
## 1. 问题背景

在汽车制造领域，精准可靠的螺钉紧固工艺至关重要，尤其是在发动机装配与车身组装环节。阿特拉斯·科普柯作为自动化螺钉紧固解决方案的制造商，需要设计半手动螺丝刀工艺：多个伺服电机驱动的工具以特定顺序、按精确定义的扭矩拧紧螺栓（例如车轮最终组装环节）。由于工具需人工引导，必须确保在必要时能够**安全地局部关闭单个工具或指定组**的扭矩输出。
![螺丝刀控制系统的功能安全](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12480681/dea68bb61bf982958d854a4d9f56a426.jpg)

现有解决方案存在以下技术问题：

- **线缆过多、重量过高**：传统硬接线方式导致螺丝刀控制系统的线缆布线复杂，增加了工具重量，限制了操作灵活性；
- **扩展性差**：控制器难以灵活适配不同数量的螺丝刀工位；
- **紧急停止方式粗放**：采用菊花链配置的紧急停止电路，仅支持**所有设备同时关闭**，无法单独或组合关闭特定螺丝刀电机，导致不必要的生产中断和潜在安全风险。

此外，螺丝刀控制系统还需要与汽车产线上不同厂商的PLC（西门子、罗克韦尔、倍福等）通信，且安全功能应作为可选配置，以满足不同客户的定制化需求。

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## 2. 方案设计

本设计采用 **HMS T100 安全IO模组** 与 **Anybus CompactCom** 模块协同工作的方案，实现基于现场总线的安全通信。
![image](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-12480681/3d2fbbb33b14e6a03974aa5674ab7e0e.png)

### 2.1 系统架构

- **Anybus CompactCom模块**：负责螺丝刀伺服控制器与主控PLC之间的标准现场总线通信（PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT等），传输过程数据（扭矩设定值、实际扭矩、转速、状态等）；
- **T100安全IO模组**：作为预配置的安全模块，集成到安全回路中，通过现场总线接收来自安全PLC的紧急停止信号，并将其传递至对应的伺服控制器，实现**单个或指定组**的电机关闭。

本地紧急停止按钮的信号原通过硬接线传输，现改为通过现场总线传输至对应的伺服控制器。这一改变显著减少了电缆数量及相关故障点，同时提升了系统诊断能力。

### 2.2 关键技术特性

**灵活的紧急停止组配置**：
- 通过安全PLC可配置多个紧急停止组（例如左前轮组、右前轮组、发动机组等）；
- 当某工位触发急停时，仅关闭该组对应的螺丝刀电机，其他工位可继续生产；
- 无需物理重新布线，配置变更在软件层面完成。

**多厂商PLC兼容性**：
- Anybus CompactCom与T100的组合支持连接西门子（PROFINET）、罗克韦尔（EtherNet/IP）、倍福（EtherCAT）等不同厂商的PLC；
- 安全协议与非安全协议可轻松切换，适应不同产线的通信标准。

**模块化选配能力**：
- 得益于T100与CompactCom的模块化设计，基于现场总线的安全功能可作为客户的**选配方案**；
- 客户可根据自身需求选择是否启用安全功能，无需额外铺设安全电缆；
- 扩展新的螺丝刀工位时，只需增加对应模块，无需重新布线。

### 2.3 与传统方案对比

| 特性 | 传统硬接线方案 | T100+CompactCom方案 |
|------|---------------|---------------------|
| 紧急停止方式 | 菊花链，全局关闭 | 可配置组，选择性关闭 |
| 线缆数量 | 多 | 少 |
| 扩展新工位 | 需重新布线 | 即插即用 |
| 诊断能力 | 弱 | 强（现场总线诊断） |
| 安全功能选配 | 困难 | 灵活可选 |

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## 3. 关键实现

**硬件集成**：
- 螺丝刀伺服控制器主板上集成Anybus CompactCom模块插槽和T100安全IO模组接口；
- T100模组接入安全回路，接收来自安全PLC的FSoE（FailSafe over EtherCAT）或PROFIsafe等安全协议报文；
- CompactCom模块负责标准非安全通信，与主控PLC交换过程数据。

