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c v 9 汽车车身焊接生产线控制系统设计 摘要 随着中国逐步成为汽车的生产大国，越来越多的汽车生产线开始在国内自主 研发和建造。网络化和远程监控使得企业的生产管理更趋于高效，全集成自动化 开始融入中国制造行业。特别是汽车生产行业。 本论文就是根据重庆长安的c v 9 汽车车体焊接流水线，设计和构建基于现场 总线的焊接网络控制系统。该系统使用西门子系列p l c 作为主控制器，针对现 场的具体工位要求设计基于现场总线p r o f i b u s d p 的控制网络，配有3 0 个i o 从站，伺服电机控制系统，焊接控制系统，完成分布式远程控制。此外，系统配 备了以太网络层，用于工厂级的监控和管理。整个控制系统接入企业广域网中， 成为企业管理系统的一部分，满足现代化生产的要求。 在现场总线控制网络中，本论文主要根据现场不同的工位分布和工艺要求， 进行网络框架设计，并对现场的执行器进行软硬件设计和网络配置，构建完成 控制系统的网络部分。其中主要包括对伺服电机控制系统、焊接控制系统的硬件 设计和网络连接。此外，论文还针对现场安全性要求，设计制作用于现场级的监 控画面，提高系统的交互性和安全性。 在控制系统的软件设计中，论文提出基于高级编程理念的对象模块化编程思 想，改善原有p l c 的编程方式，使实际控制系统在软件系统中具体化。概括和提 取执行元件和自动控制的共同特征，构建基础对象控制模块。同时建立具体的工 位对象，从而创建基于对象的编程系统。采用对象模块化思想进行程序编制，不 仅使整个程序系统更加结构化，而且易于程序调试。 本课题最终结果达到设计的各项要求，并经过现场的实际检验，得到了企业 好评。目前该系统已经投入批量生产，运行情况良好。 关键词：汽车焊接工业网络p r o f i b u s 对象模块化p l c c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计 a b s t r a c t s i n c ec h i n ah a sb e i n go n eo ft h em a i na u t o m o t i v em a t i n f a c t u r i n gc o u n t r i e si n t h ew o r l d ，m o r ea n dm o r ea u t o m o b i l ep r o d u c tl i n e sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n d e s t a b l i s h e db yo u r s e l v e si nt h ec o u n t r y t h es y s t e m sb a s e do nt h en e t w o r ka n dt h e r e m o t em o n i t o r i n g c o n t r o l l i n gm a k et h ep r o d u c tm a n a g e m e n to ft h ee n t e r p r i s e sm o r e e m c i e n t c o m p l e t e d i n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do f m a n u f a c t u r ei nc h i n a e s p e c i a l l yi nt h ei n d u s t r yo f t h ea u t o m o b i l ep r o d u c t i nt h i sp a p e r , w eh a v ed e s i g n e da n de s t a b l i s h e dt h ew e l d i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ef i e l d b u s a c c o r d i n gt ot h ev e h i c l eb o d yw e l d i n gl i n eo nt h ep r e s e n t i nt h e s y s t e m s i m a t c is 7 3 0 0p l ci se m p l o y e da st h em a i nc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l n e t w o r ki n c l u d i n ga b o u tt h i r t y1 1 os t a t i o n s ，t w os e r v om o t o rc o n t r o ls y s t e m sa n da w e l d i n gc o n t r o ls y s t e m i ss e tu po nt h ep r o f l l 3 u s d pt of u l f i l lw i t ht h er e q u e s to f i d i o g r a p h i cs t a t i o n so nt h ep r e s e n t ，r e a l i z i n gt h er e m o t ed i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 