北京奔馳-戴姆勒柯萊斯勒有限公司是北京北汽集團與奔馳-戴姆勒柯萊斯勒的合資企業，於05年10月開始在北京亦莊新建汽車生產廠

，本地化生產奔馳E200、E280係列和戴姆勒柯萊斯勒300C係列車型。新建廠由兩個廠區組成
，一邊是生產奔馳車的焊裝和總裝車間
，另一邊是生產300C的焊裝和總裝車間。兩個車間共用一個噴塗車間，這次建廠並沒有新建衝壓車間。整個項目控製係統的實施完全依照IntegraBBDC V1.02標準（奔馳和Siemens合訂汽車廠控製係統標準）和北京奔馳-戴姆勒柯萊斯勒汽車有限公司企業標準。

根據300C整車生產工藝
，控製係統機構如圖1。設備層麵控製係統采用總線方式
，集中控製各生產車間生產線，各生產控製係統上層通過TCP/IP通訊協議和廠級計算機係統相接入的接口。現場總線采用SIEMENS公司PROFIBUS總線，相關總線I/O擴展元件以此為基礎搭建。通常情況下工廠的控製係統可以分為五層：傳感器/執行器層、現場總線層

、控製層、 區域管理層
、生產管理層。

圖1. 生產車間控製係統簡圖

 

在控製層采用了Siemens控製係統 CPU416F-2作係統主站
，采用WinCC開發了中控室人機界麵

；而現場總線層采用了如下PROFIBUS從站：ET200S和ET200ECO作分布式I/O，MasterDrive作工藝線和升降機的驅動裝置
，ET200FC變頻器作滾床、推車機等設備的驅動設備，PP17作操作麵板，TP270作現場HMI
；傳感器層采用了Siemens大量接近開關。安全係統方麵采用了Siemens的PROFIsafe安全總線協議
、分布式安全模塊4/8F-DI和4F-DO、光幕、急停按鈕和門開關等產品。

本文針對PROFIsafe在300C總裝車間的應用，描述了PROFIsafe實現安全機製的機理
，結合PROFIsafe的實際工程應用
，探討了應用方法和使用效果。

在zai汽qi車che生sheng產chan廠chang，尤you其qi是shi在zai自zi動dong化hua程cheng度du較jiao高gao的de焊han裝zhuang車che間jian和he總zong裝zhuang車che間jian，大da量liang的de焊han接jie機ji器qi人ren和he裝zhuang配pei機ji械xie手shou的de出chu現xian，造zao成cheng了le許xu多duo需xu要yao安an全quan保bao護hu的de危wei險xian區qu域yu，所suo以yi安an全quan傳chuan感gan器qi
，如ru區qu域yu保bao護hu掃sao描miao器qi
、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，但現在連接這些安全設備的控製係統仍停留在“安全繼電器”或“安全PLC”的非總線控製係統的低級控製狀態，大大限製了生產過程控製係統的發展。但如果將這些安全設備連接到非安全的現場總線係統（如標準的Profibus）上去
，就會存在比較大的安全隱患，是一種非安全的控製狀態。北京奔馳-戴克有限公司300C項目的總裝車間采用PROFIBUS作為現場控製網絡，同時采用PROFIsafeweianquantongxinxieyi，shixianlekongzhiwangluoheanquanwangluodewanmeijicheng
，jianhualekongzhiwangluojiegou，jieshengleanzhuangchengbenhegongchengshigongshijian，shixitongjuyoulekekaodeanquanbaohuzhuangzhi，weianquan、穩定生產提供保障。

隨sui著zhe現xian場chang總zong線xian技ji術shu的de發fa展zhan和he廣guang泛fan應ying用yong，故gu障zhang安an全quan通tong信xin技ji術shu近jin年nian也ye得de到dao了le飛fei速su發fa展zhan
，安an全quan總zong線xian係xi統tong的de應ying用yong使shi得de工gong業ye控kong製zhi係xi統tong更geng具ju安an全quan性xing和he可ke用yong性xing，同tong時shi提ti高gao了le係xi統tong靈ling活huo性xing，有you效xiao節jie約yue了le布bu線xian和he工gong程cheng施shi工gong的de成cheng本ben。

