前言

    眾所周知，現代汽車(chē)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(chē)生產(chǎn)的五個(gè)密不可分的生產(chǎn)流程。國內外的汽車(chē)制造商歷來(lái)重視汽車(chē)制造過(guò)程中的安全與保護。隨著(zhù)產(chǎn)能的不斷提升，廠(chǎng)商對設備自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，機器和設備也越來(lái)越復雜、速度也越來(lái)越快。因此，廠(chǎng)商對這些機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、易維護性。這就對安全元器件的正確和合理的設計和選擇提出了一定的要求。

    為何在安全控制系統中，需要使用特殊的安全控制模塊來(lái)控制安全功能

    安全控制系統必須提供一種高度可靠的安全保護手段，最大限度地避免機器的不安全狀態(tài)、保護生產(chǎn)裝置和人身安全，防止惡性事故的發(fā)生、減少損失。該系統在開(kāi)車(chē)、停車(chē)、出現工藝擾動(dòng)以及正常維護操作期間對機器設備提供安全保護。一旦當機器設備本身出現危險，或由于人為原因而導致危險時(shí)，系統立即做出反應并輸出正確信號，使機器安全停車(chē)，以阻止危險的發(fā)生或事故的擴散。

    一套安全控制系統，由安全輸入信號（即安全功能，如緊急停止信號、安全門(mén)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。

    在國內不少具有安全要求的機器中，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)行監控。從表面看來(lái)，這樣的機器在一定條件下也能夠保證安全性。但是，當普通的繼電器和PLC由于自身缺陷或外界原因導致功能失效時(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、多樣的結構，加之以自我檢測和監控、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(lái)。從而在最大程度上保證了整個(gè)安全控制系統的正常運行，保護了人和機器的安全。

    汽車(chē)制造行業(yè)的安全要求

    汽車(chē)制造行業(yè)需要運用到各種各樣的設備和技術(shù)，包括有數控機床、沖壓設備、機器人控制、傳送和傳輸裝置等。這些設備根據不同應用和其本身的風(fēng)險程度，有著(zhù)不同的安全要求。通常，我們可以參照以下歐洲標準進(jìn)行設備的設計：

    ▲EN 1050-1996  機械安全  風(fēng)險評價(jià)

    ▲EN 292－1：1991 機器安全 基本概念與設計通則

    ▲EN 954-1 機械安全 控制系統有關(guān)安全部件 第1部分 設計通則

    ▲EN/IEC 60204 機械安全  機械電氣設備

    ▲EN/ISO 13894 機械的安全 控制系統有關(guān)的安全部件

    ▲EN/IEC 61508 主要涵蓋了電氣/電子/可編程電子系統的功能安全

    ▲EN 418 緊急制動(dòng)設備

    ▲EN 1088  與保護裝置有關(guān)的連鎖裝置   設計和選擇原則

    ▲EN 12415  機床 安全  小型數控車(chē)床和車(chē)削中心

    ▲EN 12417  機床 安全  加工中心

    ▲EN 12478   機床 安全  大型數控車(chē)床和車(chē)削中心

    ▲EN 692：1996 機械壓力機安全

    ▲EN 693：2000 機床安全 液壓機

    ▲EN 1550：1997 機床安全 工件夾緊用卡盤(pán)設計和制造的安全要求

    這些標準中，我們現在比較常用的有EN 954-1(此標準將被 EN ISO 13849替代)。其中以下的圖表常被用于機械的等級判斷。

    EN 954-1中的等級分為B、1、2、3、4，分別由低到高。我們以沖壓車(chē)間中的壓機設備為例，經(jīng)過(guò)分析，由于壓機滑塊會(huì )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之下進(jìn)行加工，連續工作12小時(shí)。也就是說(shuō)操作人員需要經(jīng)常面臨此危險，所以我們選擇F2；而滑塊下落的時(shí)間遠遠低于人員反應和動(dòng)作的時(shí)間，即為人員幾乎不可能避免此危險，所以我們選擇P2。根據圖表，對于壓機的工作區域，我們可以得到其安全等級要求為4級。沖壓車(chē)間為所有車(chē)間之中最為危險、安全等級最高的一個(gè)生產(chǎn)區域。對于油漆、總裝、車(chē)身和動(dòng)力車(chē)間，則需要根據不同的設備、加工區域、傳送流程進(jìn)行各自的風(fēng)險評估和等級劃分。

