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• 關鍵詞： 現場總線應用 現場總線
• 摘要：本文介紹了西門子公司的PROFIBUS現場總線網絡技術在長安汽車制造廠中的應用，通過對總裝生產線的改造，大大提高了生產效率，將產量提高到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需求。

一、項目概況： 
　　長安汽車制造廠原來可以生產6種型號汽車，年產量在8萬輛左右。他的總裝生產線是在80年代末引進美國50年代技術制造的，由于在設計、制造上存在許多缺陷，導致系統有故障率高，生產效率低等諸多問題。長安公司為適應中國加入WTO后對汽車行業的沖擊，保持中國微型汽車生產企業的龍頭位置，在不斷推出新車型的同時，生產線的制造能力成為了企業發展的瓶頸。通過我們對總裝生產線的改造，大大提高了生產效率，將產量提高到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需求。 
二、改造方案的確定： 
　　總裝車間的原生產線控制系統采用的是三菱PLC系統，傳統的控制模式。所有分布在車間的信號靠IO電纜連接至PLC柜，設備的故障報警信息全部通過BCD碼來顯示，工人對生產線的干預僅限于啟動、停止和急停操作。根據現場生產的實際情況，該控制系統已經無法滿足生產需求： 
1、無法提供故障的準確檢測和判斷。時間對于總裝車間來講是分秒必爭，尤其是在產量達到一定規模以后。故障產生時，維修人員需要以最快的速度發現和解決問題，老系統必須由工人根據報警代碼尋找故障地點，再根據經驗分析原因，故障停線時間因此比較長。尤其是在PLC本身發生故障時，往往會浪費更多的時間。 
2、檢修困難。總裝車間的信號多，而且分布面積很廣，橋架里的電纜敷設很擁擠，加之時間比較長，線號已經模糊不清，維修工人需要更換電纜、電氣元件等需要耗費很大的工作量。 
3、無法為工廠資源管理信息系統（MRPII）提供快速、準確的生產信息。車間的零部件物流無法根據實際的生產進度進行合理的調度。 
　　西門子公司的PROFIBUS現場總線網絡技術，為這個系統提供了一個完整的解決方案。在過去的十多年里，隨著生產車間自動化和過程自動化中分散化結構的迅速增長，現場總線系統的應用日益普遍。其原因之一是：現場總線系統實現了數字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調節裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和PC之間的數據傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現場設備附近，使安裝和布線的費用開銷減少到最小，從而使成本費用大大地節省。其原因之二是：標準化的現場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產的分散I/O裝置和現場設備。 
　　PROFIBUS現場總線系統的結構是透明和開放的。只有這樣，工程師們才可能從市場上大量可供應的現場設備和部件中選擇最佳的產品組成他們自己的系統。現場總線PROFIBUS滿足了生產過程現場級數據可存取性的重要要求。一方面它覆蓋了傳感器/執行器領域的通信需求，另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。特別在“分散I/O”領域，由于有大量的、種類齊全的、可連接的現場設備可供選用。同時該總線系統又提供了豐富的設備診斷信息，操作員可以直接通過監控計算機了解整個車間系統設備的健壯性，為故障的判斷提供直截了當的輔助手段，大大減少了故障的排除時間。 
　　Profibus利用了現有的國家標準和國際標準。其協議以國際ISO（國際標準組織）標準OSI（開放系統互連）參考模型為基礎。ISO/OSI通信標準模型由7層組織，并分成兩類。一類是面向用戶的第5層到第7層，另一類是面向網絡的第1層到第4層。第1層到第4層描述數據從一個地方傳輸到另一個地方，而第5層到第7層給用戶提供適當的方式去訪問網絡系統。 
三、系統結構： 
　　我們根據國內外類似系統的運行管理情況以及在該行業中的實際經驗，依照國際自動控制領域的發展趨勢，本著安全可靠、簡單實用、先進（十年不落后）的原則，充分發揮西門子自動化產品的技術優勢，以S7控制平臺和開放的現場總線網絡ProfibusTM體系為核心，采用最新的控制器、驅動、網絡架構及工控軟件產品為用戶提供了一個由計算機、PLC、現場分布式I/O組成的多級的、開放的、模塊化的、實時多任務的集散型可擴展數據采集和控制系統。 
