diǎn)、閥信號(hào)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SafetyBUS p 安全總線系統(tǒng)是zui為合適的解決方案。PSS可編程控制器可以簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。通過(guò)SafetyBUS p安全總線可以將分散在現(xiàn)場(chǎng)的安全輸入信號(hào)通過(guò)一根電纜集中至PSS主站進(jìn)行控制。同時(shí)，PSS可以通過(guò)普通現(xiàn)場(chǎng)總線如Profibus、 DeviceNET與現(xiàn)場(chǎng)的其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊。
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(dòng)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(guò)一個(gè)可編程的安全控制系統(tǒng)提供一個(gè)自動(dòng)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(cè)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(guò)安全的總線系統(tǒng)SafetyBUS p和未來(lái)的SafetyNET p進(jìn)行設(shè)置。SafetyEYE是在三維視覺(jué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(lái)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(lái)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(dòng)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(guò)光纖電纜傳輸?shù)椒治鰡卧S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(duì)平坦，例如，對(duì)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，用以確定小的可發(fā)覺(jué)的目標(biāo)的大小。
對(duì)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(guò)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(kāi)工作站并啟動(dòng)自動(dòng)模式。這些工作站的大小大約是3 x 1 x 2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(guò)光幕和激光掃描儀來(lái)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(huì)切斷所有危險(xiǎn)的移動(dòng)。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(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域才可以通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)或按鈕開(kāi)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(guò)程中也會(huì)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(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)用，包括在設(shè)定的間隔內(nèi)重復(fù)測(cè)試所產(chǎn)生的費(fèi)用。現(xiàn)在我們可以利用SafetyEYE來(lái)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(cè)區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。SafetyEYE將會(huì)被安裝在大約4米能夠看到兩個(gè)工廠的高度，也會(huì)對(duì)檢測(cè)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(cè)區(qū)域組，這些工作組將會(huì)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(huì)變得非常得開(kāi)放。整個(gè)的設(shè)備現(xiàn)在可以更好得滿足員工對(duì)環(huán)境的需求。
Pilz作為*個(gè)安全繼電器的，多年來(lái)一直致力于安全自動(dòng)化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化技術(shù)的研究和開(kāi)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(guó)內(nèi)對(duì)安全生產(chǎn)、以人為本的經(jīng)營(yíng)理念的不斷認(rèn)知，我們相信，國(guó)內(nèi)汽車制造廠商對(duì)安全自動(dòng)化技術(shù)的要求將會(huì)不斷提高。 Pilz 將會(huì)保持客戶至上的公司理念，為國(guó)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、更優(yōu)良的安全與非安全的整體解決方案。

Pilz安全控制模塊在汽車制造中的應(yīng)用