工业以太网及现场总线技术在汽车加工业中的发展与应用

    前言

    2004年10月，国家颁布了《缺陷汽车产品召回管理规定》，汽车产品链特点是涉及到的环节多、工序长。以发动机缸盖为例，从毛坯的上线到成品下线，中间工序20多个，涉及设备上百台，一道工序出问题，可能会造成某批零件存在召回的风险。为减少损失，必须尽可能精确追溯所有零件，减少召回的汽车数量。随着国家法律法规的完善，召回也会越来越严格，因此，自动监控可追溯系统将是汽车加工发展的趋势。

    神龙公司襄樊工厂16气阀缸盖线是采用高速加工中心、自动上下料机械手、部分机器人组成的生产线，采用Profibus总线、工业以太网技术，使全线设备状态、零件自动监控，实现零件的可追溯。

    1.Profibus简介及工业以太网的发展

    Profibus 是德国90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号为DIN19245。1996 年成为欧洲标准，1999年底成为国际标准IEC61158的组成部分，已被全世界接受。2001年11月，成为第一个进入中国的现场总线标准，在全世界得到广泛运用。

    Profibus根据其应用特点可分为Profibus-DP、PROFIBUS-FMS、Profibus-PA三个兼容版本。Profibus DP是一种工作于12MB的RS—485 I/O网络，是一种主—从网络结构，最多有126个节点和244字节消息，传输速率快。

    新缸盖线采用Profibus-DP技术，通过Profibus-DP 模块取代价格昂贵的 24V 或 0～20mA 并行信号线。在使用过程中，其系统的开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性和对现场环境的适应性等优点得到充分体现，节省了硬件数量与投资、安装及设备维护费用，也提高了系统的准确性与可靠性。

    众所周知，以太网是一种可靠的通信标准，它主要用于商业上的数据处理，各类机构、银行和工业部门之间广泛的数据文件交换，包括国内的和国际的，这也是以太网广为应用的缘故。转入工业自动化之后，其应用主要是解决管理层、生产指挥层和控制层的任务。发展到今天是用以太网将企业中心和自动化岛屿连接在一起，而真正的自动化任务是下级的现场总线来解决的。因此，处理好工业以太网与下级PLC、NC、工业智能仪表之间的接口，是实现无人职守工厂及零件可追溯系统的关键所在，也是自动化、信息化工厂的发展趋势。

    2.现场总线配置

    为构架设备监控系统，我们首先利用Profibus-DP总线将部分设备连接起来，组成自动化岛屿，自动化岛屿各设备之间遵循传统的PLC、NC等信息交换及设备控制，然后通过特定的通讯模块连接工业以太网HUB，将自动化岛屿挂靠在以太网上，组建车间内部的网络，采集到的信号交工业PC机处理，最后利用特殊的计算机人机界面软件实现设备与人的信息交换。

    首先介绍通过Profibus-DP架设自动化岛，以OP75、OP80为例，Profibus-DP将三台设备联起来，设定为一主多从的模式，如图1。

图1 自动化岛屿示意图

    从图1可以看出，PROFIBUS总线将OP75、OP80操作面板、ET200X联系起来，通过Simens编程及参数配置完成数据的通讯，形成一个相对独立的自动化岛屿。CPU与CPU之间的联系是通过CP342-5通讯接口区来实现的，我们可以通过配置PROFIBUS DP主从站，连接上以后主CPU调用程序SFC14、SFC15对数据包进行处理，从站在程序块OB1中调用FC1、FC2建立通讯区，即可完成参数规定的数据进行发送、接收，完成自动化岛屿内部的数据交换。

    3.ID卡的应用实现零件可追溯

    由于新缸盖零件的加工绑定在托盘上的，是为实现零件加工的可追溯，以及托盘X、Y、Z方向的自动补偿，我们在每一个托盘上加装了8K的ID卡，实时记录了每一个托盘及零件的状态，为便于设备读写ID卡数据，我们对ID存储区地址做了详细规定，见表1。

    表1ID存储区规定

    每一道工序都有它的专属区域，例如：M100-124为OP10，M125-M149为OP15，M125-M149为OP20，M125-M149为OP30，等等。当下道工序入口处ID读写器读出ID卡内容时，在程序中编写有自动校验功能，如果上道工序没有写入完成信号，机床自动将零件排出，防止漏工序加工，同时报警提示操作人员。如果ID卡中标志为NG，机床也不加工而自动排出，做到防差错的功能。[page]

    零件刚上线时系统自动给了一个序列号，每通过一台设备加工，设备都将会写入当道工序的状态，记录在ID卡中，中间工序将零件的ID号刻在零件上，唯一的号有利于零件追溯。同时在最终工位将ID卡内的信息读出来，通过零件终端PC将信息记录在PC硬盘中，需要时，可以利用PC人机软件查询，该零件号所对应的零件在生产线的加工情况，极大地提高了零件追溯的精度，减少不必要的召回损失。例如：零件刻号为300 06 03 21 1，表示此零件上线时间为2006年3月21日的白班，当天第300个零件，具体定义见图2。  

   图2 零件刻号定义

    4.工业以太网现场使用及监控软件

    (1)在建立了若干个自动化岛屿后，可以采用特定通讯模块，通过工业以太网路由器将各自动化岛屿联系起来，形成以各岛屿为单位的车间生产线局域网，采集信息和发送指令。同时通过以太网上终端PC的人机软件，实时监控生产线的设备、零件状态，发送命令指令，控制整个生产线的生产。再进一步可以通过终端PC的软件处理，将终端采集的数据发布到工厂网络上去，结合大型管理软件，实现生产线的远程管理，最终向无人职守工厂发展。具体的网络连接图如图3。

图3 以太网络连接图   

    (2)工业以太网将采集来的信息，通过终端PC中安装人机软件展示出来，形成全线设备、生产监控系统，同时大量数据被终端PC存储下来。我们可以通过定期备份完成汽车加工零件整个生命周期的有效跟踪。如果要查看300 06 03 21 1这个零件信息，只需在零件追溯终端PC中输入此号，即可查出加工该零件的每一个环节的信息，便于跟踪分析。设备监控系统如图3，零件追溯系统如图4。

图4设备监控系统图

图5零件追溯系统图  

    结束语

    现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，得到大范围推广，导致了自动控制领域的一场革命。随着计算机网络技术的不断发展，计算机技术逐步被运用于加工业，由于目前现场总线在实际运用中有着不可替代的作用，因此短期内还不可能被计算机通信技术取代。网络技术的引入大大增强了现场总线的功能，两者的相互融合成为现场总线技术发展的主要趋势，也为自动化控制技术注入了新的活力。