汽車制造業(yè)中Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用
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長安汽車制造廠原來可以生產(chǎn)6種型號汽車，年產(chǎn)量在8萬輛左右。他的總裝生產(chǎn)線是在80年代末引進(jìn)美國50年代技術(shù)制造的，由于在設(shè)計、制造上存在許多缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)有故障率高，生產(chǎn)效率低等諸多問題。長安公司為適應(yīng)中國加入WTO后對汽車行業(yè)的沖擊，保持中國微型汽車生產(chǎn)企業(yè)的龍頭位置，在不斷推出新車型的同時，生產(chǎn)線的制造能力成為了企業(yè)發(fā)展的瓶頸。通過我們對總裝生產(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。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201612/331443.htm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靠IO電纜連接至PLC柜，設(shè)備的故障報警信息全部通過BCD碼來顯示，工人對生產(chǎn)線的干預(yù)僅限于啟動、停止和急停操作。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際情況，該控制系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求：
1、無法提供故障的準(zhǔn)確檢測和判斷。時間對于總裝車間來講是分秒必爭，尤其是在產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模以后。故障產(chǎn)生時，維修人員需要以最快的速度發(fā)現(xiàn)和解決問題，老系統(tǒng)必須由工人根據(jù)報警代碼尋找故障地點(diǎn)，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析原因，故障停線時間因此比較長。尤其是在PLC本身發(fā)生故障時，往往會浪費(fèi)更多的時間。
2、檢修困難?？傃b車間的信號多，而且分布面積很廣，橋架里的電纜敷設(shè)很擁擠，加之時間比較長，線號已經(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。
西門子公司的Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為這個系統(tǒng)提供了一個完整的解決方案。在過去的十多年里，隨著生產(chǎn)車間自動化和過程自動化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。其原因之一是：現(xiàn)場總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入輸出模塊、智能信號裝置和過程調(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IO通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開銷減少到最小，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)場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散IO裝置和現(xiàn)場設(shè)備。
PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是透明和開放的。只有這樣，工程師們才可能從市場上大量可供應(yīng)的現(xiàn)場設(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)場總線PROFIBUS滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級數(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領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別在“分散IO”領(lǐng)域，由于有大量的、種類齊全的、可連接的現(xiàn)場設(shè)備可供選用。同時該總線系統(tǒng)又提供了豐富的設(shè)備診斷信息，操作員可以直接通過監(jiān)控計算機(jī)了解整個車間系統(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間。
Profibus利用了現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。其協(xié)議以國際ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)組織）標(biāo)準(zhǔn)OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模型為基礎(chǔ)。ISOOSI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)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方，而第5層到第7層給用戶提供適當(dāng)?shù)姆绞饺ピL問網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
我們根據(jù)國內(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)，依照國際自動控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，本著安全可靠、簡單實(shí)用、先進(jìn)（十年不落后）的原則，充分發(fā)揮西門子自動化產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢，以S7控制平臺和開放的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)ProfibusTM體系為核心，采用最新的控制器、驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及工控軟件產(chǎn)品為用戶提供了一個由計算機(jī)、PLC、現(xiàn)場分布式IO組成的多級的、開放的、模塊化的、實(shí)時多任務(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)場總線、控制總線和1001000M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BS結(jié)構(gòu)體系，也支持CS結(jié)構(gòu)體系。
整個總裝車間的輸入輸出信息形式多樣（包括圖像、圖形、文字、語音、數(shù)字等多媒體形式），信息量大，對系統(tǒng)功能要求高?？刂票O(jiān)視任務(wù)不僅僅限于單機(jī)的檢測和控制問題，而且還實(shí)現(xiàn)了對整個車間的監(jiān)控、故障診斷、物流優(yōu)化、生產(chǎn)預(yù)報偷鞫?。以PLC和計算機(jī)為核心的信息處理機(jī)制完成對綜合信息的管理、生產(chǎn)過程的計劃、調(diào)度、監(jiān)視與自動化控制，系統(tǒng)具有以下三個主要方面的功能：
1、現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、動態(tài)追蹤、工藝控制等前臺生產(chǎn)現(xiàn)場檢測與控制；
2、車型數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息、安裝工位管理等后臺信息管理；
3、車間運(yùn)行監(jiān)控與計劃調(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)場工業(yè)總線的高速以太網(wǎng)多媒體計算機(jī)信息管理、控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的架構(gòu)分為三個層次.
(1) 信息層
總裝車間內(nèi)部和同廠區(qū)其他部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換采用標(biāo)準(zhǔn)TCPIP以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，工業(yè)控制部分采用西門子現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計可以將生產(chǎn)信息管理網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)分開來，實(shí)現(xiàn)信息分流，便于根據(jù)信息管理和工業(yè)控制對網(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，又能保證工控信號傳遞的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。監(jiān)控工作站、管理工作站、現(xiàn)場信息LED服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用軟件的用戶之間通過TCPIP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與共享。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)只有通過服務(wù)器才能夠與用戶、現(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行信息的交流（監(jiān)控計算機(jī)除外）。用戶既可以通過Windows內(nèi)建的IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場信息的獲取與交互，也可以直接與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行信息的交流，再通過監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制。用戶不直接參與控制現(xiàn)場設(shè)備與數(shù)據(jù)庫，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)場控制站采用以西門子S7平臺為控制核心，分布在各工藝段，PLC主站之間和中央監(jiān)控計算機(jī)通過Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相連，實(shí)現(xiàn)控制信號的高速傳輸。PLC自動監(jiān)測重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對設(shè)備進(jìn)行自動控制，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)場總線報文規(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)備的對第2層的訪問。FMS處理單元級（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)場分布式IO、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、智能信號裝置和過程調(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IO信號通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開銷減少到最小，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）提供對第2層的訪問。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)場級分散的IO設(shè)備之間的通信。
四、系統(tǒng)特點(diǎn)
1．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：采用統(tǒng)一的Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)，整個車間網(wǎng)絡(luò)脈絡(luò)清晰，簡潔明了。
2．功能模塊：基于現(xiàn)場總線和應(yīng)用需求的功能全面模塊化設(shè)計
3．信息管理：與工廠信息數(shù)據(jù)庫的充分融合，不僅可以獲取數(shù)據(jù)，還可以將總裝生產(chǎn)信息納入工廠信息數(shù)據(jù)庫中，為其他車間和零件庫提供生產(chǎn)指導(dǎo)信息。
4．條碼跟蹤：降低錯誤率、提升效率的關(guān)鍵技術(shù)
5．特色控制：完全切合用戶實(shí)際生產(chǎn)狀況，解決系統(tǒng)生產(chǎn)瓶頸。通過系統(tǒng)診斷技術(shù)、驅(qū)動站同步控制、智能合流道岔控制等手段，解決了生產(chǎn)過程中的難題，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。
6．監(jiān)控功能：豐富易用實(shí)時性強(qiáng)的人機(jī)界面
結(jié)束語
本系統(tǒng)在去年8月一次投運(yùn)成功，至今運(yùn)行穩(wěn)定，通過了用戶驗(yàn)收，得到了好評。該系統(tǒng)通過Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)將現(xiàn)場設(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)動機(jī)總裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
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