與SafetyBus p這種獨立的安全網絡和獨立的安全PLC想比
，Siemens推出的安全通信協議PROFIsafe將安全設備和標準設備的數據流完全整合在以PROFIBUS為平台的總線係統中
，使標準設備和安全設備能同時共用一條通信鏈路。從1999年PROFIsafe引入以來，TUV已經認證了其在PROFIBUS上運用的安全性

，達到了IEC61508中SIL3的等級，最近它還獲得了PROFInet上使用安全性的認證。開放架構的PROFIsafe使得選擇其他廠商的產品成為可能。目前有大量的廠商都提供支持PROFIsafe的設備，如Banner，Beckhoff，Sick，Turck和Wago等。

        與傳統安全係統相比PROFIsafe具有如下優點：

     （1）安全通信和標準通信在同一根電纜上共存；

     （2）PROFIsafe-故障安全性建立在單信道通信係統之上，安全通信不通過冗餘電纜來達到目的
；

     （3）標準通信部件
，如電纜、專用芯片、DP-棧軟件等等，無任何變化；

     （4）故障安全措施封閉在終端模塊中(F-Master
，F-Slave)
，采用專利SIL監視器獲得極高的安全性
；

       （5）最高故障安全完整性等級為SIL3(IEC61508)；

       （6）既可用於低能耗(Ex-i)的過程自動化，又可用於反應迅速的製造業自動化
；

        PROFIsafe使(shi)標(biao)準(zhun)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)和(he)故(gu)障(zhang)安(an)全(quan)技(ji)術(shu)合(he)為(wei)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)，即(ji)故(gu)障(zhang)安(an)全(quan)通(tong)信(xin)和(he)標(biao)準(zhun)通(tong)信(xin)在(zai)同(tong)一(yi)根(gen)電(dian)纜(lan)上(shang)共(gong)存(cun)，安(an)全(quan)通(tong)信(xin)不(bu)通(tong)過(guo)冗(rong)餘(yu)電(dian)纜(lan)來(lai)實(shi)現(xian)。這(zhe)不(bu)僅(jin)在(zai)布(bu)線(xian)上(shang)和(he)品(pin)種(zhong)多(duo)樣(yang)性(xing)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)，而(er)且(qie)也(ye)方(fang)便(bian)日(ri)後(hou)係(xi)統(tong)的(de)改(gai)造(zao)。圖(tu)2所示，標準控製器、I/O和安全控製器、F-I/O共用一條總線，通過F-網關可連接到其他安全總線係統。采用PROFIsafe既可使用單總線結構也可根據要求采用標準總線和安全總線分開的結構。

        圖3為PROFIsafe的ISO/OSI簡化模型，PROFIBUS在ISO/OSI模型中使用了1
、2和7層，相對安全層來說，它是一個黑色通道（Black Channel）；PROFIsafe為置於第7層之上的安全層(Safety-Layer)
，其僅負責有效數據的安全傳送，而有效數據的準備和提供則是由依照故障安全技術要求設計的固件來完成。

 

圖2.標準通信和安全通信同在一個網絡內

 

         圖4為PROFIsafe通信的簡單報文結構

，從這裏可以看出
，安全通信的報文與標準通信報文是同時在PROFIBUS網絡上進行通信的。而且根據製造業和過程工業不同的要求，有兩種有效數據長度。

        PROFIsafe采用PROFIBUS標準機製的主從輪詢通信方式使F-CPU和F-Slave交換信息，這樣在主站與從站之間存在著1：1的關係，輪詢操作(Polling)能夠立即察覺一旦出現故障的某個設備，這正是故障安全技術的基本原則。為了避免網絡傳輸錯誤，PROFIsafe采用了故障安全按位編號，帶應答的時間監控，用密碼標識發送器和接收器，增設16/32位循環冗餘校驗(CRC)等措施以保證數據的安全。此外
，PROFIsafe還采用了SIL-Monitor專利技術
，SIL監視器本身不是硬件，而是可實現PROFIsafe-驅動器軟件的一部分。借助SIL-Monitor
，F-係統能夠在故障率超過一定限度之前即采取有效的安全保護措施，從而避免係統中出現險情。

 

