Profibus總線的應(yīng)用分析

摘要：本文主要介紹了Profibus總線及其應(yīng)用，首先介紹了Profibus的組成，基本特性及性能、結(jié)構(gòu)等。接著介紹Profibus在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后介紹了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的車間生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化管理，在汽車制造業(yè)，轎車總裝車間的應(yīng)用。使企業(yè)工廠車間的信息傳遞、物流狀況等實(shí)時(shí)地展現(xiàn)在管理者和操作者的面前，及時(shí)有效地提高了管理水平，減少了故障停線頻率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：Profibus；總線；生產(chǎn)自動(dòng)化；—、Profibus總線介紹PROFIBUS，是一種國(guó)際化.開放式.不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。Profibus的組成：PROFIBUS是過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線的縮寫，于1989年正式成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。目前在多種自動(dòng)化的領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位，全世界的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)已經(jīng)超過(guò)2000萬(wàn)。它由三個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS－DP(DecentralizedPeriphery).PROFIBUS－PA(ProcessAutomation).PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。其中PROFIBUS－DP應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，它是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O之間的通訊；PROFIBUS—PA適用于過(guò)程自動(dòng)化，可使傳感器和執(zhí)行器接在一根共用的總線上，可應(yīng)用于本征安全領(lǐng)域；PROFIBUS—FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，它是令牌結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)完成控制器和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換。主要使用主-從方式，通常周期性地與傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Profibus的基本特性：Profibus可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)化，與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，Profibus的重要優(yōu)點(diǎn)是具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性，它包括了加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化等廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)集中控制、分散控制和混合控制三種方式。該系統(tǒng)分為主站和從站：主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)(令牌)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息。在Profibus協(xié)議中主站也稱為主動(dòng)站。從站為外圍設(shè)備，典型的從站包括：輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量發(fā)射器。它們沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。從站也稱為被動(dòng)站。由于從站只需總線協(xié)議的一小部分，所以實(shí)施起來(lái)特別經(jīng)濟(jì)。Profibus的性能：與其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比,PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。目前已應(yīng)用的領(lǐng)域包括加工制造.過(guò)程控制和自動(dòng)化等。PROFIBUS開放性和不依賴于廠商的通信的設(shè)想，已在10多萬(wàn)成功應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。市場(chǎng)調(diào)查確認(rèn),在德國(guó)和歐洲市場(chǎng)中PROFIBUS占開放性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的市場(chǎng)超過(guò)40%。PROFIBUS有國(guó)際著名自動(dòng)化技術(shù)裝備的生產(chǎn)廠商支持,它們都具有各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并能提供廣泛的優(yōu)質(zhì)新產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)。Profibus的結(jié)構(gòu)：PROFIBUS協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(OpenSystemInterconnection-OSI)作為參考模型的。該模型共有七層。PROFIBUS-DP：定義了第一.二層和用戶接口。第三到七層未加描述。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能,并詳細(xì)說(shuō)明了各種不同PROFIBUS-DP設(shè)備的設(shè)備行為。PROFIBUS-FMS:定義了第一.二.七層，應(yīng)用層包括現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范(FieldbusMessageSpecification-FMS)和低層接口(LowerLayerInterface-LLI)。FMS包括了應(yīng)用協(xié)議并向用戶提供了可廣泛選用的強(qiáng)有力的通信服務(wù)。LLI協(xié)調(diào)不同的通信關(guān)系并提供不依賴設(shè)備的第二層訪問(wèn)接口。PROFIBUS-PA：PA的數(shù)據(jù)傳輸采用擴(kuò)展的PROFIBUS-DP協(xié)議。另外，PA還描述了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備行為的PA行規(guī)。根據(jù)IEC1158—2標(biāo)準(zhǔn)，PA的傳輸技術(shù)可確保其本征安全性，而且可通過(guò)總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。使用連接器可在DP上擴(kuò)展PA網(wǎng)絡(luò)。注：第一層為物理層，第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，第三層為網(wǎng)絡(luò)層，第四層為傳輸層，第五層為會(huì)話層，第六層為表達(dá)層，第七層為應(yīng)用層。