　　該系統采用集成工業現場總線、控制總線和100/1000M高速以太網組成的混合三層體系結構，既支持基于瀏覽器的B/S結構體系，也支持C/S結構體系。 
　　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、數字等多媒體形式），信息量大，對系統功能要求高。控制監視任務不僅僅限于單機的檢測和控制問題，而且還實現了對整個車間的監控、故障診斷、物流優化、生產預報和調度。以PLC和計算機為核心的信息處理機制完成對綜合信息的管理、生產過程的計劃、調度、監視與自動化控制，系統具有以下三個主要方面的功能： 
1、現場生產數據的采集、分析、處理、動態追蹤、工藝控制等前臺生產現場檢測與控制； 
2、車型數據、設備故障信息、安裝工位管理等后臺信息管理； 
3、車間運行監控與計劃調度指揮，內部電話監控、LED等多媒體系統。 
　　為了實現以上功能的集成，總裝車間廣泛采用了多媒體技術、現場總線技術、高速以太網技術、工業控制技術、通信技術及視頻圖像監控技術等關鍵技術，可以定義為集成現場工業總線的高速以太網多媒體計算機信息管理、控制系統。整個系統的架構分為三個層次. 
⑴信息層： 
　　總裝車間內部和同廠區其他部門進行數據交換采用標準TCP/IP以太網結構，工業控制部分采用西門子現場總線結構。這種設計可以將生產信息管理網絡和工業控制網絡區分開來，實現信息分流，便于根據信息管理和工業控制對網絡速度及傳輸可靠度等性能的不同要求進行網絡設置，既能滿足信息管理大量數據交互的可靠性，又能保證工控信號傳遞的實時性和準確性。監控工作站、管理工作站、現場信息LED服務器、數據庫及應用軟件的用戶之間通過TCP/IP通信協議實現信息的傳輸與共享。數據庫中的數據只有通過服務器才能夠與用戶、現場設備之間進行信息的交流（監控計算機除外）。用戶既可以通過Windows內建的IE瀏覽器實現生產現場信息的獲取與交互，也可以直接與數據服務器進行信息的交流，再通過監控計算機實現對現場設備的控制。用戶不直接參與控制現場設備與數據庫，既保證了數據的安全性與底層設備的健壯性和人機交互界面的透明性與友好性。 
⑵控制層： 
　　現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主站之間和中央監控計算機通過Profibus-FMS網絡協議相連，實現控制信號的高速傳輸。PLC自動監測重要設備的運行狀態，并對設備進行自動控制，可人工干預調整工藝參數變化。Profibus-FMS使用了第1層、第2層和第7層。應用層（第7層）包括FMS（現場總線報文規范）和LLI（低層接口）。FMS包含應用協議和提供的通信服務。LLI建立各種類型的通信關系，并給FMS提供不依賴于設備的對第2層的訪問。FMS處理單元級（PLC和PC）的數據通信。功能強大的FMS服務可在廣泛的應用領域內使用，并為解決復雜通信任務提供了很大的靈活性。 
⑶設備層： 
　　我們采用Profibus_DP網絡連接分布于車間的傳感器和執行機構，將變頻器、現場分布式I/O、具有總線接口的工藝設備等直接采用總線電纜連接，實現了數字和模擬輸入/輸出信號、智能信號裝置和過程調節裝置與可編程邏輯控制器（PLC）之間的數據數字化傳輸，把I/O信號通道分散到實際需要的現場設備附近，使安裝和布線的費用開銷減少到最小，從而使成本費用大大地節省，實現了底層設備的低成本、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，這種精簡的結構確保高速數據傳輸。直接數據鏈路映象程序（DDLM）提供對第2層的訪問。在用戶接口中規定了PROFIBUS-DP設備的應用功能，以及各種類型的系統和設備的行為特性。這種為高速傳輸用戶數據而優化的PROFIBUS協議特別適用于可編程序控制器與現場級分散的I/O設備之間的通信。 
四、系統特點 
1．網絡結構：采用統一的Profibus現場總線技術，整個車間網絡脈絡清晰，簡潔明了。 
2．功能模塊：基于現場總線和應用需求的功能全面模塊化設計 
3．信息管理：與工廠信息數據庫的充分融合，不僅可以獲取數據，還可以將總裝生產信息納入工廠信息數據庫中，為其他車間和零件庫提供生產指導信息。 
4．條碼跟蹤：降低錯誤率、提升效率的關鍵技術 
5．特色控制：完全切合用戶實際生產狀況，解決系統生產瓶頸。通過系統診斷技術、驅動站同步控制、智能合流道岔控制等手段，解決了生產過程中的難題，保證生產正常運行。 
６．監控功能：豐富易用實時性強的人機界面 

結束語：

　　本系統在去年8月一次投運成功，至今運行穩定，通過了用戶驗收，得到了好評。該系統通過Profibus現場總線技術將現場設備的控制與生產管理緊密結合，實現了控制、管理和監視的機電一體化，提高了生產線綜合自動化水平，可以廣泛地應用于汽車、摩托車行業的成車總裝和發動機總裝等生產環節。