m o r e o v e r , i no r d e rt om e e tt h en e e d s o f t h em o d e mm a n u f a c t u r e t h ee t h e m e ti sa l s od e s i g n e dt o m o n i t o ra n dm a i l a g et h ep r o c e s s t h ew h o l es y s t e mi sc o n n e c t e dt ot h ec o m p a n y 硝n b e c o m i n gt h ep a r to f t h ee n t e r p r i s em a n a g e m e n ts y s t e m i nt h el e v e lo ft h ef i e l d b u sc o n t r 0 1 t h ep r i n c i p a lp a r to ft h es y s t e mi sc o n t r i v e d a n de s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ta r r a n g eo fs t a t i o n sa n dt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kd e s i g n ，t h es o f t w a r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n d n e t w o r kc o n f i g u r a t i o no ft h ee x e c u t o r s t h es e r v om o t o rc o n t r o ls y s t e ma n dt h e w e l d i n gc o n t r o ls y s t e m a r et h et w om a i n p a r t s i nt h ef i e l d b u sc o n t r o l1 e v e l m e a n w h i l e ，f o rt h ep r o d u c ts a f e t y , t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d et oe n h a n c et h e w h o l es y s t e m so p e r a t i o na n ds a f e t y i nt h es o f t w a r ed e s i g n t h ei d e ao fo b j e c tm o d u l a r i z a t i o ni nt h ep l cp r o g r a mi s b r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hi m p r o v e st h et r a d i t i o n a lm o d eo fp l cp r o g r a m a n dm a k e st h er e a lc o n t r o lo n e c t sc o n c r e t ei nt h es o f t w a r e t h ea c t i v ei m p l e m e n ta n d t h ep r o c e s so fa u t o m a t i cc o n t r 0 1p r o c e s sa r ea b s t r a c t e da n dd i s t i l l e dt of o r i l lt h eo b i e c t c o n t r o lm o d u l e s t h e ne s t a b l i s h h a gt h ei d i o g r a p h i cs t a t i o nm a k e st h ec o n t r 0 1o b j e c t c o n c r e t i o n ，w h i c he s t a b l i s h e st h ep r o g r a ms y s t e mb a s e do no b j e c t u s i n gt h ei d e ao f o b j e c tm o d u l a r i z a t i o nt om a k ep r o g r a mc a n1 e tt h ew h o l es y s t e mb e c o m en o to n l y m o r es t m c t u r e db u ta l s om o r ec o n v e n i e n tt od e b u gt h ep r o g r a m t h ef i n a lr e s u l t so ft h i st a s kh a v ea p p r o a c h e dt h er e q u i r e m e n te s t a b l i s h e d b e f o r e ，a n da f t e rd e b u g g i n go nt h ep r e s e n t ，t h ew h o l es y s t e mi sr e c e i v e dm u c hp r a i