Profibus现场总线系统技术在汽车制造业中的应用

一、项目概况： 

    长安汽车制造厂原来可以生产6种型号汽车，年产量在8万辆左右。他的总装生产线是在80年代末引进美国50年代技术制造的，由于在设计、制造上存在许多缺陷，导致系统有故障率高，生产效率低等诸多问题。长安公司为适应中国加入WTO后对汽车行业的冲击，保持中国微型汽车生产企业的龙头位置，在不断推出新车型的同时，生产线的制造能力成为了企业发展的瓶颈。通过我们对总装生产线的改造，大大提高了生产效率，将产量提高到20万辆/年，并且具备了多种车型混装能力，可以满足不断推出新车型的生产需求。

    二、改造方案的确定：

    总装车间的原生产线控制系统采用的是三菱PLC系统，传统的控制模式。所有分布在车间的信号靠IO电缆连接至PLC柜，设备的故障报警信息全部通过BCD码来显示，工人对生产线的干预仅限于启动、停止和急停操作。根据现场生产的实际情况，该控制系统已经无法满足生产需求：

    1、无法提供故障的准确检测和判断。时间对于总装车间来讲是分秒必争，尤其是在产量达到一定规模以后。故障产生时，维修人员需要以最快的速度发现和解决问题，老系统必须由工人根据报警代码寻找故障地点，再根据经验分析原因，故障停线时间因此比较长。尤其是在PLC本身发生故障时，往往会浪费更多的时间。

    2、检修困难。总装车间的信号多，而且分布面积很广，桥架里的电缆敷设很拥挤，加之时间比较长，线号已经模糊不清，维修工人需要更换电缆、电气元件等需要耗费很大的工作量。

    3、无法为工厂资源管理信息系统（MRPII）提供快速、准确的生产信息。车间的零部件物流无法根据实际的生产进度进行合理的调度。

    西门子公司的PROFIBUS现场总线网络技术，为这个系统提供了一个完整的解决方案。在过去的十多年里，随着生产车间自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍。其原因之一是：现场总线系统实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费用大大地节省。其原因之二是：标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备。

    PROFIBUS现场总线系统的结构是透明和开放的。只有这样，工程师们才可能从市场上大量可供应的现场设备和部件中选择最佳的产品组成他们自己的系统。现场总线PROFIBUS满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求。一方面它覆盖了传感器/执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特别在“分散I/O”领域，由于有大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用。同时该总线系统又提供了丰富的设备诊断信息，操作员可以直接通过监控计算机了解整个车间系统设备的健壮性，为故障的判断提供直截了当的辅助手段，大大减少了故障的排除时间。

    Profibus利用了现有的国家标准和国际标准。其协议以国际ISO（国际标准组织）标准OSI（开放系统互连）参考模型为基础。ISO/OSI通信标准模型由7层组织，并分成两类。一类是面向用户的第5层到第7层，另一类是面向网络的第1层到第4层。第1层到第4层描述数据从一个地方传输到另一个地方，而第5层到第7层给用户提供适当的方式去访问网络系统。

    三、系统结构：

    我们根据国内外类似系统的运行管理情况以及在该行业中的实际经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠、简单实用、先进（十年不落后）的原则，充分发挥西门子自动化产品的技术优势，以S7控制平台和开放的现场总线网络ProfibusTM体系为核心，采用最新的控制器、驱动、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、PLC、现场分布式I/O组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展数据采集和控制系统。

    该系统采用集成工业现场总线、控制总线和100/1000M高速以太网组成的混合三层体系结构，既支持基于浏览器的B/S结构体系，也支持C/S结构体系。

    整个总装车间的输入/输出信息形式多样（包括图像、图形、文字、语音、数字等多媒体形式），信息量大，对系统功能要求高。控制监视任务不仅仅限于单机的检测和控制问题，而且还实现了对整个车间的监控、故障诊断、物流优化、生产预报偷鞫取Ｒ訮LC和计算机为核心的信息处理机制完成对综合信息的管理、生产过程的计划、调度、监视与自动化控制，系统具有以下三个主要方面的功能：

    1、现场生产数据的采集、分析、处理、动态追踪、工艺控制等前台生产现场检测与控制；

    2、车型数据、设备故障信息、安装工位管理等后台信息管理；

    3、车间运行监控与计划调度指挥，内部电话监控、LED等多媒体系统。[page]

    为了实现以上功能的集成，总装车间广泛采用了多媒体技术、现场总线技术、高速以太网技术、工业控制技术、通信技术及视频图像监控技术等关键技术，可以定义为集成现场工业总线的高速以太网多媒体计算机信息管理、控制系统。整个系统的架构分为三个层次.

