基于Interbus總線在汽車工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、汽車制造業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)的要求

汽車制造業(yè)是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)隨著汽車行業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，各生產(chǎn)廠家都普遍面臨著：提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)管理水平等種種壓力。對(duì)于汽車項(xiàng)目而言，無(wú)論是新建項(xiàng)目，還是現(xiàn)有設(shè)備的擴(kuò)展和改造，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)都應(yīng)該有一個(gè)基本指導(dǎo)原則：采用最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品， 從而最大程度減小系統(tǒng)集成和調(diào)試時(shí)間、降低投資成本，方便生產(chǎn)運(yùn)行階段的維護(hù)與工藝調(diào)整。提高各工藝設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少故障停機(jī)時(shí)間保證計(jì)劃產(chǎn)量的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)汽車工業(yè)的控制系統(tǒng)的要求也有別于其他行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，因?yàn)槠嚬I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)較復(fù)雜。例如焊裝工藝，就代表著汽車工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的一些典型特點(diǎn)：

（1） 現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣。焊接的過(guò)程中充斥著焊渣和焊接飛濺，更換焊槍電極頭也有可能會(huì)有水流的噴射，這些對(duì)設(shè)備的防護(hù)等級(jí)提出了更高的要求。

（2） 強(qiáng)電磁干擾。焊接設(shè)備在焊接過(guò)程中的電磁干擾發(fā)射不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，對(duì)連接 在同一電網(wǎng)中的用電設(shè)備造成影響和損壞，對(duì)設(shè)備品質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)通信和信號(hào)傳輸都是重大的考驗(yàn)。

（3） 現(xiàn)場(chǎng)I/O數(shù)量眾多且非常分散。每個(gè)工位夾具上都有相當(dāng)多的電磁閥需要驅(qū)動(dòng)，眾多的夾爪汽缸上的夾緊和松開到位的信號(hào)需要收集。這些信號(hào)相對(duì)很分散，采集點(diǎn)都處在夾具的不同部位。

（4） 網(wǎng)絡(luò)從站數(shù)量多。在汽車項(xiàng)目規(guī)劃中，一般會(huì)使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，也通常會(huì)使用IP67防護(hù)等級(jí)的一體化模塊，因?yàn)橐粋€(gè)一體化模塊就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般都較多。例如一條主焊線，往往都有上百個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用機(jī)器人焊接，機(jī)器人還要占用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源。

汽車工業(yè)對(duì)控制系統(tǒng)提出了很高的要求，所以在規(guī)劃和設(shè)計(jì)生產(chǎn)線自控系統(tǒng)時(shí)我們必須考慮周全。要選擇最適合工藝布局和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，我們必須要保證：

·眾多的I/O從站能夠經(jīng)濟(jì)合理的分布。

·所有的站點(diǎn)能進(jìn)行方便的調(diào)試和直接簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理。

·大量的控制信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)穩(wěn)定的傳輸。

·現(xiàn)場(chǎng)的各種故障能夠及時(shí)診斷和定位。

·與其他系統(tǒng)的兼容性和技術(shù)升級(jí)的可操作性。

2、Interbus總線綜述

Interbus總線是世界上最早的現(xiàn)場(chǎng)總線，早在1984就由德國(guó)phoenix Contact公司研發(fā)，1987年正式在漢諾威博覽會(huì)上展出。由于該總線的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，已經(jīng)先后成為德國(guó)DIN19258標(biāo)準(zhǔn)，EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。Interbus的各種性能參數(shù)非常貼近汽車生產(chǎn)實(shí)際的需要，是最早進(jìn)入汽車工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)在也是世界汽車行業(yè)最受歡迎的現(xiàn)場(chǎng)總線，其傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域就是汽車工業(yè)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，Interbus作為自動(dòng)化控制的解決方案正越來(lái)越多的應(yīng)用到其他領(lǐng)域，例如物流、造紙、印刷、食品和飲料、樓宇自動(dòng)化、木材加工、裝配和機(jī)器人應(yīng)用、機(jī)械工程、工廠自動(dòng)化、以及過(guò)程控制。應(yīng)用的工程數(shù)量達(dá)到78萬(wàn)多個(gè)，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)量居全球第二。

