Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

陳心赤

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)

Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是集現(xiàn)代化的電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及微電子技術(shù)等為一體的控制方式。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)在結(jié)構(gòu)上主要可以分為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)主要分為工廠級(jí)、車間級(jí)以及現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三個(gè)部分。其中處于最底層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是整個(gè)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的重要組成部分，主要是對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備以及工藝鏈進(jìn)行有效控制。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的主要功能模塊包括遠(yuǎn)程Profibus-DPI/O模塊、接近開關(guān)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及變頻器等。而在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)當(dāng)中PLC可編程控制器主要負(fù)責(zé)將底層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與中層的車間級(jí)相互連接起來，實(shí)現(xiàn)彼此間的信息傳輸。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)分為主站和從站，其中主站主要用來接收上級(jí)傳遞的指令，而從站則進(jìn)行確認(rèn)和執(zhí)行。首先在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)所有與現(xiàn)場(chǎng)總線相連接的汽車制造設(shè)備的工藝流程以及操作程度都事先儲(chǔ)存在主站當(dāng)中，然后當(dāng)主站得到上級(jí)發(fā)送的指令后，再將其發(fā)送給與從站相連的生產(chǎn)設(shè)備上，從而完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制工作。但是在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)當(dāng)中，只有遠(yuǎn)程的I/O模塊以及變頻器具有Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的接口，因此要想實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車制造設(shè)備的有效控制，就需要通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備以及分散式的I/O模塊進(jìn)行組網(wǎng)，此時(shí)分散式的I/O模塊就成為了連接汽車制造設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的橋梁，能夠?qū)⑺性O(shè)備有效的串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)一體化的控制操作。

處于中間層的車間級(jí)，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的制造流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)告設(shè)備的故障信息以及后期維護(hù)功能，同時(shí)車間級(jí)還具有協(xié)助工廠級(jí)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度以及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理等功能。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的車間級(jí)使用的是Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)，通過Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)將上層的工廠級(jí)與下層的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)聯(lián)系在一起。

最高一層是在汽車制造廠以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立的工廠級(jí)，其作用主要是將汽車生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備與企業(yè)辦公管理網(wǎng)絡(luò)相連接，從而能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送給企業(yè)的管理層，為制定生產(chǎn)計(jì)劃以及戰(zhàn)略目標(biāo)提供可靠的理論數(shù)據(jù)。

2 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的設(shè)計(jì)

通過以上對(duì)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)以及功能進(jìn)行分析后，可以得出，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)是一種將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與企業(yè)管理有機(jī)融合在一起的先進(jìn)的控制技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的同時(shí)還能做到科學(xué)、有序的生產(chǎn)。以下就對(duì)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析：

1）Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)的硬件主要包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站、PLC可編程控制器以及Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，其中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站主要負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的操作以及監(jiān)控；PLC可編程控制器則是對(duì)汽車生產(chǎn)車間的儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈進(jìn)行控制。每一個(gè)汽車制造車間儲(chǔ)運(yùn)鏈的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中各包含一個(gè)OP27操作控制臺(tái)以及Truck Profibus-DP IM80002遠(yuǎn)程數(shù)字輸入模塊和Profibus-DP OM80004遠(yuǎn)程數(shù)字輸出模塊。而每一個(gè)汽車制造車間工藝鏈的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中配備有變頻器以及遠(yuǎn)程數(shù)字輸入、輸出模塊，同時(shí)還具備DP接口以及故障診斷功能，方便現(xiàn)場(chǎng)控制的同時(shí)還能夠幫助后期的設(shè)備維護(hù)。

2）Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)

本文研究的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的軟件為WinCC（5.0SP1版），具有強(qiáng)大的分析處理功能、具有汽車生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控畫面以及PLC可編程控制器的組態(tài)工具，而且WinCC（5.0SP1版）還自帶數(shù)據(jù)庫方便企業(yè)管理者隨時(shí)獲取所需要的數(shù)據(jù)信息；Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是 WindowsNT4.0；S7組態(tài)軟件為STEP7（5.1SP）。

3 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)的重要組成部分，因此本文主要分析研究Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)技術(shù)對(duì)汽車制造設(shè)備的控制。在汽車制造過程當(dāng)中，儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈?zhǔn)莾蓚€(gè)基本環(huán)節(jié)。其中儲(chǔ)運(yùn)鏈?zhǔn)菍⑵囋\(yùn)輸?shù)娇傃b車間，而工藝鏈則是將汽車元件運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)加工工位。以下就對(duì)儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈的控制進(jìn)行分析研究：

1）儲(chǔ)運(yùn)鏈

由于儲(chǔ)運(yùn)鏈主要是將汽車元件運(yùn)輸?shù)娇傃b車間的生產(chǎn)流水線，因此Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在執(zhí)行控制操作的過程中，必須要確保汽車元件按照工藝流程，合理地進(jìn)入工藝線，使整個(gè)汽車制造環(huán)節(jié)保持均勻順暢。儲(chǔ)運(yùn)鏈的啟動(dòng)和停止則是通過停止器來實(shí)現(xiàn)，停止器通過與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的分散式的I/O模塊相連接，可以接收到上級(jí)發(fā)送的指令，從而有效地分配進(jìn)入總裝車間的汽車元件走向和數(shù)量。

