（轮机工程专业论文）基于现场总线的生产信息集成化研究.pdf

i 摘 要 传统的erp企业资源规划pdm生产数据管理缺乏对生产过程信息的 有效管理本论文将现场总线纳入生产信息管理系统实现了对生产过程数据的完 全集成对促进生产企业向着网络化数字化智能化的方向发展具有重要意义和 广阔应用前景 本论文首先针对目前生产现场和数据集成设计了基于现场总线的生产信息集 成化系统完成了以下研究工作 (1) 底层与上层网络之间的编程与组态 (2) plc的编程与组态 (3) 现场总线人机界面的编程与组态 (4) 工单数据库设计 (5) 全局统一的产品数据库设计 (6) 全局统一的检测数据库设计 (7) 生产管理界面设计 然后结合某军工企业现代生产管理智能化集成化的要求根据上述研究成 果开发了一个实际工程项目并获得成功应用 在完成上述工作的基础上针对现场总线这一关键技术本论文力图研制一种 具有自主知识产权适合生产信息集成的现场总线产品完成了 (1) 通信协议的物理层数据链路层技术方案和算法的制定 (2) 从站接口软硬件的设计研制和调试 关键字生产信息集成化 现场总线 数据采集 ii abstract the traditional erp( enterprise resource plan) and pdm(product data management) lack of efficient management of manufacture process information, this paper brings fieldbus into manufacture information management system, implements integration of manufacture process information,which is quite significant to promote manufacture enterprise in the direction of network,digital,intelligence, and has a wide application prospect. firstly,this paper has designed a manufacture information integration system based on fieldbus technology,and has done the following research: (1) programming and configuration between bottom and top level network; (2) programming and configuration of programmable logical controller; (3) programming and configuration of human machine interface; (4) design of manufacture plan databse; (5) design of product databse; (6) design of measure information databse; (7) design of the interface of manufacture management. then, according to the demand of management intelligence and information integration of a manufacture enterprise,referring to the above research achievement, this paper has designed a practical project,which has been successfully applied. after having finished the above project, to the key tenology fielbus, this pater tries to develope .a fieldbus product suitable for our country, it has accomplished these jobs: (1) establishment of technologic scheme and arithmetic of the communication protocol; (2) design,development