s e f r o mt h ee n t e r p r i s e n o wt h i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e np u ti n t op r o d u c t i o na n dr u n w e l l k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ew e l d i n g ，i n d u s t r yn e t w o r k ，p r o f i b u s ，m o d u l a r i z a t i o n ，p l c i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 身 意。 签名：；过绰 日期趔： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趣缝 导师签名：超生盘 日期：型l ：三 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 从第一辆汽车发明出来到现在，汽车已经从一种实验性的发明转变为关联产 业最广、工业技术波及效果最大的综合性工业。汽车工业的发展已经成为汽车行 业本身的技术进步，而且也带动了汽车工业应用技术的发展。在新形式下，许多 公司把各种技术和装备，如微型电子计算机、无线电通讯、卫星导航等等新技术、 新设备和新方法、新材料广泛应用于汽车工业中，汽车正在走向自动化和电子化。 同时汽车本身的发展也在促进汽车制造业的发展。在最近召开的国际制造工 程学会年会上，各个发达工业国家如美国、日本、欧洲等国的与会制造专家、学 者发表的论文集中地反映了当前汽车制造业发展的特点和趋势。其特点是现代化 高新技术的综合利用：其趋势是四化：柔性化、灵捷化、智能化和信息化，再也 不是2 0 世纪4 0 5 0 年代发展起来的传统汽车制造方式以凸轮及其它机构为 基础，采用专用机床、夹具、刀具、量具组成的流水式生产线，即刚性自动化。 在市场化日益成熟的中国，许多的国外汽车制造商已经把眼光投入了这片热 土。中国将成为以后世界最大的汽车生产和零部件生产基地。同时根据有关方面 预测，未来五年汽车工业对各种技术装备的需求总量价值约在1 0 0 亿元左右。这 期间汽车工业发展主要以企业为投资主体，产品以多品种、小批量的方式来适应 市场需求的变化，但又要发挥汽车工业规模经济的优势，因此生产规模和工艺要 随之变化，各种罔0 性和半刚性生产线将逐步减少，柔性生产线将占主导地位。这 就对技术装备提出了更高的要求。2 0 0 5 年，中国汽车市场需求总量达2 9 0 万辆， 其中轿车需求量为1 1 5 万辆。在未来五年，还需要建汽车总装配线及与整车配套 的发动机、变速器、前后桥等大总成装配线和零部件装配线口】。 目前国内汽车行业规划设计是分别由合资外方公司、企业设计部门或专业 设计院承担。纵观现有汽车行业，各厂家水平是参差不齐，合资企业、国有企业 和民营企业生产制造技术水平各有不同。合资企业投入大，外方拥有产品和工艺 高度集成的优势，紧紧把住生产制造规划设计工作，设计费用比例也较高。通过 设计招标引进国外设备和装备，虽然提高了生产线的质量，但是其主要的知识技 术仍然偏向于外国。因此生产制造技术的规划设计简单理解就是“买设备、盖房 子”。在计划经济年代，国家通过编制“汽车工业产业政策”、“工艺和设备发展 规划”提出很多指导性意见，诸如：“高起点、大批量、专业化”、“经济规模”、“滚 动发展”等内容，对制造技术的进步有一定的推动作用，但始终没有把这项工作 的重要性提到应有的高度。为此，汽车生产制造技术和产品开发技术同样面临自 主发展和依赖引进相冲突的形势和压力，也给国内材料、装备行业的发展带来深 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第一章绪论 远的影响。因此装配线的控制研究对于以后中国汽车的发展具有深刻的意义。 本课题就来源于重庆长安汽车股份公司和德国库卡合作的c v 9 汽车生产 线，属于焊接装配流水线的主要组成部分。虽然该课题是来源于企业和学校的合 作项目，但是其整套控制系统是由德国库卡公司全权委托我校科研处和机电工程 及自动化学院进行开发，是我校与外国著名企业进行合作的一次成功实践，同时 也将会在一定程度上弥补我国在汽车装配线上的不足，缓解汽车行业技术对于国 外的依赖性。 1 2 国内外现状 世界上第一条汽车装配线是1 9 1 3 年美国的福特公司在底特律建成的汽车自 动流水装配线，首次实现汽车的批量生产。将当时著名的t 型车的组装时间从 1 2 5 小时缩短到1 5 小时。 1 9 世纪中期，汽车在欧洲以外的美国得到迅速发展。大规模的汽车生产装 配流水线开始出现，使得美国的汽车产量大幅提高。日本的汽车生产流水线尽管 发展比较晚，但是由于机器人技术的强大支持，使得日本的汽车装配线更加自动 化和柔性化。 在2 1 世纪，为了降低成本提高产品竞争力、简化汽车制造工艺、节省装配 时间，汽车制造产业正朝着装配模块化方向发展。零部件供应商也开始承担许多 原由整车企业研究开发的零部件，于是系统化、模块化的零部件开发改变了整车 企业和零部件供应商的关系。在开发新车型时，整车企业越来越依赖零部件供应 商的参与，零部件供应商开始分担整车企业更多的新技术和新产品研究开发工 作，使其在汽车工业发展中发挥其更重要的工作。系统化、模块化的采用，将改 变现有生产模式，使整车企业演变为单纯的装配厂，自身仅负责车身、动力系统 等几个总成的开发和生产，由零部件供应商提供功能模块。