    Pilz安全控制模塊在汽車(chē)制造領(lǐng)域中的應用

    在確定了設備的安全等級之后，相應安全區域的安全控制電氣回路也必須達到與之對應的安全等級。在整個(gè)安全控制電氣系統中，安全控制模塊最為復雜。因為安全控制模塊，既要采集安全輸入信號，并且根據邏輯要求，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。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(xiàn)系統。

    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。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構，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。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基礎模塊和若干個(gè)擴展模塊組成?；A模塊可單獨使用，包括20個(gè)可連接急停按鈕、安全門(mén)、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展模塊來(lái)達到增加輸入輸出點(diǎn)、速度監視、現場(chǎng)總線(xiàn)連接的功能。通過(guò)基礎模塊上的RS232接口可以直接向PNOZmulti寫(xiě)入程序，或使用讀卡器向SIM智能卡寫(xiě)入程序后插入PNOZmulti運行。

    安全可編程控制器適用于中、大型的安全控制系統。Pilz的安全可編程控制器PSS的CPU采用冗余的多處理器結構。各個(gè)處理器之間相互監控，一旦出現不一致，立刻使控制器處于安全狀態(tài)，并且發(fā)出報警信息；同時(shí)，安全可編程控制器對內部的RAM，EPROM，輸入輸出寄存器等元件進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，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，一旦出現任何不安全隱患，控制器立刻切換至安全保護狀態(tài)。

    Pilz 安全總線(xiàn)系統SafetyBUS p則適用于大型、離散式的安全控制系統。其原理是在現有工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎上，采用了一系列的時(shí)間檢測、地址檢測、連接檢測和CRC冗余校驗等措施，達到高的安全等級。

    對于汽車(chē)制造工業(yè)的不同車(chē)間和設備，以上安全產(chǎn)品的正確選擇、設計和使用，對于成本的降低、設備的安全可靠性、維護的便易性至關(guān)重要。

    對于安全功能4個(gè)以下的單臺設備或流水線(xiàn)，我們可以使用緊湊型安全繼電器。例如，在動(dòng)力車(chē)間中的單臺數控機床，其安全功能通常包括數個(gè)緊急停止按鈕、一扇至二扇安全門(mén)，并且安全等級在3級以上。對于這樣一個(gè)應用，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(mén)。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)負載（如控制軸運動(dòng)的變頻器或伺服）。

    對于安全功能在4至14個(gè)的設備或流水線(xiàn)，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(xiàn)為例，在此生產(chǎn)區域中，通常包括在安裝在噴涂區域進(jìn)出口的2對安全光柵、4/8個(gè)安全門(mén)、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。我們當然可以選用緊湊型的安全繼電器來(lái)實(shí)現以上安全功能。但是這種解決方案的成本較高、接線(xiàn)繁瑣、故障診斷困難。而PNOZmulti的應用，不但能夠可靠、高效的完成安全功能，并且能夠從設計、購買(mǎi)、維護中降低成本。

    對于安全功能在數十個(gè)以上、或者大部分的安全功能都離散分布的現場(chǎng)，可編程安全系統PSS和安全總線(xiàn)系統SafetyBUS p 可以使復雜的安全控制變得簡(jiǎn)便、清晰。在大型沖壓流水線(xiàn)中，PSS和SafetyBUS p都有成功的應用案例。通常，一條沖壓流水線(xiàn)高10m，長(cháng)50m，分為涂油、沖壓、剪切 等幾個(gè)工作區域。每個(gè)區域都有2扇沖程門(mén)和若干的緊急停止按鈕；外圍還需要有安全光柵保護換模區域；此外沖壓機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，并且以復雜的邏輯關(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(xiàn)系統是最為合適的解決方案。PSS可編程控制器可以簡(jiǎn)便的實(shí)現復雜的邏輯關(guān)系。通過(guò)SafetyBUS p安全總線(xiàn)可以將分散在現場(chǎng)的安全輸入信號通過(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)普通現場(chǎng)總線(xiàn)如Profibus、DeviceNET與現場(chǎng)的其他系統進(jìn)行通訊。