需要注意的是，第三~六層在Profibus中沒(méi)有具體應(yīng)用，但是這些層要求的任何重要功能都已經(jīng)集成在低層接口(LLI)中。4.Profibus在工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用：典型的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP/PA控制系統(tǒng)位于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的低層，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和車間級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus是面向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和車間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要功能是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開關(guān)設(shè)備等，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制及設(shè)備間連鎖控制。主站負(fù)責(zé)總線通信管理及所有從站的通信?？偩€上所有設(shè)備生產(chǎn)工藝控制程序均儲(chǔ)存在主站中，并由主站執(zhí)行。車間監(jiān)控層車間級(jí)監(jiān)控用來(lái)完成車間中生產(chǎn)設(shè)備之間的連接，如一個(gè)車間三條生產(chǎn)線主控制器之間的連接，完成車間級(jí)設(shè)備監(jiān)控。車間級(jí)監(jiān)控包括生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等。通常還具有諸如生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等車間級(jí)生產(chǎn)管理功能。車間級(jí)監(jiān)控通常要設(shè)立車間監(jiān)控室，在操作員工作站及打印設(shè)備上。車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可采用Profibus-FMS，它是一個(gè)多主網(wǎng)絡(luò)，在這一級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸速度不是最重要的，而是要能夠傳送大容量信息。工廠管理層車間操作員工作站可通過(guò)集線器與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。車間管理網(wǎng)作為主網(wǎng)的一個(gè)子網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)、網(wǎng)橋或路由器等連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)上，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠管理層。車間管理層通常所說(shuō)的以太網(wǎng)，即IEC802.3TCP/IP的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。工廠骨干網(wǎng)可根據(jù)工廠實(shí)際情況，采用如FDDI或ATM等網(wǎng)絡(luò)。二、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的車間生產(chǎn)自動(dòng)化管理汽車制造業(yè)是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)隨著汽車行業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，各生產(chǎn)廠家都普遍面臨著提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)管理水平等種種壓力。對(duì)于汽車項(xiàng)目而言，無(wú)論是新建項(xiàng)目，還是現(xiàn)有設(shè)備的擴(kuò)展和改造，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)都應(yīng)該有一個(gè)基本指導(dǎo)原則：采用最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品，從而最大程度減小系統(tǒng)集成和調(diào)試時(shí)間、降低投資成本，方便生產(chǎn)運(yùn)行階段的維護(hù)與工藝調(diào)整；提高各工藝設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少故障停機(jī)時(shí)間保證計(jì)劃產(chǎn)量的實(shí)現(xiàn)。西門子公司的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的解決方案。在過(guò)去的十多年里，隨著生產(chǎn)車間自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。其原因之一是現(xiàn)場(chǎng)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(hào)裝置和過(guò)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I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)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)用大大的節(jié)省。其原因之二是標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)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I／O裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。Profibus現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)上大量可供應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)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)。現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus滿足了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(jí)領(lǐng)域的所有網(wǎng)絡(luò)通信功能。特別在“分散I/O”領(lǐng)域，由于有大量的、種類齊全的、可連接的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可供選用，同時(shí)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(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)了解整個(gè)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(shí)間。有了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的電氣技術(shù)方面的保證，并且在設(shè)計(jì)中融人了先進(jìn)的TPS生產(chǎn)管理理念，從而使總裝車間的信息傳遞、物流狀況等實(shí)時(shí)地展現(xiàn)在管理者和操作者的面前，及時(shí)有效地提高了管理水平，減少了故障停線頻率，保證了汽車的質(zhì)量。