德尔福汽车系统在 1 9 9 9 和2 0 0 0 年底特律s a e 年会暨展览会上展示的系统化集成模块( 驾驶员座舱 模块、制动模块、车门模块、前端模块、集成空气燃油模块) 就是这种趋势的体 现 2 5 】。 德国库卡是世界几家顶极为自动化生产行业提供柔性生产系统，机器人，夹 具，模具及备件的供应商之一。库卡的技术几乎遍及所有的汽车生产厂家，也是 欧洲，北美洲，南美洲及亚洲的主要汽车配件及综合市场的主要供应商。同时库 卡公司宣布它正在寻找从传统机械或物理自动化包装以及货盘装运到包装设备 和自动化包装系统的更加灵活，低成本机器人方案传输，创建一家唯一的、免费 基于网络帮助和信息中心。库卡公司自从2 0 0 0 年正式进入中国自动化领域，已 经有了相当不错的业绩，并慢慢把它的技术和优势渗透到该领域。( 图1 1 ) c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第一章绪论 图1 1 库卡技术在自动化行业中 我国目前形成一定的汽车制造体系，并也有许多大型的整车企业，如大众、 通用、长春、重庆长安等等。但是许多还是主要依靠国外技术，并没有完全的自 主开发成果。如图1 2 所示的就是b m w 汽车生产线和上海大众的汽车生产线， 其中在自动化程度较高的环节如车身焊接，国内主要还是沿用国外的生产技术， 很大程度上制约着我国国内汽车制造行业的发展。 a l 发动机生产线a 2 车身焊接线 a 3 总拼流水线a 4 总装流水线 ab m w 汽车生产线 b l 底盘焊接b 2 车身焊接b 3 总装流水线b 4 内饰总装流水 b 上海大众汽车生产线 图i 2 国内外汽车生产线 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第一章绪论 1 3 设计内容和要求 课题来源于重庆长安汽车公司的c v 9 汽车车体焊接生产线的实际项目，因 此设计的内容和要求必须符合项目设计的生产要求。c v 9 焊接生产线按年产量5 万台进行设计，整个焊接生产线的主要内容有：发动机仓边梁总成生产线、前壁 板总成生产线、前地板总成生产线、后地板总成生产线、下车体总成生产线、左 右侧围总成生产线、车体生产线、项盖生产线、左右前门生产线、左右中门生 产线、前罩、背门生产线、白车调整线。 在该项目里面，课题主要研究和设计的是整个系统中最关键、焊接工艺最复 杂的部分：车体生产流水线的控制系统。实际情况下，根据总体的工艺需要和现 场规划，建立基于现场总线的控制体系。由于前期项目成本限制，在进行车体装 配焊接的时候，主要由人工进行，同时在各个需求的工位预置以后改建的机器人 接口，方便系统扩展。因此在控制系统设计的时候要给人工干预提供可能，而且 还必须配有人性化的操作界面。车体装配要求的不仅是自动化程度，更需要的是 高焊接定位精度和方便的控制操作。整个控制系统是c v 9 生产线的一个子系统， 所以设计系统的时候，与此相关的控制系统必须给予通讯和网络的支持，包括上 位工厂级的监控网络接口，左右生产线的网络接口。 除了上述必须满足的总体设计要求外，本课题设计的具体要求还包括如下： 基于现场总线的控制系统 提供不同控制网络接口 自动控制中的人工干预 人性化控制界面 生产线的安全保证 实时报警处理和显示 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 第二章现场总线和西门子p l c 近年来，计算机控制已被迅速地推广和普及，相当多的企业已经在大量地使 用各式各样的可编程设备，例如工业控制计算机、p l c 、变频器、机器人、数控 机床、柔性制造系统等i l 】【”。有的企业己实现了全车间或全厂的集成自动化，即 将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通 讯，实现分散控制和集中管理。因此通信与网络已经成为控制系统不可缺少的组 成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。 2 1 现场总线及其发展状况 i e c ( 国际电工委员会) 对现场总线( f i e l d b u s ) 的定义是“安装在制造和过 程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的 数据总线称为现场总线” 8 1 。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开 放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替o 1 0 m a 或4 2 0 m a 现场电动 仪表信号。现场总线i o 集检验、数据处理、通信为一体，可以代替许多模拟仪 表，可以直接安装在现场导轨槽里。因此，现场总线是将自动化中底层的现场控 制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络。它遵循i s 0 的0 s i 开放系统 互连参考模型的全部或部分通讯协议。现场总线控制系统( f c s ) 则是用开放的 现场总线控制通讯网络将自动化底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的 实时网络控制系统。 利用现场总线构建的现场总线控制系统主要有以下特点： 1 ) 开放性和可互操作性。