圖3. PROFIsafe的ISO/OSI模型

 

 

 

圖4. 標準通信中的PROFIsafe報文

       

PROFIsafe的發展拓寬了PROFIBUS在工廠自動化和過程自動化領域的應用範圍。本文通過探討PROFIsafe的通信原理及其在汽車廠的實際應用
，展現了PROFIsafe的實用性和優越性。

 

現場總線技術的發展，改變了汽車廠控製係統的控製結構，近年新上項目均采用了以現場總線和分布式I/O為(wei)主(zhu)的(de)控(kong)製(zhi)結(jie)構(gou)。開(kai)放(fang)式(shi)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)使(shi)用(yong)
，不(bu)僅(jin)能(neng)使(shi)不(bu)同(tong)供(gong)貨(huo)商(shang)的(de)設(she)備(bei)共(gong)存(cun)於(yu)一(yi)個(ge)總(zong)線(xian)係(xi)統(tong)中(zhong)，而(er)且(qie)還(hai)能(neng)簡(jian)化(hua)布(bu)線(xian)，加(jia)快(kuai)信(xin)息(xi)在(zai)數(shu)字(zi)網(wang)絡(luo)上(shang)的(de)傳(chuan)播(bo)。但(dan)際(ji)上(shang)，標(biao)準(zhun)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)係(xi)統(tong)還(hai)不(bu)能(neng)算(suan)是(shi)一(yi)個(ge)完(wan)美(mei)的(de)總(zong)線(xian)係(xi)統(tong)，尤(you)其(qi)在(zai)“安全控製”方麵存在著很大的漏洞。PROFIsafe安全通信協議是PROFIBUS網絡在安全領域的擴展，PROFIsafe的引入使PROFIBUS更具完整性。

300C項目總裝車間按工藝分由三部分構成：漆後緩衝區、門線、內飾/底di盤pan線xian。漆qi後hou緩huan衝chong區qu實shi現xian了le總zong裝zhuang車che間jian和he噴pen塗tu車che間jian的de接jie口kou，從cong噴pen塗tu車che間jian接jie收shou到dao噴pen好hao漆qi的de車che身shen
，然ran後hou根gen據ju車che的de不bu同tong型xing號hao和he顏yan色se進jin行xing編bian組zu
，根gen據ju管guan理li層ceng的de生sheng產chan任ren務wu
，按an要yao求qiu將jiang車che身shen移yi交jiao給gei總zong裝zhuang的de內nei飾shi線xian。內nei飾shi線xian由you兩liang條tiao輸shu送song線xian組zu成cheng，全quan長chang300米，45個ge工gong位wei

，線xian上shang按an汽qi車che安an裝zhuang工gong藝yi編bian排pai工gong位wei任ren務wu，兩liang條tiao內nei飾shi線xian間jian通tong過guo快kuai鏈lian銜xian接jie。與yu內nei飾shi線xian相xiang同tong，底di盤pan線xian也ye有you兩liang條tiao線xian組zu成cheng，內nei飾shi和he底di盤pan間jian通tong過guo快kuai鏈lian相xiang連lian，底di盤pan線xian上shang要yao與yu發fa動dong機ji合he裝zhuang線xian和he加jia注zhu機ji進jin行xing信xin號hao交jiao接jie。在zai底di盤pan線xian的de末mo端duan會hui有you升sheng降jiang機ji將jiang裝zhuang配pei好hao的de車che放fang到dao尾wei線xian上shang，進jin行xing裝zhuang門men和he監jian測ce。門men線xian作zuo為wei總zong裝zhuang的de一yi部bu分fen，完wan成cheng車che門men的de安an裝zhuang和he輸shu送song。

整個總裝車間控製係統建立在PROFIBUS現場總線基礎上
，根據工藝劃分由三部分構成，每部分由一個CPU416F-2作為PROFIBUS主站和ET200S分布式I/O組成
，不同PROFIBUS網絡間采用DP COUPLER交接信號。本文以內飾/底盤線為例介紹了係統控製結構和PROFIsafe的應用。

 

       圖5. 內飾、底盤線控製網絡

 

