采用openSAFETY的X20安全产品在半导体设备中的应用

原创投稿

采用openSAFETY的X20安全产品在半导体设备中的应用

韩云晶

一、应用背景

半导体设备例如涂胶机、显影机、清洗机等设备在做工艺时会使用多种液态化学品，机台设置各种电磁通断阀实现液路控制，为了防止管路出现漏液，在关键位置会布置漏液传感器，当出现漏液，必须立即关断阀体，切断液路。此外，机台设置有安全门开关和急停开关，当开关触发时，必须紧急停止运动部件或者切断对应单元电源。但正常执行安全动作的前提是软件控制平台能够正常工作，倘若发生漏液或者安全门被打开，控制平台出现异常未做出响应，未将阀体关断或将运动部件紧急停止，可能会引起严重后果。为了保证安全，引进一套独立于软件控制平台的安全系统，同时采集漏液、安全门以及急停信号，当意外发生，即使软件控制平台未做出保护动作，安全控制器也能及时做出安全动作，避免事态持续恶化。

先前采用的是某日系品牌安全控制器，由于该控制器无法与软件控制平台实现Modbus TCP通讯，并且无法进行拓展，控制平台也无法实时读取安全控制器的输入输出状态。实际应用中，每一个输入信号均需使用一个继电器进行转换一分为二，分别接至安全控制器以及控制平台的采集模块，鉴于整机需接入至安全系统的信号较多且安全互锁逻辑较为复杂，往往一个设备需要3至5个安全控制器，此种应用状况在设计、装配布局、接线操作、编写安全逻辑等方面均会带来诸多不便， 而且也会带来较大的成本压力。此外，该日系控制器的安全输出类型只有半导体PNP输出，没有安全继电器输出类型，应用过程中还需要使用安全继电器将安全半导体输出转换成安全继电器输出类型，同样带来不便。应用图如图1所示，可见图中使用大量的中间继电器以及安全继电器，占用较大的布局空间。

图1 先前设备上安全系统部分概况图

二、新需求、选型

针对先前在安全控制器应用方面存在的种种不足，笔者在新机台设计之时，决意寻求全新的解决方案，关键要求有三点：第一点是可与软件控制平台实现Modbus TCP通讯，控制平台通过安全控制器直接读取各个传感器或开关的状态，无需使用继电器进行信号转换；第二点是拓展能力强，一个设备只需一套安全控制器即可满足；第三点就是安全输出点既有安全半导体输出类型，也要有安全继电器输出类型，最大可配置输入/输出点数在150/36以上，保证设计的灵活性，这样能够满足所有设备的实际点数需求。

笔者查阅施耐德、欧姆龙、贝加莱三家的安全控制器产品，结合三点主要需求以及在联接方式、单个模块输入输出点数等方面的对比，一套施耐德XPSMCM系列安全控制器安全输出点最多仅能配置16个，输入点最多只能128个，采用螺钉式联接，操作时间长，且端子布局并不利于接线操作，而欧姆龙的NX-SL系列安全控制单元的单个模块输入点较少，实际应用中需要配备大量的输入模块，会占用较多的空间，并且安全输出模块输出类型只有半导体PNP输出，需要额外购买安全继电器，显然这两家品牌无法满足笔者的实际要求。而贝加莱的X20安全产品不仅能够轻松满足笔者提出的三点要求，有效避免施耐德、欧姆龙安全产品存在的不足。最终，笔者也是选用贝加莱的X20安全产品，主要配置如下：