    ⑴信息层：

    总装车间内部和同厂区其他部门进行数据交换采用标准TCP/IP以太网结构，工业控制部分采用西门子现场总线结构。这种设计可以将生产信息管理网络和工业控制网络区分开来，实现信息分流，便于根据信息管理和工业控制对网络速度及传输可靠度等性能的不同要求进行网络设置，既能满足信息管理大量数据交互的可靠性，又能保证工控信号传递的实时性和准确性。监控工作站、管理工作站、现场信息LED服务器、数据库及应用软件的用户之间通过TCP/IP通信协议实现信息的传输与共享。数据库中的数据只有通过服务器才能够与用户、现场设备之间进行信息的交流（监控计算机除外）。用户既可以通过Windows内建的IE浏览器实现生产现场信息的获取与交互，也可以直接与数据服务器进行信息的交流，再通过监控计算机实现对现场设备的控制。用户不直接参与控制现场设备与数据库，既保证了数据的安全性与底层设备的健壮性和人机交互界面的透明性与友好性。

    ⑵控制层：

    现场控制站采用以西门子S7平台为控制核心，分布在各工艺段，PLC主站之间和中央监控计算机通过Profibus-FMS网络协议相连，实现控制信号的高速传输。PLC自动监测重要设备的运行状态，并对设备进行自动控制，可人工干预调整工艺参数变化。Profibus-FMS使用了第1层、第2层和第7层。应用层（第7层）包括FMS（现场总线报文规范）和LLI（低层接口）。FMS包含应用协议和提供的通信服务。LLI建立各种类型的通信关系，并给FMS提供不依赖于设备的对第2层的访问。FMS处理单元级（PLC和PC）的数据通信。功能强大的FMS服务可在广泛的应用领域内使用，并为解决复杂通信任务提供了很大的灵活性。

    ⑶设备层：

    我们采用Profibus_DP网络连接分布于车间的传感器和执行机构，将变频器、现场分布式I/O、具有总线接口的工艺设备等直接采用总线电缆连接，实现了数字和模拟输入/输出信号、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）之间的数据数字化传输，把I/O信号通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费用大大地节省，实现了底层设备的低成本、高效率的信息集成模式。PROFIBUS-DP使用了第1层、第2层和用户接口层。第3到7层未使用，这种精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映象程序（DDLM）提供对第2层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各种类型的系统和设备的行为特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于可编程序控制器与现场级分散的I/O设备之间的通信。

    四、系统特点

    1．网络结构：采用统一的Profibus现场总线技术，整个车间网络脉络清晰，简洁明了。

    2．功能模块：基于现场总线和应用需求的功能全面模块化设计

    3．信息管理：与工厂信息数据库的充分融合，不仅可以获取数据，还可以将总装生产信息纳入工厂信息数据库中，为其他车间和零件库提供生产指导信息。

    4．条码跟踪：降低错误率、提升效率的关键技术

    5．特色控制：完全切合用户实际生产状况，解决系统生产瓶颈。通过系统诊断技术、驱动站同步控制、智能合流道岔控制等手段，解决了生产过程中的难题，保证生产正常运行。

    6．监控功能：丰富易用实时性强的人机界面

    结束语

    本系统在去年8月一次投运成功，至今运行稳定，通过了用户验收，得到了好评。该系统通过Profibus现场总线技术将现场设备的控制与生产管理紧密结合，实现了控制、管理和监视的机电一体化，提高了生产线综合自动化水平，可以广泛地应用于汽车、摩托车行业的成车总装和发动机总装等生产环节。