        內飾底盤線分慢鏈和快鏈
，慢鏈為工藝線，包括2條內飾線、2條底盤線、尾線
，全長700多米
；快鏈實現了2條內飾線
、2條底盤線間的銜接和吊具緩衝功能。控製係統由一個CPU416F-2為主站，20個ET200S、11個ET200ECO、7個MasterDrive和8個PP17和1個TP270等從站組成，通過DP Coupler與緩衝區交接信號。如圖5為內飾底盤線的控製網絡PROFIBUS簡圖
，安全模塊分布於各個ET200S從站內
，通過IM151HF接口模塊與主站416F-2進行安去通信。現場急停
、門開關、限位開關


、光幕等安全信號通過安全模塊輸入點連接到控製係統中。這樣整個係統的控製設備和安全設備就通過一條PROFIBUS總線連接起來了。

        安全模塊的輸入采用4/8F-DI，輸出采用4F-DO，zaidianqiyingjianshejishanganquanmokuaidebenshentexingshianquanmokuaidegongdianhemokuaijiexianyukongzhibufenxiangfenli
，jiruguoanquanmokuaiheputongmokuaidianqishejishangxianghujiaocha，anquanmokuaijiangbaocuo。zaiyingjianzutaizhong，yekeduianquanmokuaideshuxingjinxingjinyibudeshezhi，liruxuanzetongdaopingguleixing，liangxianchuanganqishuchuxinhaodewuchashijian，chanshengwuchahoutidaizhi。tongshi
，zairuanjianshejishang
，PROFIsafe也采用控製軟件與安全通信軟件相分離的方法
，來提高係統的安全等級。軟件設計中所有的安全程序將通過一個屬性為F-CALL的FC塊，完成程序的執行。

        本係統安全程序參照Siemens安全程序編寫標準的基礎上，采用奔馳 IntegraBBDC標準程序庫，采集安全模塊的輸入並進行處理
，同時通過安全模塊的輸出來控製電機接觸器的分斷。圖6為安全程序基本機構
，通過處理輸入點的FC程序塊，對急停、限位開關、光幕等安全輸入信號進行處理
，同時將處理過的信號輸出給處理輸出模塊的FC塊
，輸出模塊的FC塊直接輸出控製信號給DO點

，來控製接觸器動作。圖6中
，分別采集了兩個急停的輸入信號給兩個FC塊，把FC塊的輸出相與給到輸出模塊的輸入點上
，這樣隻要有一個急停被觸發，輸出模塊就會動作。

 圖6. 安全程序基本結構

        內飾/底盤控製係統的PROFIsafe實現了現場30個急停和30個ge保bao護hu開kai關guan及ji光guang幕mu的de通tong信xin監jian測ce，實shi現xian了le標biao準zhun控kong製zhi網wang絡luo與yu安an全quan網wang絡luo的de良liang好hao集ji成cheng，簡jian化hua了le控kong製zhi網wang絡luo結jie構gou，節jie省sheng了le安an裝zhuang成cheng本ben和he工gong程cheng施shi工gong時shi間jian。本ben係xi統tong於yu2006年6月yue開kai始shi投tou入ru使shi用yong，至zhi今jin運yun行xing穩wen定ding。當dang係xi統tong正zheng常chang運yun行xing時shi，維wei護hu人ren員yuan基ji本ben不bu用yong考kao慮lv與yu安an全quan設she備bei相xiang關guan的de問wen題ti，就jiu像xiang安an全quan相xiang關guan的de設she備bei不bu在zai這zhe個ge係xi統tong中zhong一yi樣yang

，但dan實shi際ji上shang其qi已yi經jing集ji成cheng在zai了le這zhe個ge係xi統tong中zhong了le。由you於yu控kong製zhi信xin息xi和he安an全quan信xin息xi在zai一yi個ge網wang絡luo上shang進jin行xing傳chuan輸shu


，所suo以yi操cao作zuo員yuan可ke以yi通tong過guo一yi個ge人ren機ji界jie麵mian就jiu可ke以yi觀guan察cha現xian場chang的de所suo有you部bu件jian運yun行xing狀zhuang況kuang，這zhe無wu論lun對dui生sheng產chan控kong製zhi或huo者zhe避bi免mian非fei安an全quan事shi件jian的de發fa生sheng，都dou能neng產chan生sheng更geng為wei有you效xiao的de反fan應ying。