and debug of slave station interface. keywordsmanufacture information integration,fieldbus,data acquisition 1 1 前 言 1.1 问题的提出 随着计算机信息技术的飞速发展20 世纪末世界最重大的变化是全球市场的 逐渐形成从而导致竞争空前加剧产品技术含量高更新换代快处于全球市场 之中的工业生产必须加快新产品的开发按市场需求调整产品的上市时间改善质 量降低成本并不断完善售前售后服务才能在激烈的竞争之中立于不败之地 这就需要采用系统集成信息集成的观点来组织工业生产 然而目前国内处于生产过程底层的测控自动化系统大部分都是采用一对一连 线用电压电流的模拟信号进行测量控制或采用自封闭式的集散系统难以实 现设备之间以及系统与外界之间的信息交换使自动化系统成为信息孤岛此 外作为上层信息化的 erp(enterprise resource plan)系统的生产管理模块不能反映 与生产过程紧密相关的信息比如装配工艺工艺参数和产品追溯等并且 erp 系统数据库的生产数据大部分是通过手工录入其工作效率低不能反映实时的生 产过程这些使得底层和上层的信息化完全脱节这就迫切需要我们利用现有的技 术 研究出一套生产信息集成化系统 实现 (1) 底层自动化系统信息网络化 (2) 上 层和底层信息交换(3) 上层系统对生产过程进行管理 现场总线为我们实现生产信息集成化提供了一个可行的解决方案通过现场总 线实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信形成工厂底层网络系统实现底 层现场设备之间信息交换使底层自动化系统网络化同时使生产现场与外界进行 信息交换实现了系统的(1)和(2)目标如图 1.1 所示另一面上层的 erp 的生 产管理模块应该把生产计划制造过程企业管理产品追溯看作要统一考虑的生 产过程以改善生产加工管理决策等将与生产过程紧密相关的几大模块生产 工单产品工艺产品查询和基础数据集成到 erp 系统中实现系统的(3)目标 2 图 1.1 生产信息集成化系统结构 1.2 现场总线技术 现场总线是上世纪90年代初国际上发展形成的用于过程自动化制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络它作为工厂数字通信网络的基础 沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系它不仅是 一个基层网络而且还是一种开放式新型全分布控制系统这项以智能传感控 制计算机数字通信为主要内容的综合技术已受到世界范围的关注而成为自动 化技术发展的热点并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革就现场总线一词 的含义而言现场是指工作环境处于过程设备底层一端而总线则意味着须遵循同 一技术规范的连线系统意味着这些遵守同一规范的各设备间可实现互连与互操作 作为工厂设备级基础通信网络要求具有协议简单容错能力强安全性好和成本 低的特点具有一定的时间确定性和较高的实时性要求还具有网络负载稳定多 3 为短帧传送信息交换频繁等特点因而现场总线系统从网络结构到通信技术 都具有不同于上层高速数据通信网的特色1-3 现场总线的特点主要表现在以下几个方面4 (1) 系统的开放性 开放系统是指通信协议公开各不同厂家设备之间可进行互连并实现信息交换 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统这里的开放是 指对相关标准的一致性公开性强调对标准的共识与遵守一个开放系统它可 以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连一个具有总线功能的网络必须是 开放的用户可按自己的需要和考虑把来自不同供应商的设备组成合适的系统 (2) 互可操作性与互用性 互可操作性是指互连设备间系统间的信息传送与沟通可实行点对点一点 对多点的数字通信而互用性是指功能类似的不同生产厂家的设备可进行互换互用 (3) 现场设备的智能化与功能自治性 现场设备将传感测量补偿计算工程量处理与控制等功能集于一体仅现场 设备就可完成自动控制的基本功能并可实时反馈设备的诊断信息 (4) 系统结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能这使得现场总线已构成一种新 的全分布式控制系统的体系结构从根本上改变了现集中与分散相结合的集散控制 系统体系简化了系统结构提高了可靠性 (5) 对现场环境的适应性 作为工厂网络底层的现场总线是专为现场环境工作而设计的它可支持双绞 线同轴电缆光缆射频红外线电力线等具有较强的抗干扰能力能采用 两线制实现送电与通信并可满足本质安全防爆要求等 1.2.1 现场总线的构成 1. 