    Pilz安全傳感器技術(shù)在汽車(chē)制造領(lǐng)域中的應用

    現在，機器人已經(jīng)被廣泛的應用于汽車(chē)制造領(lǐng)域。機械手運動(dòng)的區域為危險區域。我們經(jīng)常使用安全光柵/光幕、安全掃描儀、安全地毯和防護柵欄，以避免保護工作人員收到受機械手的傷害。如下圖，2套安全光柵、2個(gè)安全掃描儀和大量的防護柵欄被用于2個(gè)機械手的危險隔離。在這里，3種不同的安全防護技術(shù)被應用于這個(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。

    安全照相系統的SafetyEYE包含兩個(gè)相互作用的單元：傳感裝置包含照相機和分析單元，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提供一個(gè)自動(dòng)化的界面。照相機每秒鐘能記錄下多個(gè)圖像信息用于計算目標的物理位置，然后將其與檢測區域和警告區域進(jìn)行比較，根據不同的比較結果可以設定不同的輸出，并且可以通過(guò)安全的總線(xiàn)系統SafetyBUS p和未來(lái)的SafetyNET p進(jìn)行設置。SafetyEYE是在三維視覺(jué)理論的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它要形成一個(gè)真實(shí)空間中目標的圖像信息至少需要來(lái)自?xún)蓚€(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來(lái)保證獲取所需的信息。SafetyEYE配置了三個(gè)照相機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)的目標都可以被監控，單個(gè)的照相機必須同時(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)光纖電纜傳輸到分析單元，隨著(zhù)單個(gè)照相機間的距離的確定也建立起深度效果。靈活的設計使得風(fēng)景顯得相對平坦，例如，對于一個(gè)具體的應用，基本距離間的結構設計，鏡頭的布局以及照相機的像素都應該作為參考，用以確定最小的可發(fā)覺(jué)的目標的大小。
 

    對于汽車(chē)制造領(lǐng)域中的機器人控制，采用SafetyEYE即可達到類(lèi)似下圖中的效果。一套系統既可以實(shí)現原先需要三套甚至更多系統才能夠完成的安全功能！
 

    我們以總裝車(chē)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(chē)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，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)現的。當有操作人員進(jìn)入到工作站時(shí)，光幕就會(huì )切斷所有危險的移動(dòng)。激光掃描儀用于防止侵入被保護的區域，這也就意味著(zhù)直到人離開(kāi)危險區域才可以通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)或按鈕開(kāi)啟工作站。除了單個(gè)系統的投資之外，在工廠(chǎng)的工程、安裝和調試的過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生相當的費用，所有的安全元件都必須安裝、固定并且在相應的總線(xiàn)分站上建立獨立的紀錄文檔，當然我們也不能忘記在操作的過(guò)程中產(chǎn)生的費用，包括在設定的間隔內重復測試所產(chǎn)生的費用?，F在我們可以利用SafetyEYE來(lái)保護兩個(gè)互成90°的兩個(gè)車(chē)間。兩個(gè)車(chē)間連接處的檢測區域將通過(guò)一個(gè)系統進(jìn)行監控。SafetyEYE將會(huì )被安裝在大約4米能夠看到兩個(gè)工廠(chǎng)的高度，也會(huì )對檢測區域進(jìn)行相應的設置。因此每個(gè)工作站被定義為一個(gè)檢測區域組，這些工作組將會(huì )獨立于其他的元件單獨轉換。使用了SafetyEYE之后，其他的安全裝置如激光掃描儀和光幕現在就可以拆除了，因為不再需要那些在設備邊緣的防護裝置，整個(gè)的工作站將會(huì )變得非常得開(kāi)放。整個(gè)的設備現在可以更好得滿(mǎn)足員工對環(huán)境的需求。

    結束語(yǔ)

    Pilz作為第一個(gè)安全繼電器的發(fā)明者，多年來(lái)一直致力于安全自動(dòng)化技術(shù)和標準自動(dòng)化技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。Pilz的各種產(chǎn)品被廣泛的應用于汽車(chē)制造行業(yè)，并且獲得客戶(hù)極大的認可。隨著(zhù)國內對安全生產(chǎn)、以人為本的經(jīng)營(yíng)理念的不斷認知，我們相信，國內汽車(chē)制造廠(chǎng)商對安全自動(dòng)化技術(shù)的要求將會(huì )不斷提高。Pilz 將會(huì )保持客戶(hù)至上的公司理念，為國內汽車(chē)制造領(lǐng)域的廣大用戶(hù)提供更加可靠、更高性?xún)r(jià)比、更先進(jìn)的安全與非安全的整體解決方案。