开放性意味f c s 将打破d c s ( 集散式控制系统) 大 型厂家的垄断，给中小企业发展带来平等竞争的机遇。可互操作性实现控制 产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多选择余地； 2 ) 彻底的分散性。彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统 很容易进行重组和扩建，且易于维护； 3 1 低成本。衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系 统从安装调试到运行维护整个生命周期内的总投入。相对d c s 而言，f c s 开放的体系结构和0 e m 技术将大大缩短开发周期、降低开发成本。且彻底 分散的分布式结构将一对一模拟信号传输方式变为一对n 的数字信号传输 方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 和d a 转换装置、布线安装 成本和维护费用。因此从总体上来看，f c s 的成本大大低于d c s 的成本。 可以说，开放性、分散化和低成本是现场总线最显著的三大特征，它的出现 将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历史 上任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 由于历史的原因，现在有多种现场总线标准并存，i e c 的现场总线国际标准 ( i e c6 1 1 5 8 ) 是迄今为止制订时间最长、意见分歧最大的国际标准之一。它的 制订时间超过了1 2 年，先后进过9 次投票，在1 9 9 9 年底通过。经过多方的争执 和妥协，最后容纳了8 种互不兼容的协议，这8 种协议在i e c6 1 1 5 8 中分别为8 种现场总线类型： 类型1 ：原m c6 1 1 5 8 技术报告，即现场总线基金会( f f ) 的h l ； 类型2 ：c o n t r o ln e t ( 美国r o c k w e l l 公司支持) ； 类型3 ：p r o f b u s ( 德国西门子公司支持) ； 类型4 ：p n e t ( 丹麦p r o c e s sd a t a 公司支持) ； 类型5 ：f f 的h s e ( 高速以太网，美国f i s h e r r o s e m o u n t 公司支持) ； 类型6 ：s w i f t n e t ( 美国波音公司支持) ； 类型7 ：w o r l d f i p ( 法国a l s t o m 公司支持) ； 类型8 ：i n t e r b u s ( 德国p h o e n i xc o n t a c t 公司支持) 。 由于类型的多样和制订标准的时间长，同时现场总线发展迅速，因此目前已 经开发出了4 0 多种的现场总线。其中最有影响力的有5 种：f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、 c a n 和l o n w o r k s 。下面分别介绍这5 种总线【1 4 】： 1 、f ff o u n d a t i o nf i e l d b u s ( 现场基金会总线) 现场基金会总线由美国仪器协会0 s 舢1 9 9 4 年推出，代表公司有h o n e y w e l l 和f i s h e r - r o s e m o u n t ，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。f f 的 特色是其通讯协议在i s 0 的0 s i 物理层、数据链路层和应用层3 层之上附加了用 户层，通过对象字典o d ( o b j e c td i c t i o n a r y ) 和设备描述语言d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 实现可互操作性。目前基于f f 的现场总线产品有：美国 s m a r t 公司生产的压力温度变送器，h o n e y w e l l r o c k w e l l 推出的p r o e e s s l o g i x 系统，f i s h e r - r o s e m o u n t 推出的p 1 a n t w e h 。 2 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) p r o f i b u s 是符合德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 9 的现场总 线，由德国s i e m e n s 公司于1 9 8 8 年推出，包括p r o f i b u s d p 、p r o f b u s f m s 、 p r o f b u s p a 3 部分。它也只采用了0 s i 模型的物理层、数据链路层、应用层。 p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式和多主多从通信方式。主站对总线具有控制 权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站 发送、获取信息。p r o f i b u s d p 用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工 自动化领域。