**软件集成**：
- 配置安全PLC中的紧急停止组逻辑，将每个螺丝刀电机映射到对应的停止组；
- 定义安全IO模组的输入输出映射：紧急停止按钮状态 → T100 → 现场总线 → 安全PLC → 目标伺服控制器；
- 实现诊断数据的采集与上报（如急停触发次数、故障代码等）。

**安全功能选配**：
- 对于不需要安全功能的客户，可仅配置Anybus CompactCom模块进行标准通信；
- 对于需要安全功能的客户，增加T100模组并启用安全协议；
- 两种配置共享相同的硬件平台和主控软件。

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## 4. 测试与应用

搭载T100安全IO模组与Anybus CompactCom的螺丝刀控制系统已完成以下验证：

- **功能性测试**：在模拟汽车轮毂组装工位上，配置4个紧急停止组，分别触发各组急停，仅目标组电机停止，其他组正常运行；
- **多厂商PLC兼容性**：分别连接西门子S7-1500（PROFINET/PROFIsafe）、罗克韦尔CompactLogix（EtherNet/IP/CIP Safety）、倍福CX5130（EtherCAT/FSoE），通信正常；
- **线缆减重评估**：相较于传统硬接线方案，线缆数量减少约60%，螺丝刀操作灵活性显著提升；
- **可靠性测试**：连续运行72小时，安全通信零故障、零误触发。

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## 5. 工程效益

- **提升安全性**：实现单个或指定组电机的选择性关闭，避免因局部故障导致全线停产；
- **减少线缆与重量**：现场总线替代硬接线，降低螺丝刀系统重量，提升人工操作体验；
- **增强诊断能力**：现场总线提供实时诊断信息，快速定位故障点；
- **灵活扩展**：新增螺丝刀工位时无需重新铺设安全电缆，即插即用；
- **模块化选配**：安全功能可作为可选方案，满足不同客户需求；
- **多厂商兼容**：单一硬件平台适配西门子、罗克韦尔、倍福等主流PLC系统。

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## 6. 结论

通过在汽车装配用柔性动力螺丝刀控制系统中集成 **HMS T100安全IO模组** 与 **Anybus CompactCom** 模块，实现了基于现场总线的安全通信方案。该方案解决了传统硬接线方式下线缆过多、紧急停止仅支持全局关闭等痛点，实现了对指定螺丝刀电机的选择性安全关闭，同时提升了系统的灵活性与诊断能力。该方案支持安全与非安全协议的灵活切换，可适配不同厂商的PLC系统，为汽车及一般工业装配线的安全升级提供了成熟的技术路径。


在汽车制造领域，精准可靠的螺钉紧固工艺至关重要，尤其是在发动机装配与车身组装环节。阿特拉斯·科普柯作为自动化螺钉紧固解决方案的制造商，需要设计半手动螺丝刀工艺：多个伺服电机驱动的工具以特定顺序、按精确定义的扭矩拧紧螺栓（例如车轮最终组装环节）。由于工具需人工引导，必须确保在必要时能够安全地局部关闭单个工具或指定组的扭矩输出。

汽车装配中柔性动力螺丝刀控制系统的安全通信与模块化设计

针对汽车制造中半自动螺丝刀控制系统存在线缆过多、重量过高、紧急停止仅支持全局关闭等问题，本文提出基于安全IO模组与嵌入式通信模块的优化方案。

硬件

网络与通信

物联网

阿特拉斯·科普柯采用HMST100安全IO模组与AnybusCompactCom模块，实现汽车装配螺丝刀安全控制。方案支持多厂商PLC通信，减少60%线缆，提升操作灵活性。通过现场总线实现选择性紧急停止，避免全线停产，增强诊断能力。模块化设计满足安全功能选配需求，适配西门子、罗克韦尔等主流系统，为汽车制造提供高效解决方案。

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