本發(fā)明屬于工業(yè)自動化生產(chǎn)，具體地說是一種工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)及安全通信方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，機(jī)器人的應(yīng)用非常普遍，生產(chǎn)效率與工件質(zhì)量都得到了大幅提升。然而，車間工人的人身安全也受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，車間安全防護(hù)設(shè)備的安全性至關(guān)重要。機(jī)器保護(hù)門是車間生產(chǎn)過程中用來保護(hù)人身安全的一種常用的生產(chǎn)防護(hù)設(shè)備。

2、然而，目前現(xiàn)有技術(shù)主要依賴于常規(guī)的門控系統(tǒng)通過硬接線方式與生產(chǎn)線plc(可編程邏輯控制器)進(jìn)行通信，這在安全性和實(shí)時性方面存在一定的局限性，同時復(fù)雜的接線也不具備高可靠性。

3、為此，本領(lǐng)域技術(shù)人員提出了一種工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)及安全通信方法來解決背景技術(shù)提出的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)及安全通信方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中主要依賴于常規(guī)的門控系統(tǒng)通過硬接線方式與生產(chǎn)線plc進(jìn)行通信，這在安全性和實(shí)時性方面存在一定的局限性，同時復(fù)雜的接線也不具備高可靠性等問題。

2、一種工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)，包括：

3、通信單元，所述通信單元包括主處理器(mcu)、通信接口(anybus?compactcom，簡稱abcc)以及安全模塊，所述mcu與門控制器的rs485端口之間實(shí)現(xiàn)串口通信，mcu與通信接口之間通過spi(serial?peripheral?interface，串行外設(shè)接口)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所述安全模塊負(fù)責(zé)安全信號的處理和傳輸；

4、門控制器，用于接收通信單元傳來的指令控制門體的開啟和關(guān)閉，以及向通信單元發(fā)送門體位置狀態(tài)及故障信息；

5、驅(qū)動單元，包含電機(jī)及編碼器，用于驅(qū)動門體的運(yùn)動及電機(jī)位置反饋；

6、其中，所述安全模塊與abcc之間通過獨(dú)立的傳輸通道連接，用于傳輸安全數(shù)據(jù)，abcc與安全型plc之間以通信協(xié)議的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在整個數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行安全校驗(yàn)，僅當(dāng)校驗(yàn)通過時，安全信號才能被正常發(fā)送或接受，門體才能正常運(yùn)行，相關(guān)區(qū)域的機(jī)器人才能動作。

7、優(yōu)選的，所述主處理器采用stm32f4系列單片機(jī)，基于arm?cortex-m4核心，最高主頻可達(dá)168mhz，提供高達(dá)512kb的閃存和128kb的sram。

8、優(yōu)選的，所述abcc采用abcc?m40模塊，具有強(qiáng)大的協(xié)議轉(zhuǎn)換能力，能夠適應(yīng)不同車間環(huán)境和需求的變化；能夠在不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無縫通信，具備快速的數(shù)據(jù)處理能力，適合實(shí)時應(yīng)用場景。

9、優(yōu)選的，所述安全模塊采用與abcc適配的safe?t100，該模塊符合iec?61508定義的sil3安全要求等級和iso?13849-1中的性能等級ple/category?4，確保了高標(biāo)準(zhǔn)的安全性和可靠的性能，包含但不限于profinet(安全通信profisafe)、ethernet/ip(安全通信cip?safety)、twincat(安全通信twinsafe)通信協(xié)議，只需對abcc及安全模塊進(jìn)行固件更新，便可切換通信協(xié)議，能夠適應(yīng)不同車間環(huán)境和需求的變化；同時能夠在不同工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無縫通信，具備快速的數(shù)據(jù)處理能力，適合實(shí)時應(yīng)用場景。

10、優(yōu)選的，還包括：安全輸入、輸出接口，所述安全輸入接口用于連接急停旋鈕、安全開關(guān)、激光掃描儀/安全光柵等安全傳感器，所述安全輸出接口用于連接設(shè)備急停、變頻器安全扭矩關(guān)斷(sto)、安全繼電器等安全部件。

11、當(dāng)門體部分發(fā)生故障時，通過手動操作將門打開到開門狀態(tài)，并通過維修開關(guān)向生產(chǎn)線發(fā)送斷電信號，生產(chǎn)線接收到維修開關(guān)斷電信號和開門到位的信號后，屏蔽門體，此時通過光柵信號來判斷受保護(hù)區(qū)域是否有人員或者物體闖入。