         在係統的調試階段碰到的問題有兩個：

（1）    連接到PROFIBUS上的TP270不能接收到CPU傳過來的數據

         按項目的最初設計

，TP270應該與其他分布式I/O和現場控製設備共存於一個PROFIBUS網絡

，但調試TP270時，其卻不能得到CPU416F-2的數據。分析原因可能是安全模塊過多
，造成網絡負荷過大。解決方案是利用CPU的另一個PROFIBUS接口建立與TP的連接，完成通信。

        （2）位於底盤2dejiazhujigeiwomendexinhaoyoujiting
，erqieqiyaoqiujitingxinhaokezailianggehuilujianqiehuan。shixianjiazhujikaihuoguanbishi
，jitingdounengkongzhishusongxiandeyunxing。zhelibiancunzaidewentishi，anquanmokuaixianzhizheyangdehuiluqiehuan，yidanqiehuanjiuhuibaoduanluguzhang。jiejuefangfashizaianquanmokuaideyingjianshuxingshezhilibianyouyixiang“Short circuit test”設置，將其默認屬性“cyclic”改成“lock”
，這樣這塊模塊就不具備了短路監測功能
，當切換時也不會發生短路故障報警。但這樣作同時也降低了係統的安全等級。

 

圖7.現場控製櫃安全模塊從站

 

        PROFIsafe自1999年推出以來

，在歐美地區製造業和過程工業都取得了良好的業績。北京奔馳-戴克汽車廠PROFIsafe安(an)全(quan)通(tong)信(xin)協(xie)議(yi)的(de)應(ying)用(yong)，實(shi)現(xian)了(le)安(an)全(quan)通(tong)信(xin)和(he)標(biao)準(zhun)通(tong)信(xin)的(de)集(ji)成(cheng)，節(jie)省(sheng)了(le)安(an)裝(zhuang)費(fei)用(yong)，沒(mei)有(you)複(fu)雜(za)的(de)反(fan)饋(kui)接(jie)線(xian)，安(an)全(quan)邏(luo)輯(ji)通(tong)過(guo)程(cheng)序(xu)來(lai)實(shi)現(xian)，增(zeng)強(qiang)了(le)靈(ling)活(huo)性(xing)，實(shi)現(xian)了(le)係(xi)統(tong)對(dui)故(gu)障(zhang)的(de)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)。隨(sui)著(zhe)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)在(zai)中(zhong)國(guo)的(de)大(da)力(li)發(fa)展(zhan)，安(an)全(quan)總(zong)線(xian)及(ji)其(qi)帶(dai)來(lai)的(de)經(jing)濟(ji)利(li)益(yi)將(jiang)倍(bei)受(shou)關(guan)注(zhu)
，對(dui)於(yu)麵(mian)臨(lin)全(quan)球(qiu)化(hua)的(de)中(zhong)國(guo)企(qi)業(ye)來(lai)說(shuo)

，使(shi)自(zi)己(ji)的(de)生(sheng)產(chan)係(xi)統(tong)可(ke)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)等(deng)級(ji)評(ping)價(jia)，也(ye)增(zeng)強(qiang)了(le)企(qi)業(ye)的(de)競(jing)爭(zheng)力(li)
，相(xiang)信(xin)不(bu)久(jiu)的(de)將(jiang)來(lai)，PROFIsafe將在中國取得更大的發展。

 

 

1 PNO: PROFIBUS Profile, “PROFIsafe-Profile for Safety Technology”, Version 1.20, October 2002, Order No.3.092

2 System Manual Safety Technology. 5 Edition. Order No. 6ZB5 000-0AA02-0BA1

3 SIMATIC S7 Distributed Safety: feedback for Version 10/2004 A5E00297771

 

 

 

 

 

 

 

Yang Hong Bo

Siemens A&D OD Beijing 100102

Abstract：In this paper, the principle and characteristic of the PROFIsafe are introduced. In the meanwhile, PROFIsafe application of Beijing Benz Daimler Chrysler assembly factory is described according to the technics and control type.  

Keywords：Safety Bus  PROFIsafe  PROFIBUS  Safety module

 

 

總裝車間輸送線