1、X20SL8100（安全控制单元）

2、X20CP0482（常规PLC）

3、X20SI9100（20点高电平安全输入模块）

4、X20SO6300（6点PNP安全输出模块）

5、X20SO6530（6点继电器安全输出模块）

6、X20CA0E61.00020（POWERLINK电缆，RJ45 to RJ45, 0.2 m）

图2 各个模块的实物图

安全控制单元与常规PLC采用POWERLINK通讯连接，安全通信由独立于总线的安全标准openSAFETY提供，凭借openSAFETY和POWERLINK可以提供唯一开放的符合IEC61508标准的集成安全技术通信标准，可以灵活用于各种不同任务,包括在高达SIL 3/PL e的安全相关应用中，能够轻松满足笔者对安全性能的要求。每套安全系统配备一个安全控制单元，一个常规PLC，而安全输入输出模块数量需要根据实际需求确定，特别提醒的是，一个完整的模块包括底座、接线端子以及模块本体三个部分，三块式设计便于高效的接线和维护。各部分可单独购买，采购和装配时需要注意。

其中常规PLC——X20CP0482用于与上位软件平台进行通讯、运行标准应用程序，安全CPU——X20SL8100则运行安全应用程序。贝加莱安全产品具有极强的拓展能力，每套安全系统最多可配置几百个安全I/O模块，这也是其他大多数品牌无法比拟的优势，几乎能够满足任何应用需求。每个模块均采用紧凑的结构设计，可有效节约布局空间，特别是输入模块内置有20个输入点，输出模块内置有6个输出点，集成度较高，可实现密集型接线，这样又可进一步减小占用空间。同时，所有模块的接线端子均采用先进的直插式联接技术，无需工具即可快速实现联接，省时省力，并且接线端子均是正面布局，更加有利于接线操作，受到装配人员的欢迎。同时，安全应用程序的编写可以使用梯形图或者功能块图，两种编程语言可以单独使用或混合使用，客户可自由选择，编程非常灵活。

图3 显影设备中安全系统配置原理图

图4 在显影设备中的实际应用

图5 清洗设备中安全系统配置原理图

图6 在清洗设备中的实际应用

三、软件实现主要步骤

软件编程之前需要安装Automation Studio以及SafeDESIGNER软件工具，Automation Studio主要用于创建项目、硬件配置、与上位控制平台实现数据交互处理。SafeDESIGNER是安全编程的核心工具，用于创建安全应用程序和配置各个安全模块，所有分配给安全控制器的安全相关模块，都是从Automation Studio的配置中自动获取的。

安全应用编程的图形化编辑器是SafeDESIGNER的核心，该项目中，笔者使用梯形图编程语言，不仅形象、直观，并且非常实用，容易接受。以某型显影设备为例，软件实现关键步骤如下：

1、根据安全控制单元以及常规PLC型号，创立项目、硬件配置

图7 硬件配置示意图

2、设置全局变量，这些全局变量将被用作与上位软件平台实现通讯的中间变量

图8 设置全局变量作为通讯的中间变量

3、开启常规PLC的Modbus TCP通讯功能，根据实际需要，配置实际通讯的读写数据变量名、数量和地址

图9 开启通讯功能，配置通讯的读写数据

4、步骤3中实际通讯的读写数据变量与步骤2中设置中间变量进行关联对应

图10 实际通讯的读写数据变量关联中间变量

5、每个安全I/O模块输入输出点同样与步骤2中设置中间变量进行关联对应

图11 输入模块各个点位关联中间变量

而安全输出模块提供两种不同的方法来操作输出。分别是“direct”（直接模式）和“via SafeLOGIC“（SafeLOGIC控制模式）两种输出方法。直接模式下，标准应用程序也能和安全应用程序一样操作安全输出。SafeLOGIC控制模式下，安全模块的输出完全是由SafeLOGIC控制的。实际项目中，塔灯由上位软件平台直接操作安全输出，而某些接触器线圈是由上位软件平台以及SafeLOGIC共同操作其输出动作。