p r o f i b u s f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低 压开关等。而p r o f b u s p a 型则是用于过程自动化的总线类型。由于该现场总 线推出时间比较早，技术己进入成熟期，现已广泛应用于工业控制系统。目前大 部分公司均有基于该总线的产品。 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 3 、h a r t ( 可寻址远程传感器数据通路) 可寻址远程传感器数据通路由美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用 于智能变送器。h a r t 为一过渡性标准，它通过在4 2 0 m a 电源信号线上叠加 不同频率的正弦波( 2 2 0 0 h z 表0 ，1 2 0 0 h z 表“1 ”) 来传送数字信号，从而保证 了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为2 0 年。 4 、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 控制局域网络) c a n 由德国b o s c h 公司1 9 9 3 年推出，应用于汽车监控、开关量控制和制造 业等。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络， 且开发工具廉价。m o t o r a l a 、i n t e l 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片和带有c a n 接口的8 0 c 5 1 芯片。c a n 型总线产品有a b 公司的d e v i c e n e t 、台湾研华的a d a m 数据采集产品等。 5 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出，主要应用于楼宇自动化、工业 自动化和电力行业等。l o n w o r k s 的全部7 层协议，介质访问方式为p p c s m a ( 预 测p 一坚持载波监听多路复用) ，采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证了 通讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。基于 l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公司的f l e x n e t 和f l e x l i n k 等。 总之，当前各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域、 l o n w o r k s 和c a n 网络具有一定的优势；在工业过程自动化领域，主要有过渡型 的h a r t 协议、得到广泛支持的f f 现场总线协议和p r o f i b u s 协议。考虑到统 一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统d c s 的退出将是一 个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异 构网络互连通讯的局面。在以后使用过程中会逐步地呈现出某些占市场主导的协 议，并发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统。 2 2p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是目前最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。它是开放式 的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。p r o f i b u s 已经成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准p re n 5 0 1 7 0 。为数众多的生产厂 家提供了优质的p r o f i b u s 产品，用户可以自由选择最合适的产品。可以说 p r o f i b u s 是成熟的技术、它已经用在加工工业、过程自动化及其它自动控制场 合。p r o f i b u s 独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支 持和不断发展的应用行规，已经成为现场通信网络的最优解决方案，其网络节点 数已经突破1 0 0 0 万个，在现场总线领域中遥遥领先。 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 2 2 1p r o f i b u s 组成 p r o f i b u s 由3 部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，分 布式外围设备) 、p r o f b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化) 和 p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，现场总线报文规范) 。 