系統(tǒng)的技術(shù)要求及功能概述管理職能該系統(tǒng)作為轎車總裝車間信息傳遞的一個(gè)子系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)如下過(guò)程的管理職能：工序作業(yè)管理各工序可以由操作者通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行支援呼叫和必要信息的遠(yuǎn)程傳遞，如維修、供應(yīng)、工藝、質(zhì)量等，使工序過(guò)程透明化。并對(duì)各區(qū)域、各類別呼叫進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)備狀態(tài)管理在線主體及關(guān)鍵設(shè)備可以通過(guò)對(duì)人工呼叫、設(shè)備信號(hào)提取等方式，確認(rèn)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)、維修需求等，以進(jìn)行相關(guān)的指示、播報(bào)，并對(duì)主生產(chǎn)線的停線工時(shí)進(jìn)行分析和報(bào)表統(tǒng)計(jì)。質(zhì)量管理系統(tǒng)能通過(guò)人工呼叫、設(shè)備控制信息采集等方式，確認(rèn)可能嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量的裝配過(guò)程，對(duì)影響過(guò)程和位置進(jìn)行實(shí)時(shí)申報(bào)，并在必要時(shí)控制停線，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)記錄存儲(chǔ)、查詢和統(tǒng)計(jì)、分析。供應(yīng)(物流控制)管理對(duì)物流配送的需求進(jìn)行實(shí)時(shí)呼叫，并給物流系統(tǒng)直觀提示；對(duì)生產(chǎn)線節(jié)拍進(jìn)行提示，為物流配貨提供支持；就物流對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并統(tǒng)計(jì)及生成有關(guān)報(bào)表分析。節(jié)拍管理系統(tǒng)通過(guò)節(jié)拍提示屏進(jìn)行節(jié)拍進(jìn)程提示，結(jié)合必要的預(yù)警音樂(lè)，作為操作工人和物流配貨的工作提示。停線管理對(duì)如下幾種情況賦予系統(tǒng)停線權(quán)限：在主裝配線(一次內(nèi)飾、底盤線、二次內(nèi)飾)工位呼叫發(fā)出后，車到整車位沒(méi)有消除呼叫時(shí)。設(shè)備限制不可以越位裝配的，在到達(dá)位置限制點(diǎn)時(shí)。重要質(zhì)量問(wèn)題停線，如漏裝、裝配不合格等。計(jì)劃停線，即按照生產(chǎn)計(jì)劃的停線，如產(chǎn)量完成停線，休息時(shí)間停線等。停線原因的統(tǒng)計(jì)與報(bào)表：系統(tǒng)具備對(duì)各類停線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總分析的能力，并能夠生成相關(guān)報(bào)表。同時(shí)核算主線開動(dòng)率。環(huán)境管理系統(tǒng)除常規(guī)工位狀態(tài)顯示外，能夠進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃、完成產(chǎn)量、停臺(tái)、日歷、時(shí)間等有關(guān)信息顯示，并能有選擇地通過(guò)廣播系統(tǒng)播放多種背景音樂(lè)。信息輸出形式系統(tǒng)信息采用如下五種方式輸出：LED雙基色顯示屏規(guī)格大小為：4000mmX2000mm雙面顯示；對(duì)生產(chǎn)工位狀態(tài)、生產(chǎn)狀況(生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)量、完成產(chǎn)量等)有關(guān)信息進(jìn)行綜合顯示。該方式是系統(tǒng)輸出的主要途徑。電腦終端設(shè)置電腦終端，并賦予不同的權(quán)限，進(jìn)行信息顯示、匯總分析、設(shè)置和系統(tǒng)管理等。該方式是系統(tǒng)輸出和管理的主要手段。在終端預(yù)留以太網(wǎng)接口，以便將車間級(jí)信息通過(guò)Internet共享。聲音報(bào)警對(duì)重要的呼叫內(nèi)容，在顯示屏附近和現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置聲音報(bào)警。該方式是系統(tǒng)輸出的輔助手段。燈光報(bào)警對(duì)重要的呼叫內(nèi)容，在顯示屏附近設(shè)置轉(zhuǎn)燈報(bào)警，所有拉線點(diǎn)設(shè)置燈光指示。該方式是系統(tǒng)輸出的輔助手段。系統(tǒng)組成2.2.1系統(tǒng)硬件的組成以Profibus總線為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)如圖1所示。(1)主控柜單元本單元包括PLC-CPU、HMI、以太網(wǎng)接口及Profibus主站單元。CPU主要負(fù)責(zé)信息的處理及保存，并通過(guò)以太網(wǎng)接口將信息發(fā)送到廠級(jí)以太網(wǎng)，使總裝車間內(nèi)的生產(chǎn)信息共享。同時(shí)PLC接收來(lái)自廠級(jí)指令系統(tǒng)的指令，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，保證生產(chǎn)計(jì)劃的按時(shí)完成。生產(chǎn)呼叫單元用于生產(chǎn)過(guò)程中，操作工人的實(shí)時(shí)支援呼叫，包括呼叫班長(zhǎng)、維修、品質(zhì)、工藝、物流火員。可以實(shí)現(xiàn)呼叫信息的快速傳遞，減少求助時(shí)間，對(duì)準(zhǔn)時(shí)化(JIT)生產(chǎn)作業(yè)構(gòu)成支持。本單元包括72點(diǎn)拉線(工位拉線呼叫)、10個(gè)觸摸屏(分類呼叫觸摸屏)及相關(guān)控制系統(tǒng)。當(dāng)生產(chǎn)人員因有呼叫請(qǐng)求時(shí)立即拉下該工位的拉線呼叫開關(guān)，班長(zhǎng)了解需求后，在觸摸屏進(jìn)行二次分類呼叫。呼叫分類有維修、品質(zhì)、工藝、物料。ANDON看板單元該單元包括三條主線的三塊安東看板及相關(guān)控制系統(tǒng)，用于直觀顯示拉線呼叫工位、呼叫類型、重要設(shè)備狀態(tài)、輸送線狀態(tài)等信息。當(dāng)拉線呼叫動(dòng)作時(shí)PLC自動(dòng)記錄呼叫工位以及呼叫分類等信息，并且能夠?qū)崟r(shí)記錄當(dāng)主線上設(shè)備發(fā)生故障的設(shè)備代碼。然后通過(guò)遠(yuǎn)程輸出口點(diǎn)亮ANDON看板上的指示燈，來(lái)及時(shí)提醒相關(guān)人員進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)。輸送線的控制單元本單元包括Profibus-PA元件、變頻器、變頻電機(jī)等主要元件。節(jié)拍ANDON是JIT(準(zhǔn)時(shí)化)生產(chǎn)的有力保證，生產(chǎn)線上的操作員以節(jié)拍提示為參考，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的工作任務(wù)，做到了準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)。輸送線的控制在此單元中尤為重要，其控制速度與生產(chǎn)節(jié)拍相吻合，生產(chǎn)節(jié)拍已定則其速度也就自動(dòng)調(diào)整為與節(jié)拍相應(yīng)的速度，如圖2所示。圖2中：Xl(s)為生產(chǎn)節(jié)拍指令；X2(s)為變頻器輸入控制指令；Yl(s)為馬達(dá)控制信號(hào)；Y2(s)為輸送線速度。設(shè)備管理單元該單元主