图12 安全输出模块的输出模式配置（以X20SO6300控制塔灯为例）

图13 安全输出模块关联变量示意图（以X20SO6300控制塔灯为例）

6、在程序内通过将步骤4和步骤5的中间变量进行相互关联对应，这样上位控制平台能够读取各个模块的实时输入输出状态，并且能够控制安全输出

图14 输入模块状态的关联对应示意图

图15 输出模块实际输出状态关联对应示意图

图16 Direct模式，上位软件平台参与控制的相关变量对应关系

7、启动SafeDESIGNER软件工具，将各个模块的输入/输出拖拽到全局变量表中，进行变量名自定义，根据实际需求，定义一些内部局部变量，编写安全互锁逻辑。

图17 SafeDESIGNER软件内变量定义

图18 互锁逻辑编写示意图

需要分别下载普通标准应用程序以及安全应用程序，下载步骤以及一些详细的参数设置本文不作详细描述。

四、总结

贝加莱安全产品的投入应用解决了先前安全控制器在通讯、拓展能力上不足，并且凭借经过验证、真正独立于总线的openSAFETY安全标准，强大的拓展能力，紧凑的模块设计，先进的直插式联接技术以及简单、直观的安全编程方式等方面的优势，在已推出同类安全产品的各个品牌中，始终能够保持领先地位。

案例 维控HMI和PLC在扎线机上的应用，效率大大提高，产量提高30%

一、简介

扎线机是一种具有电机、辅助气缸的自动盒子成型机，具有准确，多段速快速卷绕线材、送扎带、捆绑扎带等功能，广泛应用于USB线、普通电缆、细小电缆、安防通信、电气装备及相关弱电传输电缆、各类数据线等线材的生产包装。

二、工艺要求

开机大小伺服轴会自动复位→设定线材参数→按下启动按钮→气缸加紧线材→大小伺服轴平移去卷绕→后平移轴送线材至扎线位→两个步进开始送扎线、绑扎带→而后气缸推送至下料区→完成。

三、方案

该控制系统主要采用维控人机界面LEVI-700LK，PLC主机采用LX3V-1616MT构成。

简要方案如下：3VPLC刚好满足客户的两个快速的伺服轴，和两个低速的步进轴，且输出点也和要求匹配，减少了不必要的浪费。且程序达到了一小时最快可以生产1800条，比起市面上的类似机型多出3-500条，大大提高了生产力，设备更优秀，有竞争力。

四、方案优势

1.操作简单，适用于广大人群。

2. 设备应用广泛于线材生产包装。

3.一套程序机型适用于各种线材的要求，只要客户设定了对应的参数和模式就可以运行等。

4. 设备的前半部分绕线和后半部扎线有效分开，使得设备的运行效率大大提高。

5. 广泛应用于USB线、普通电缆、细小电缆、安防通信、电气装备及相关弱电传输电缆、各类数据线等线材的生产包装。

五、程序简要介绍

HMI程序： 该画面主要显示系统的当前运行状态，当前状态，设定产量，和绕线的工艺参数等。

HMI程序： 该画面主要显示系统的各个气缸、电机手动按钮，定位位置，原位位置等的设置和显示。

HMI程序： 机器自动运行的各个步骤所需的延时的设定页面

HMI程序： 定位校准位置，和轴运行的速度位置的设定，还有轴的单程定位，用作调试时使用。

HMI程序： 机器各个轴的参数，和功能选用的切换的功能页面。

HMI程序： IO等页面

PLC部分程序：

自动运行时绕线轴的定位模式切换时的逻辑。

四个轴位置与脉冲之间的换算

设备前后段的逻辑判定，以提高设备的运行效率等

五、工程总结

1.工程配套契合度高，对IO点和轴数量的完美契合，防止资源浪费。

2.适用于各种线材的要求，只要客户设定了对应的参数和模式就可以运行等。

3.对设备的运行分工明确的逻辑，使得设备的运行效率大大提高。产量提高30%。

六、工程视频及机器图片

另外大家针对自己本行业或者机械设备，需要案例与解决方案的，可以评论告知，我们会收集大家的反馈，针对性发出。

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