l 、p r o f i b u s f m s p r o f i b u s f m s 定义了主站与主站之间的通信模型，它使用o s i 的7 层模 型的第1 层、第2 层和第7 层。应用层( 第7 层) 包括现场总线报文规范f m s 和低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。 f m s 包含应用层协议，并向用户提供功能很强的通信服务。l l i 协调不同的 通信关系，并提供不依赖于设备的第2 层访问接口。第2 层( 总线数据链路层) 提供总线存取控制和保证数据的可靠性。 f m s 主要用于系统级和车间级的不同供应商的自动化系统之间传输数据， 处理单元级( p l c 和p c ) 的多主站数据通信，为解决复杂的通信任务提供很大 的灵活性。 2 、p r o f 【b u s d p p r o f i b u s d p 用于自动化系统中单元级控制设备与分布式i o 的通信，可 以取代4 2 0 m a 模拟信号传输。 p r o f i b u s d p 使用第1 层、第2 层和用户接口层，第3 7 层未使用，这 种精简的结构确保了高速数据传输。直接数据链路映像程序d d l m 提供对第2 层的访问。用户接口规定了设备的应用功能、p r o f i b u s 系统和设备的行为特性。 p r o f i b u s d p 特别适用于p l c 主站与现场级分布式i o 设备之间地通信。主站 之间通信方式为令牌方式，主站与从站之间为主从方式，以及这两种方式的混合。 3 、p r o f i b u s - p a p r o f i b u s p a 用于过程自动化的现场传感器和执行器的低速数据传输，使 用扩展的p r o f i b u s d p 协议，此外还描述了现场设备行为的p a 行规。由于传 输技术采用i e c1 1 5 8 2 标准，确保了本质安全和通过总线对现场设备供电，可 以用于防爆区域的传感器和执行器与中央控制系统的通信。使用分段式耦合器可 以将p r o f i b u s p a 设备很方便地集成到p r o f i b u s d p 网络中。 p r o f i b u s p a 使用屏蔽双绞线电缆完成远程供电和数据传送。 p r o f u s p a 根据潜在的爆炸危险区，划分为“本证安全”和“非本证安全” 功能。在危险区域每一个d p p a 链路可以连接1 5 个现场设备，在非危险区域每 一个d p p a 链路可以连接3 1 个现场设备。 此外基于p r o f m u s ，还推出了用于运动控制的总线驱动技术p r o f i d r i v e 和故障安全通信技术p r o f i 。s a f e 。 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 2 2 2p r o f i b u s 通信协议 p r o f i b u s 协议结构是根据i s 0 7 4 9 8 国际准，以开放式系统互联网络( s 1 0 1 作为参考模型的。该模型共有七层，如下图2 1 所示： 应用层 表示层 会话层 信递层 网络层 数据链路层 物理层 用户层 3 n 5 2 淄j 哗 f m s i i d p 行规| ip 行规 设备行规 i ! ! 星塾墼l d p 基本功能 鲁线信息规划 未使用 现场总线数据链路 i e c 接口 r s - 4 s s 光纤i e c1 1 5 8 2 图2 1p r o f i b u s 协议结构 在p r o f i b u s 中，第2 层称为现场总线数据链路层( f d l ，f i e l d b u sd a t a l i n k ) 。介质存取控制m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序， m a c 必须确保在任何一个时刻只有一个站点发送数据。 p r o f i b u s 协议的设计满足介质控制的两个基本要求1 8 】： ( 1 ) 在复杂的自动化控制系统( 主站) 间的通信，必须保证在确切限定的时间 间隔中，任何一个站点有足够的时间来完成通信任务。 ( 2 ) 在复杂的p l c 或p c 和简单的i o 外围设备( 从站) 间的通信，应尽可能 简单快速地完成数据的实时传输，通信协议增加的数据传输时问尽量少。 p r o f i b u s 采用混合的总线存取控制机制来实现上述目标。它包括主站之间 的令牌( t o k e n ) 传递方式和主站与从站之间的主从方式。令牌实际上是一条特 殊的报文，它在所有的主站上循环一周的时间是事先规定的。主站之间构成令牌 逻辑环，令牌传递仅在各主站之间进行。令牌按令牌环中各主站地址的升序在各 主站之间依次传递。 当某主站得到令牌报文后，该主站可以在一定时间内执行主站工作。在这段 时间内，它可以依照主一从通信关系表与所有从站通信，也可以依照主一主通信 关系表与所有主站通信。令牌传递程序保证每一个主站在一个确切规定的时问内 得到总线存取权1 2 2 j 。 在总线初始化和起动阶段，主站介质存取控制m a c 通过辨认主动节点( 主 站) 来建立令牌环，首先自动地判定总线上所有主动节点的地址，并将它们的节 点地址记录在主站表中。在总线运行期间，从令牌环中去掉有故障的主动节点， 将新上电的主动节点加入到令牌环中。 令牌经过所有主动节点轮转一次所需的时间称为令牌轮转时间。用可调整的 令牌时间t t r ( 目标令牌时间) 来规定令牌轮转一次允许的最大时间。