现场总线的体系结构 (1) 最底层低速现场总线连接成的 intranet 控制网络 用于连接各种智能现场 4 设备如变送器调节阀等各控制器接点下放到现场构成一种彻底的分布式控制 系统 (2) 中层高速现场总线连接控制器数据集中器远程 i/o 及智能 i/o 设备 形成企业内部网 intranet它可提供文件共享打印共享电子邮件目录查询以及 企业网络管理功能可连接到 internet 上 (3) 最上层即决策支持层采用高速以太网连接各种控制器与站级计算机 与 internet 相连 2. 现场总线的组成 (1) 现场总线设备 可分为总线供电和单独供电现场设备主要包括智能现场仪表和控制器这些 现场设备不仅有信号变换功能而且还有组态运算及控制功能 (2) 现场总线线路 终端器电缆现场总线网卡中继器总线电源网桥网关端子块耦 合器网关等 (3) 通信协议软件 (4) 监控组态计算机 3. 现场总线的网络结构 现场总线是集控制计算机通讯技术的结果计算机与通讯的结合产生了 计算机网络计算机网络与控制设备的结合孕育了现场总线控制系统网络技术是 现场总线控制系统的重要基础 现场总线的网络拓扑结构有环型总线型树型以及几种类型的混合 环型拓扑结构中以令牌环网最为典型 其优点是延时性较好 缺点是成本较高 总线网的优点是站点接入方便可扩性较好成本较低在轻负载的网络基本 上没有时延但在站点多通讯任务重时延时明显加大缺点是时延的不确定性 对某些实时不利 树型网是总线网的一种变型其优点是可扩性好有较宽的频带缺点是站点 间通讯不方便 5 总线网的争用使它不适用于实时处理某些突发事件令牌环网中的令牌绕环一 周的时间虽然有一个上限但在轻负载时性能不太好可靠性比总线网差综合这 两种网的优点在现场总线中采用了令牌总线网即在物理上是一个总线网在逻 辑上是一个令牌网令牌总线网具有总线网接人方便可靠性较好的优点也具有 令牌环网无冲突和时延性好的优点 4. 网络扩展与网络互连 网络互连既是扩展现场总线地域规模功能的需要也是异构网互连的需要 网络扩展与网络互连的中间设备(或中间系统)在iso的术语中称为中继系统根据网 络层次的不同中继系统分为4种 物理层中继系统即中继器 数据链路层中继系统即网桥或桥接器 网络层中继系统即路由器 网络层以上中继系统即网关 高层的中继系统比低层中继系统复杂如网关在连接两个异构网时不但要 建立网络间数据传送的通道而且还需要进行协议的转换是最复杂的一种中继设 备 (1) 网络扩展 物理层的中继器和数据链路层的网桥常用于网络扩展中继器用于放大物理信 号而网桥可将物理层不同的网段互连并且网段间的故障互不影响还可减少网 段间的数据流量减轻网络的负荷中继器和网桥在现场总线中已获得广泛的应用 (2) 网络互连 实现异构网络互连是在更高层次实现的开放系统网络互连要解决物理互连和 逻辑互联(即互连软件)两个问题网关和路由器是网络互连的重要部件它们起着网 间数据传送通道的作用还可实现不同通信协议之间的协议转换对网络节点进行 统一编址网络子网内部要高度自治以减少网络间的数据流量同时可简化网关 结构和降低互连协议的复杂性 6 1.2.2 现场总线的通信模型 随着计算机应用日益普及越来越多的用户要求将多个厂家的计算机系统进行 联网为解决异种计算机互连运行的难题人们迫切要求建立一系列的国际标准 1978年iso建立了一个新的开放系统互连技术委员分会起草了开放系统互 连基本参考模型1983年成为iso7498正式国际标准到1986年又对该标准进行了 补充完善形成了为异种计算机互连所提供的一个共同的标准规范这就是iso/osi 国际标准组织的开放系统互连模型网络协议是保证现场总线中各节点通过网络互 相通讯的一套规则和约定网络协议具有层次结构其优点是各层次独立灵活 易于实现和维护易于标准化 osi按通信功能分为七个层次从连接物理媒介的底层开始分别赋予1至7的顺 序编号其13层完成通信传送功能47层完成通讯处理功能 结合现场总线的特点和 osi 模型 我们将现场总线标准化的内容划分为三个基 本要素底层协议上层协议和行规(如图 1.2) 图 1.2 现场总线标准化模型 底层协议指 osi 模型的第一二层上层协议指 osi 模型的第三七层这两 项要素用于完成信息的传递称为通信协议(protocol)行规(profile)是在 osi 模型 之上另加的用于完成对信息的解释和使用是实现可互操作性的关键 