Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在汽車、摩托車行業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

一、項(xiàng)目概況

長(zhǎng)安汽車制造廠原來(lái)可以生產(chǎn)6種型號(hào)汽車，年產(chǎn)量在8萬(wàn)輛左右。他的總裝生產(chǎn)線是在80年代末引進(jìn)美國(guó)50年代技術(shù)制造的，由于在設(shè)計(jì)、制造上存在許多缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)有故障率高，生產(chǎn)效率低等諸多問(wèn)題。長(zhǎng)安公司為適應(yīng)中國(guó)加入WTO后對(duì)汽車行業(yè)的沖擊，保持中國(guó)微型汽車生產(chǎn)企業(yè)的龍頭位置，在不斷推出新車型的同時(shí)，生產(chǎn)線的制造能力成為了企業(yè)發(fā)展的瓶頸。通過(guò)我們對(duì)總裝生產(chǎn)線的改造，大大提高了生產(chǎn)效率，將產(chǎn)量提高到20萬(wàn)輛/年，并且具備了多種車型混裝能力，可以滿足不斷推出新車型的生產(chǎn)需求。

二、改造方案的確定

總裝車間的原生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用的是三菱PLC系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制模式。所有分布在車間的信號(hào)靠IO電纜連接至PLC柜，設(shè)備的故障報(bào)警信息全部通過(guò)BCD碼來(lái)顯示，工人對(duì)生產(chǎn)線的干預(yù)僅限于啟動(dòng)、停止和急停操作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，該控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求：

1、無(wú)法提供故障的準(zhǔn)確檢測(cè)和判斷。時(shí)間對(duì)于總裝車間來(lái)講是分秒必爭(zhēng)，尤其是在產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模以后。故障產(chǎn)生時(shí)，維修人員需要以最快的速度發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，老系統(tǒng)必須由工人根據(jù)報(bào)警代碼尋找故障地點(diǎn)，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析原因，故障停線時(shí)間因此比較長(zhǎng)。尤其是在PLC本身發(fā)生故障時(shí)，往往會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間。

2、檢修困難?？傃b車間的信號(hào)多，而且分布面積很廣，橋架里的電纜敷設(shè)很擁擠，加之時(shí)間比較長(zhǎng)，線號(hào)已經(jīng)模糊不清，維修工人需要更換電纜、電氣元件等需要耗費(fèi)很大的工作量。

3、無(wú)法為工廠資源管理信息系統(tǒng)（MRPII）提供快速、準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。車間的零部件物流無(wú)法根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的調(diào)度。

西門(mén)子公司的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為這個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的解決方案。在過(guò)去的十多年里，隨著生產(chǎn)車間自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。其原因之一是：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過(guò)程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開(kāi)銷減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省。其原因之二是：標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線具有“開(kāi)放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是透明和開(kāi)放的。只有這樣，工程師們才可能從市場(chǎng)上大量可供應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和部件中選擇最佳的產(chǎn)品組成他們自己的系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS滿足了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)可存取性的重要要求。一方面它覆蓋了傳感器/執(zhí)行器領(lǐng)域的通信需求，另一方面又具有單元級(jí)領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別在“分散I/O”領(lǐng)域，由于有大量的、種類齊全的、可連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可供選用。同時(shí)該總線系統(tǒng)又提供了豐富的設(shè)備診斷信息，操作員可以直接通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)了解整個(gè)車間系統(tǒng)設(shè)備的健壯性，為故障的判斷提供直截了當(dāng)?shù)妮o助手段，大大減少了故障的排除時(shí)間。

Profibus利用了現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其協(xié)議以國(guó)際ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織）標(biāo)準(zhǔn)OSI（開(kāi)放系統(tǒng)互連）參考模型為基礎(chǔ)。ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)模型由7層組織，并分成兩類。一類是面向用戶的第5層到第7層，另一類是面向網(wǎng)絡(luò)的第1層到第4層。第1層到第4層描述數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，而第5層到第7層給用戶提供適當(dāng)?shù)姆绞饺ピL問(wèn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似系統(tǒng)的運(yùn)行管理情況以及在該行業(yè)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，依照國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，本著安全可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、先進(jìn)（十年不落后）的原則，充分發(fā)揮西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以S7控制平臺(tái)和開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)ProfibusTM體系為核心，采用最新的控制器、驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工控軟件產(chǎn)品為用戶提供了一個(gè)由計(jì)算機(jī)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O組成的多級(jí)的、開(kāi)放的、模塊化的、實(shí)時(shí)多任務(wù)的集散型可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用集成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和100/1000M高速以太網(wǎng)組成的混合三層體系結(jié)構(gòu)，既支持基于瀏覽器的B/S結(jié)構(gòu)體系，也支持C/S結(jié)構(gòu)體系。