Interbus可以這樣迅速的發(fā)展，是因?yàn)檫@個(gè)總線協(xié)議確實(shí)有它自己的特點(diǎn)。Interbus總線傳輸距離最長(zhǎng)達(dá)到12.8公里（雙絞線），兩個(gè)從站間距就可以達(dá)到400米（雙絞線），單主站最多可連接255個(gè)從站，恒定的傳輸速率500Kbps時(shí)，掃描4096個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間為7.8毫秒?？偩€采用獨(dú)特的環(huán)型組網(wǎng)形式和傳輸協(xié)議，它具備其他總線所沒(méi)有的準(zhǔn)確的故障定位、詳實(shí)的故障信息。三種傳輸媒介在從站間可以混合使用，有效數(shù)據(jù)傳輸效率高達(dá)52% 。 即插即用、無(wú)須設(shè)定地址、無(wú)須終端電阻。這里很多特性都是Interbus所獨(dú)有的，這些特性在很多工藝場(chǎng)合可以體現(xiàn)出它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，也正是因?yàn)檫@樣，Interbus總線協(xié)議才能成為世界汽車行業(yè)最受歡迎的現(xiàn)場(chǎng)總線。

3、Interbus總線給汽車工業(yè)帶來(lái)了什么

Interbus總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常的靈活，可以任意的接分支，分支上面還可以再接若干分支，一直可以拓?fù)?6層，這樣使設(shè)計(jì)和施工都變得非常的靈活。汽車工業(yè)中很多工藝都會(huì)用到懸鏈，滾床，利用這種靈活的分支技術(shù)，一段懸鏈、一路滾床，或者一個(gè)夾具工位都可以做成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分支，這樣就避免了一根總線繞到底的情況，既提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，又節(jié)省了總線電纜。還可以從邏輯上對(duì)每個(gè)分支進(jìn)行單獨(dú)控制。較長(zhǎng)的傳輸距離和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也使用戶在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)非常的寬松，靈活，方便。使用其他總線協(xié)議往往在距離、站數(shù)、站點(diǎn)分布這方面會(huì)有一些技術(shù)束縛，Interbus可以讓用戶解脫出來(lái)。

圖1

Interbus的調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)管理非常的方便。每一個(gè)總線設(shè)備，都有一個(gè)識(shí)別寄存器，在總線啟動(dòng)的第一個(gè)周期，主站就可以讀取存儲(chǔ)在所有連接在總線網(wǎng)絡(luò)上的識(shí)別寄存器數(shù)據(jù)，從而識(shí)別每一個(gè)總線設(shè)備。所以這里就不需要硬件設(shè)址，在硬件安裝好后，用組態(tài)軟件讀取識(shí)別寄存器數(shù)據(jù)，就可以把硬件組態(tài)讀上來(lái)。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試時(shí)可以任意的關(guān)斷某個(gè)網(wǎng)絡(luò)分支或者站點(diǎn)。這樣，根據(jù)工藝段的不同，把現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分支分段管理非常的方便，比如我們把一個(gè)夾具工位做成一個(gè)分支，這樣就可以分開調(diào)試，分開管理，即使某個(gè)工位有網(wǎng)絡(luò)故障也不影響其他工位的調(diào)試或者生產(chǎn)。也可以把每個(gè)工位的幾臺(tái)焊接機(jī)器人作為一個(gè)Interbus總線分支進(jìn)行管理，把機(jī)器人和夾具的控制系統(tǒng)分開管理。這樣，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試以及后期設(shè)備維護(hù)和升級(jí)都是非常有幫助的。

下面我們來(lái)看看神龍汽車在采用Interbus總線之后，網(wǎng)絡(luò)分支管理在現(xiàn)場(chǎng)輸送設(shè)備上的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。系統(tǒng)的控制功能和工藝流程這里不多說(shuō)，我們主要來(lái)看看在采用Interbus總線協(xié)議之后，為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理和方便后期設(shè)備維修，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是如何規(guī)劃。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖2