根据这些基本要素可将现场总线标准分为四种类型 第一种是只有底层协议的总线标准它适合于简单的位总线(bitbus 或 7 sensor-bus)由于它受的约束较少因此适用面较宽但它并不保证符合标准的产 品之间一定能通信若要保证通信还要补充一些附加规定典型总线是 can 第二种是有底层和上层协议的总线标准这种类型的总线标准最多实际上大 多数总线在上层协议中只用了第七层虽然这种总线的适用范围比第一种总线窄一 些但它更容易保证设备之间的通信 第三种是具有全部三项要素底层上层协议和行规的总线标准这种总线的 应用对象往往很明确具有较好的可互操作性 第四种只有行规这种标准的制定者认为行规与协议是可以分开制定的一种 行规可以被几种不同的通信协议使用 国际电工委员会 iec tc65 / sc65cc/ wg6 现场总线工作组认真考虑用户的 要求建立了全新的 iec61158 现场总线通信协议模型该模型在 osi 七层模型的 基础上增加了面向用户的第 8 层用户层5现场总线协议模型如图 1.3 所示 图 1.3 现场总线协议模型 从图1.3 中看出现场总线模型由物理层数据链路层应用层和用户层组成 1. 物理层 物理层描述了机械电气功能和规程特性以便在数据链路实体之间建立 维护和拆除物理连接提供透明的位流传输并规定了通信信号的大小和波形 物理层定义了所用传输介质的类型和传送速度 现场总线的传输介质有双绞线同轴电缆光纤和无线传输用现有的模拟 电缆可构成低速星形拓扑对于新的电缆可构成高速多引线和光纤拓扑h1 低速 总线能够传送供电电源误码率为工作 20 年差错不大于 1 2. 数据链路层 数据链路层分为介质存取控制子层 mac 和逻辑链路控制子层 llcmac 8 子层主要实现对共享总线传输介质的交通管理并检测传输线路的异常情况 llc 子层是在节点间用来对帧的发送接收信号进行控制同时检验传输差错现 场总线的实时通信主要由数据链路层提供所谓实时就是提供一个时间窗在 该时间窗内需要完成具有某个指定级别确定度的一个或多个动作为了满足实时 性要求iec61158.3 和 iec61158.4 数据链路层标准中采用了不同于 it 的全新的数 据链路层服务定义和数据链路层规范iec 现场总线介质存取机制将令牌传送的灵 活性和调运存取的实时性相结合总线存取的控制可以按照用户的需要实现集中或 分散方式数据传输有很高的确定性和优先级网络的时间同步小于 1ms数据链 路层还可以为实体间数据交换提供连接服务和无连接服务 3. 应用层 应用层直接为用户提供适用于应用应用管理和系统管理的分布式信息服务 主要组成部分包括应用进程应用进程对象应用实体和应用服务元素等现场 总线访问子层提供发布者/接收者客户/服务器和报告分发三种服务现场总线报 文子层则提供对象字典服务变量访问服务和事件服务 4. 用户层 现场总线用户层具有标准功能块和设备描述功能为了实现过程自动化现场 设备使用功能块来完成控制策略 iec 专门成立了一个工作组 iecsc65c/wg7 负责 制定标准功能块共有 aiaodido 和 pid 等 32 个现场总线一个很重要的 功能是设备的可互操作性允许用户将不同厂家提供的现场设备连接在同一根现场 总线上为了实现可互操作每个现场总线设备都有设备描述功能设备描述可以 认为是设备的一个驱动它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤由于 设备描述包括通信所需的所有信息所以可以使现场设备实现真正的互操作性 上述可见现场总线标准是充分考虑工业自动化系统特点融进了近十年计算 机网络发展的最新技术并为今后长远发展创造了条件具有不同于it技术崭新 框架的通信协议标准这个标准广泛地适用于工厂自动化过程自动化和楼宇自动 化 9 1.2.3 现场总线的发展与未来 1. 现场总线的发展现状 现场总线发展迅速现处于群雄并起百家争鸣的阶段目前已开发出有 40 多种现场总线如 interbusbitbusdevicenetmodbusp-netfipisp 等较 流行的有 5 种分别是 ffprofibuslonworkscan 和 hart6-9 (1) 基金会现场总线foundation fieldbusff 在现场总线标准的研究制订过程中出现过多种企业集团或组织通过不断的 竞争到 1994 年在国际上基本上形成了两大阵营一个以 fisher-rosemount 公司 为首联合 foxboro横河abb西门子等 80 家公司制订的 isp 协议另一个以 honeywell 公司为首联合欧洲 150 家公司制订的 world fip 协议这两大集团于 