整個(gè)總裝車間的輸入/輸出信息形式多樣（包括圖像、圖形、文字、語(yǔ)音、數(shù)字等多媒體形式），信息量大，對(duì)系統(tǒng)功能要求高。控制監(jiān)視任務(wù)不僅僅限于單機(jī)的檢測(cè)和控制問(wèn)題，而且還實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)車間的監(jiān)控、故障診斷、物流優(yōu)化、生產(chǎn)預(yù)報(bào)和調(diào)度。以PLC和計(jì)算機(jī)為核心的信息處理機(jī)制完成對(duì)綜合信息的管理、生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)劃、調(diào)度、監(jiān)視與自動(dòng)化控制，系統(tǒng)具有以下三個(gè)主要方面的功能：

1、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、動(dòng)態(tài)追蹤、工藝控制等前臺(tái)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與控制；

2、車型數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息、安裝工位管理等后臺(tái)信息管理；

3、車間運(yùn)行監(jiān)控與計(jì)劃調(diào)度指揮，內(nèi)部電話監(jiān)控、LED等多媒體系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)以上功能的集成，總裝車間廣泛采用了多媒體技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、高速以太網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、通信技術(shù)及視頻圖像監(jiān)控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以定義為集成現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線的高速以太網(wǎng)多媒體計(jì)算機(jī)信息管理、控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)分為三個(gè)層次。［page］

（1）信息層

總裝車間內(nèi)部和同廠區(qū)其他部門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，工業(yè)控制部分采用西門(mén)子現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)可以將生產(chǎn)信息管理網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)分開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息分流，便于根據(jù)信息管理和工業(yè)控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)速度及傳輸可靠度等性能的不同要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，既能滿足信息管理大量數(shù)據(jù)交互的可靠性，又能保證工控信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。監(jiān)控工作站、管理工作站、現(xiàn)場(chǎng)信息LED服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用軟件的用戶之間通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)只有通過(guò)服務(wù)器才能夠與用戶、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間進(jìn)行信息的交流（監(jiān)控計(jì)算機(jī)除外）。用戶既可以通過(guò)Windows內(nèi)建的IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的獲取與交互，也可以直接與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行信息的交流，再通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。用戶不直接參與控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與數(shù)據(jù)庫(kù)，既保證了數(shù)據(jù)的安全性與底層設(shè)備的健壯性和人機(jī)交互界面的透明性與友好性。

（2）控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制站采用以西門(mén)子S7平臺(tái)為控制核心，分布在各工藝段，PLC主站之間和中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相連，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，可人工干預(yù)調(diào)整工藝參數(shù)變化。Profibus-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應(yīng)用層（第7層）包括FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線報(bào)文規(guī)范）和LLI（低層接口）。FMS包含應(yīng)用協(xié)議和提供的通信服務(wù)。LLI建立各種類型的通信關(guān)系，并給FMS提供不依賴于設(shè)備的對(duì)第2層的訪問(wèn)。FMS處理單元級(jí)（PLC和PC）的數(shù)據(jù)通信。功能強(qiáng)大的FMS服務(wù)可在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)使用，并為解決復(fù)雜通信任務(wù)提供了很大的靈活性。

（3）設(shè)備層

我們采用Profibus_DP網(wǎng)絡(luò)連接分布于車間的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將變頻器、現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O、具有總線接口的工藝設(shè)備等直接采用總線電纜連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出信號(hào)、智能信號(hào)裝置和過(guò)程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）之間的數(shù)據(jù)數(shù)字化傳輸，把I/O信號(hào)通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開(kāi)銷減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省，實(shí)現(xiàn)了底層設(shè)備的低成本、高效率的信息集成模式。PROFIBUS-DP使用了第1層、第2層和用戶接口層。第3到7層未使用，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)確保高速數(shù)據(jù)傳輸。直接數(shù)據(jù)鏈路映象程序（DDLM）提供對(duì)第2層的訪問(wèn)。在用戶接口中規(guī)定了PROFIBUS-DP設(shè)備的應(yīng)用功能，以及各種類型的系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS協(xié)議特別適用于可編程序控制器與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散的I/O設(shè)備之間的通信。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

五、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在一次投運(yùn)成功，至今運(yùn)行穩(wěn)定，通過(guò)了用戶驗(yàn)收，得到了好評(píng)。該系統(tǒng)通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制與生產(chǎn)管理緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了控制、管理和監(jiān)視的機(jī)電一體化，提高了生產(chǎn)線綜合自動(dòng)化水平，可以廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車行業(yè)的成車總裝和發(fā)動(dòng)機(jī)總裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

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