汽車制造車間的儲(chǔ)運(yùn)鏈分為許多不同的區(qū)間，每一個(gè)區(qū)間的汽車元件容量以及順序都是固定的，因此Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在執(zhí)行控制操作的過程中需要滿足以下要求：如果儲(chǔ)運(yùn)鏈的前一個(gè)區(qū)間已經(jīng)存滿汽車元件，此時(shí)位于其后的區(qū)間啟動(dòng)停止器，停止運(yùn)行避免汽車元件繼續(xù)進(jìn)入；如果前一個(gè)區(qū)間有空位時(shí)，位于其后的空間則關(guān)閉停止器，可以使汽車元件繼續(xù)進(jìn)入，直至前一個(gè)區(qū)間存滿為止。如果吊具通過儲(chǔ)運(yùn)鏈吊裝汽車元件時(shí)，為了避免對(duì)吊具造成損傷需要對(duì)停止器進(jìn)行封鎖。而對(duì)于噴漆車間與總裝車間交接處的停止器則有特殊的控制要求，由于噴漆車間與總裝車間的儲(chǔ)存鏈上的汽車元件會(huì)經(jīng)過該停止器，所以需要使用兩個(gè)儲(chǔ)運(yùn)鏈上的PLC可編程控制器分別進(jìn)行控制，而且與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)相連，然后通過Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)交換噴漆車間與總裝車間的儲(chǔ)存鏈上的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)停止器的有效控制。此外，儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈交接處的停止器也需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。儲(chǔ)運(yùn)鏈的運(yùn)行速度遠(yuǎn)大于工藝鏈，因此當(dāng)儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈進(jìn)行交接時(shí)，經(jīng)常會(huì)由于速度差造成工藝鏈上的汽車元件嚴(yán)重堆積的現(xiàn)象，所以這個(gè)位置的停止器在控制過程中需要根據(jù)汽車制造車間的實(shí)際情況以及儲(chǔ)運(yùn)鏈和工藝鏈軌道的分布以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮。

2）工藝鏈

工藝鏈主要是控制汽車元件以均勻的速度通過汽車制造流水線的各個(gè)裝配工位，工藝鏈的啟動(dòng)和停止主要是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)，變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)相連接。PLC可編程控制器通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)向變頻器發(fā)送指令，控制工藝鏈的啟動(dòng)、停止以及變速。此外，與工藝鏈配合的地板鏈也是由PLC可編程控制器通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)向變頻器發(fā)送指令的方式進(jìn)行控制的。值得注意的是與工藝鏈配合的地板鏈，其運(yùn)行速度必須和工藝鏈保持一致，以便于裝配工人進(jìn)行操作。在汽車制造車間中每一個(gè)控制柜上都安裝有一個(gè)OP27操作控制板并且通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相連接，通過OP27操作控制板完成對(duì)儲(chǔ)運(yùn)鏈以及工藝鏈的各項(xiàng)基本控制。總控制室中主要通過工控制進(jìn)行操作，工控機(jī)通過PLC可編輯控制器中的插槽與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的Profibus-FMS網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴漆車間與總裝車間的工藝鏈以及儲(chǔ)運(yùn)鏈的有效控制。

工藝鏈中的變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)相連接，從站地址通過變頻器的操作面板進(jìn)行設(shè)置，變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通過參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PPO）進(jìn)行的。參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PPO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由參數(shù)PKW和過程數(shù)據(jù)PZD兩部分組成，其中參數(shù)PKW，主要的作用是用來控制和監(jiān)視參數(shù)，通常是由四個(gè)連續(xù)字節(jié)組成，首字定義任務(wù)識(shí)別碼（PKE）；第二個(gè)字定義了參數(shù)索引（IND）；第三個(gè)和第四個(gè)字定義了具體的參數(shù)值（PWE）；過程數(shù)據(jù)PZD主要包括任務(wù)以及應(yīng)答兩個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)任務(wù)環(huán)節(jié)來說，過程數(shù)據(jù)PZD設(shè)定變頻器的控制字（STW），工作頻率（HSW）以及其他過程變量等，而對(duì)于應(yīng)答環(huán)節(jié)來說，過程數(shù)據(jù)PZD則復(fù)原變頻器的主要狀態(tài)（ZSW）、實(shí)際工作頻率（HIW）以及其它過程量等。參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象（PPO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)共有五種類型，即PPO1、PPO2、PPO3、PPO4、PPO5，其中以PPO1為例分析其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 PPO1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表

4 結(jié)束語

綜上所述，本文主要介紹了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)，并且研究了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的硬件構(gòu)成與軟件配置。然后對(duì)汽車制造生產(chǎn)過程中Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行具體分析，有效的提高汽車制造業(yè)的生產(chǎn)水平，而且通過系統(tǒng)的自動(dòng)診斷以及在線維護(hù)功能，極大的降低了汽車生產(chǎn)設(shè)備的故障維修時(shí)間以及成本，在保證汽車制造的安全性和可靠性的同時(shí)還能夠有效地降低產(chǎn)品成本。

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