1994 年合并成立现场总线基金会fieldbus foundationff致力于开发国际上 统一的现场总线协议ff 的体系结构参照 iso/osi 模型的第 127 层协议即物 理层 数据链路层和应用层 另外增加了用户层 ff 提供两种物理标准 h1 或 h2 h1 为用于过程控制的低速总线 速率为 31.25kbps 传输距离为 200m 400m 1200m 和1900m四种 h2的传输速率可为1mbps和2.5mbps两种 其通信距离分别为750m 和 500m物理传输介质可支持双绞线同轴电缆和光纤协议符合 iec1158-2 标 准 (2) profibus 现场总线 它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准该项技术是由西门子 公司为主的十几家德国公司研究所共同推出的它采用 osi 模型的物理层数据 链路层分散化的外围设备dp型隐去了第 3 层至第 7 层而增加了直接数据连 接拟合作为用户接口现场总线信息规范fms型则只隐去第三至第六层采用 了应用层过程自动化pa型的标准目前还处于制定过程之中其最大传输速率 为 12mbps传输距离为 100m 和 400m传输介质可以是双绞线也可以是光缆 最多可挂接 127 个站点 (3) lonworklocal operating network局部操作网现场总线 10 它是由美国 echelon 公司于 1990 年正式推出的它采用 iso/osi 模型的全部 7 层协议采用了面向对象的设计方法通过网络变量把网络通信设计简化为参数设 置其最大传输速率为 1.5mbps传输距离为 2700m传输介质可以是双绞线光 缆射频红外线和电力线等采用的 lontalk 协议被封装在 neuron 芯片中内含 三个 8 位微处理器一个负责介质访问控制一个负责网络处理一个负责应用处 理 (4) 控制局域网control area networkcan总线 最早由德国 bosch 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 can 结构模型取 iso/osi 模型的第 127 层协议即物理层数据链路层和应用 层通信速率最高可达 1mbps通信距离最远可达 10000m物理传输介质可支持 双绞线最多可挂接设备 110 个can 在我国的应用较早我国华控技术公司基于 can 协议开发了 sds 智能分布式系统和利时公司开发的 hs2000 系统的内部网 络就是应用 can (5) harthighway addressable remote tranducer 可寻址远程传感器数据通 路 美国 rosemount 公司 1989 年推出主要应用于智能变送器hart 为一过渡 性标准它通过在 4-20ma 电源信号线上叠加不同频率的正弦波 2200hz 表0 1200hz 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 其数字通信由于采用调制/解调方式 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产 品因而在当前的过渡时期具有较强的竞争力得到了较快的发展预计其生命周 期为最近 20 年 2. 现场总线的未来 (1) 多种总线并存 现场总线将成为工业控制发展的革命性飞跃近年来有关现场总线的报道层 出不穷面对如此之多的现场总线用户如何选择为解决这个问题国际电工委 员会 iec 在 1984 年就开始筹备制定单一现场总线国际标准然而由于行业与地 域发展等历史原因加上各公司和企业集团受自身利益的驱使围绕着现场总线技 术的标准进行了一场大战 最后经过多方妥协 于 1999 年底通过了包含 ff profibus 11 等八种总线在内的 iec61158没有实现制定单一标准的目标这个结局表明在今 后相当长一段时间内多种现场总线将并存控制网络的系统集成与信息集成会面临 困难的复杂局面10 (2) 组态更加灵活功能更加丰富和网络通信更加可靠 现场总线采用全数字串行通信方式支持点对点多点主从等工作方式实 现了 a/dd/a 转换滤波热电偶热电阻检测变换工程单位转换及基本处理和 运算等功能 (3) 现场总线应具有高速的上层网络接口 现场总线技术的出现为过程控制的实现带来了许多便利现场总线技术使得 控制功能不断分散在这个概念上与少数需要进行模型运算的对象有所矛盾在控 制功能的配置上需要进行一些取舍要么分解模型要么将现场总线设备的控制功 能放弃只将其作为数据采集设备使用随着高速以太网hse技术的推出模 