p r o f i b u s 在第2 层按照非连接的模式操作，除提供点对点逻辑数据传输外，还提供多点通 丁6 5 4 3 2 1 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c 信，其中包括广播及选择广播功能。 2 2 3p r o f i b u s 报文格式 p r o f i b u s 采用的报文格式如图2 2 所示，所有报文均具有海明距离h d = 4 ， 即在数据报文中，可以检查出最多3 个同时出错的位。这一要求是通过使用国际 标准i e c8 7 0 5 1 的规定、选择特殊的报文起始和终止标识符、使用无间隙同步 以及使用奇偶校验位和控制字来实现的。可以检查出下列类型的错误：字符格式 出错( 奇偶校验、溢出、帧出错) 、协议出错、起始和终止定界符出错、帧校验 字节出错和报文长度出错。 出错的报文至少被自动重发一次，在第2 层中，重发次数最多可设为8 次。 除点对点的数据传输外，第2 层还允许进行广播和群广播通信的多点传输。 令牌报文 f d l 状态请求报文 数据报文 图2 2p r o f i b u s 的报文 表2 1 报文中符号的意义 符号 意义 d a 接收报文的目的站地址字节( d e s t i n a t i o n a d d r e s s ) d u 包含报文有用信息的数据单元( d a t au n i t ) d s a p 目的服务存取点( d e s t i n a t i o ns e r v i c ea c c e s sp o i n t ) e d 结束分界符字节( e n dd e l i m i t e r ) f c功能码字节( f u n c t i o nc o d e ) f c s 帧校验序列字节( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) l e 报文长度字节( l e n g t h ) l e r 重复长度字节( r e p e a t e dl e n g t h ) s a 发送报文的源站地址字节( s o u r c e a d d r e s s ) s d l s d 4 起始分界符，用于区分不同的报文格式 s s a p 源服务存取点( s o u r c es e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 对于p r o f i b u s f m s 来说，这些服务存取点被用来编址逻辑通信关系。在 c v 9 汽车车体焊接生产线控制系统设计第二章现场总线和p l c p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s d p 中，每一个服务存取点分配一个确定的功能。 所有主站和从站允许同时使用若干个服务存取点( s s a p 和d s a p ) 。 2 2 4p r o f i b u s 传输技术 p r o f i b u s 提供了三种数据传输类型： 用于d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输。 用于p a 的i e c l l 5 8 2 传输。 光纤 由于d p 与f m s 系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而， 这两套系统可在同一根电缆上同时操作。r s 一4 8 5 传输是p r o f i b u s 最常用的一 种传输技术。这种技术通常称之为h 2 。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。 r s 一4 8 5 传输技术基本特征： 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。 传输速率：9 6 kb i t s l2 mb i “s 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。 站点数：每分段3 2 个站( 不带中继) ，可多到1 2 7 个站( 带中继) 。 电缆最大长度取决于传输速率。如使用a 型电缆，则传输速率与长度如表2 2 。 表2 2 电缆长度与传输速率关系 1 波特率( k b i f f s ) 09 61 9 2 1 19 3 7 5 1 1 1 8 7 5 | | 5 0 0 | | 1 5 0 0 i i 1 2 0 0 0 | | 距离段( m )| | 1 2 0 0 | | 1 2 0 0 1 2 0 0lll o o o | | 4 0 0 | | 2 0 00 1 0 0 2 3 西门子p l c 及工业通讯网络 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c ，因早期主要用于开关 量的逻辑控制，因此也成为p l c ( p r o g r a m m a b l el o 西cc o n t r o l l e r ) ，即可编程逻 辑控制器。现代的可编程控制器是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业 控制装置，是计算机技术与工业控制技术相结合的产品。 国际电工委员会( m c ) 曾于1 9 8 2 年1 1 月颁布了可编程控制器标准草案第一 稿，1 9 8 5 年1 月又发表了第二稿，1 9 8 7 年2 月颁布了第三稿。该草案中对可编 程控制器的定义