12、優(yōu)選的，所述安全模塊還包括安全信號處理算法，能夠自動識別和過濾虛假安全信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，所述安全信號處理算法是采用動態(tài)閾值調(diào)整算法，其根據(jù)環(huán)境噪聲和安全信號的實(shí)時變化，動態(tài)調(diào)整安全信號的閾值；當(dāng)環(huán)境噪聲增大時，算法會自動提高閾值，以避免誤觸發(fā)；反之，當(dāng)環(huán)境噪聲減小時，算法會降低閾值，以確保安全信號的準(zhǔn)確接收，其公式如下：

13、t(t)＝b_t+α·n_l(t)；

14、其中，t(t)是隨時間變化的閾值，b_t是基礎(chǔ)閾值，α是調(diào)整系數(shù)，n_l(t)是實(shí)時環(huán)境噪聲水平。

15、優(yōu)選的，所述安全模塊包括多重安全冗余機(jī)制，以確保在安全模塊發(fā)生故障時仍能維持系統(tǒng)的基本安全功能，即引入故障預(yù)測與自我修復(fù)算法，該算法通過分析安全模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史故障記錄，預(yù)測潛在的故障點(diǎn)，并在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警和自我修復(fù)，其可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對故障模式進(jìn)行學(xué)習(xí)和預(yù)測，其公式如下：

16、p＝f(r_d,h_r)；

17、其中，p是故障發(fā)生的概率，f是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，r_d是安全模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)，h_r是歷史故障記錄。

18、本發(fā)明都旨在實(shí)現(xiàn)車間門的自動控制，提高安全性和生產(chǎn)效率；都采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，能夠在工業(yè)環(huán)境中可靠傳輸信號，確保生產(chǎn)正常運(yùn)行與人員設(shè)備安全。

19、一種工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)的安全通信方法，適用于上述的工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)，包括以下步驟：

20、s1、通過安全模塊接收安全信號輸入設(shè)備的安全信號；

21、s2、將安全信號通過獨(dú)立的傳輸通道傳輸至abcc；

22、s3、abcc將安全信號以通信協(xié)議的方式傳輸至安全型plc；在abcc與安全型plc之間采用加密通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的機(jī)密性和完整性，所述加密采用多混沌數(shù)據(jù)加密算法，所述多混沌數(shù)據(jù)加密算法的h映射模型：

23、

24、其中，xi、yi分別表示模型輸入和輸出；映射系統(tǒng)在參數(shù)a＝1.4、b＝0.3、x0＝y(tǒng)0＝0.4情況下的狀態(tài)屬于混沌；所述多混沌數(shù)據(jù)加密算法的具體步驟如下:

25、s101、確定兩個映射模型的初始值x0、x′0、y0,以及控制參數(shù)0、a、b,將其作為多源大數(shù)據(jù)加密的密鑰,并展開初始化處理；

26、s102、為了掩蓋多源大數(shù)據(jù)的原始值,設(shè)置迭代次數(shù)為15,迭代處理密鑰,提高數(shù)據(jù)的安全性；

27、s103、選用l映射處理密鑰,將x0作為初始參數(shù),輸入l映射模型中,通過迭代得到參數(shù)x′0,將x′0與參數(shù)y0相乘,h映射模型的初始參數(shù)選取上述乘積結(jié)果,展開映射操作獲得參數(shù)xn、yn,xn,yn即為h映射模型的最終迭代結(jié)果p；所述l映射模型如下：

28、xn+1＝xn×0×σ(1-xn)；

29、其中,x∈[0,1]；o表示控制參數(shù)；xn表示任意值；

30、s104、取余運(yùn)算p獲得混沌密鑰p′：

31、p′＝pmod?256×(xi+1+yi+1)；

32、s105、最后處理密鑰字節(jié)p′和明文字節(jié)m獲得加密后的多源大數(shù)據(jù)s：

33、

34、s4、在整個數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行crc校驗(yàn)，僅當(dāng)校驗(yàn)通過時，安全信號才能被正常發(fā)送或接收，門體才能正常運(yùn)行，相關(guān)區(qū)域的機(jī)器人才能動作。

35、一種處理器，被配置成執(zhí)行上述的工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)。

36、一種機(jī)器可讀存儲介質(zhì)，該機(jī)器可讀存儲介質(zhì)上存儲有指令，該指令在被處理器執(zhí)行時使得所述處理器被配置成執(zhí)行上述的工業(yè)防護(hù)門控系統(tǒng)。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

38、本發(fā)明在安全性和實(shí)時性、系統(tǒng)可靠性、抗干擾能力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展性和集成性、數(shù)據(jù)加密、生產(chǎn)效率和工件質(zhì)量、故障預(yù)警和自我修復(fù)以及用戶友好性等方面具有顯著的有益效果。