圖中：

MASTER——主站，PLC或是INTERBUS控制卡。

BK——INTERBUS耦合器，即一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，也叫從站。

RB——擴(kuò)展在耦合器后面的分支模塊。本例中擴(kuò)展了10塊。

MD——馬達(dá)啟動(dòng)器。

現(xiàn)場(chǎng)一共有十個(gè)滾床輸送段，做成2層網(wǎng)絡(luò)，第2層網(wǎng)絡(luò)有10個(gè)分支。設(shè)計(jì)者在主控柜中的第一個(gè)從站的耦合器（BK）之后就擴(kuò)展了10個(gè)分支模塊（RB），每個(gè)RB后面再通過(guò)INTERBUS總線連接“BK”或馬達(dá)啟動(dòng)器，上例中每個(gè)滾床配置一臺(tái)馬達(dá)啟動(dòng)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾床電機(jī)，所有驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)通過(guò)INTERBUS總線傳輸，MD上帶有數(shù)字量輸入接口，現(xiàn)場(chǎng)的傳感器通過(guò)MD傳到PLC。用來(lái)驅(qū)動(dòng)各自工藝段的電機(jī)和收集輸入信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常清楚，每段分支，每個(gè)設(shè)備都可以單獨(dú)的關(guān)斷單獨(dú)調(diào)試。這樣的結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)備的調(diào)試和管理而言，無(wú)疑是最方便的。

圖3 （從站1）主控柜

總線采用的差分傳輸技術(shù)，對(duì)干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的免疫力，再加上Interbus總線使用“面向?qū)ο蟆钡臄?shù)據(jù)傳輸形式，采用串行移位的方式，進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn)，以集總幀的傳輸形式大大降低傳輸出錯(cuò)的可能性，最大程度上提高了傳輸?shù)男?，使信?hào)的傳輸非常的可靠和穩(wěn)定。與其他協(xié)議相比，Interbus協(xié)議尤其適用于存在著強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，而汽車工業(yè)的焊裝車間正是一個(gè)這樣的現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)然，其他的工藝段也同樣要求信號(hào)傳輸?shù)目煽?，同樣需要穩(wěn)定的總線協(xié)議。

在汽車工業(yè)中，控制點(diǎn)相對(duì)較多，自動(dòng)化程度高，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，線路也較復(fù)雜，和其他行業(yè)的生產(chǎn)控制相比，故障率相對(duì)偏高。這樣，對(duì)于維護(hù)人員和設(shè)備的診斷功能都提出了較高的要求。準(zhǔn)確的故障定位和詳實(shí)故障信息是Interbus總線所具有的非常重要的一個(gè)特點(diǎn)。它獨(dú)特的環(huán)形傳輸協(xié)議與強(qiáng)大的自診斷功能決定了這一特點(diǎn)。這是其他樹形總線所不能做到的，不需要任何處理，控制卡自帶的LCD顯示屏就可以直接顯示出故障的類型、位置、和代碼，根據(jù)故障代碼可以在診斷手冊(cè)上查到故障產(chǎn)生的原因和處理的方法。這樣對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的斷路、短路、過(guò)壓、電磁干擾等等都可以準(zhǔn)確的定位診斷，再配以IBS Diag+這款通用型的總線診斷軟件，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備進(jìn)行診斷，包括總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量都可以量化出來(lái)。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，Interbus與Profibus兩大國(guó)際組織一起研發(fā)的Profinet可能是未來(lái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)，Interbus協(xié)議對(duì)于Profinet也是全透明的，Interbus升級(jí)到Profinet系統(tǒng)，除增加一個(gè)硬件網(wǎng)關(guān)外，不需要作任何的改動(dòng)。所以，從系統(tǒng)的兼容性和技術(shù)升級(jí)方面來(lái)講，Interbus沒(méi)有任何的技術(shù)門檻。

4、結(jié)束語(yǔ)

從Interbus總線協(xié)議誕生至今，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)800萬(wàn)個(gè)，尤其在汽車行業(yè)，是很多行業(yè)巨頭選擇的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如大眾、寶馬、戴姆勒。克萊斯勒、保時(shí)捷等等。同時(shí)在國(guó)內(nèi)的一汽、二汽、上汽、長(zhǎng)安等幾個(gè)集團(tuán)中也有相當(dāng)多的工廠采用Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行生產(chǎn)控制，Interbus在國(guó)內(nèi)有著越來(lái)越多的用戶。可見(jiàn)Interbus在汽車工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的影響是非常深遠(yuǎn)的，Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)于汽車行業(yè)，同時(shí)也見(jiàn)證了世界汽車工業(yè)的發(fā)展和成長(zhǎng)，可以說(shuō)，Interbus是汽車工業(yè)的忠實(shí)伙伴。

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