型的运算将融入上层网络使得工业控制技术更加完善11 12 2 生产信息集成化系统设计 针对生产信息集成化 前一章论述了现场总线技术和发展 本章利用现场总线 设计了一个生产信息集成化系统重点论述了系统的网络结构及功能 2.1 网络体系结构 该生产信息集成化系统采用现场总线技术实现底层自动化设备间和底层网络与 上层系统间的互连1213同时采用基于 tcp/ip 协议的以太网实现上层系统和企业 内部网之间的互连整个网络的体系结构如图 2.1 所示 图 2.1 系统网络体系结构图 各个组成部分功能如下 服务器运行数据库管理系统监控采集软件采用 raid5 磁盘阵列技术为 数据的安全性提供保障 工控机运行生产管理软件在生产现场监控和指挥生产 plc作为主站将底层自动化系统网络化并完成相应的自动化控制和数据采 集功能 ups防止生产过程中的异常断电对服务器和数据造成的损坏 企业网 pid 控制 模块 2# 人机 界面 1# 人机 界面 i/o 模块 n# 人机 界面 a/d 模块 d/a 模块 通讯 模块 服务器 led plc ups 工控机 交换机 13 led 屏幕实时显示生产状态设备状态和欢迎参观等信息 pid 控制模块i/o 模块人机界面模块等为现场级仪表和控制设备实现数 据的采集和分布式控制功能 2.2 系统功能分析 每个企业都有多种产品每种产品的产品工艺都存在一定的差异如何在同一 条生产线上实现多种产品的生产以提高生产线的利用率降低生产成本如何将 生产数据存放到数据库中如何统筹的安排生产计划如何实现产量合格率物 料消耗的统计和产品的追溯如何了解生产设备的状态如何及时的排除生产故 障等诸多问题是每个企业都在思考的通过对这些问题的分析集成化系统主要 实现以下功能 1 . 制定和执行生产计划 2 . 产品工艺参数下达各个工位 3 . 完成各种检测数据结果的录入 4 . 完成底层自动化控制功能 5 . 生产产量的实时统计与显示 6 . 根据产量实现对物料消耗的统计和跟踪 7 . 实现产品的追溯 8 . 产量和合格率的统计和报表的制作与打印 9 . 设备通讯故障的诊断 1 0 . 为过程故障和操作状态提供综合的信息 1 1 . 实时统一的全局数据库记录各种生产数据 1 2 . 实时统一的设备管理数据库记录各种设备状态 功能结构图如图 2 . 2 所示 14 图 2 . 2 系统功能图 2 3 实例 参考上面的网络体系结构结合某军工企业现代生产管理智能化集成化的要 求 我们设计和开发了生产信息集成化系统 整个系统包括 生产管理系统 wincc 监控系统profibus 系统触摸屏系统和 led 显示系统 该系统的结构图如图 2.3 图 2.3 生产信息集成化系统结构图 信息集成 生产工单 产品工艺 产品查询 基础数据 工单 定制 工单 执行 装配 工艺 工艺 参数 产量 统计 物料 消耗 产品 追溯 产品 清单 零件 清单 产品 结构 检测 设备 状态 质量 数据 企业网 旁通压力 条码 压壳角度 窝壳角度 整机泄露 整体动平 叶轮编号 涡端间隙 涡轴编号 压端间隙 轴向间隙 拧紧力 服务器 led s7-400 ups 工控机 交换机 15 2.3.1 系统网络设计 由于工控机和服务器服务器要和一级主站s7-400一级主站和二级主站 二级主站和从站进行信息交换整个网络系统分为三层 管理网络采用基于 tcp/ip 协议的以太网将工控机与服务器相连主要用于 生产计划和工艺参数下达同时制定工艺参数并完成产品追溯产量查询合格率 查询物料消耗查询 mpi(multi pointer interface)网络采用基于现场总线的通讯处理卡将一级主站 和服务器相连1415由服务器上运行的 wincc 监控软件通过通讯处理卡从一级主 站中采集数据并将数据存入数据库相应的表中 profibus-dp 网络它由二级主站和专机检测设备相连两个 et200m 和 12 个触摸屏二级主站组成16-18主要负责从专机检测设备采集数据或从触摸屏 录入数据到一级主站s7-400中同时给服务器传达数据存入数据库等命令 拓扑结构 现场的服务器是连接以太网和工控网的桥梁它通过 3com 交换机 与以太网连接通过通讯处理卡 cp5613 与 mpi 网连接 2.3.2 总体设计方案 (1) 系统硬件和软件组成 硬件组成hp proliant ml350 g3hp6402 阵列卡研华工控led cpu412-2cpu226cp5613 通讯卡em277*2im153-2cp340 和 tp270-10 hp proliant ml350 g3数据服务器软件运行环境 hp6402 阵列卡采用 raid 5 磁盘阵列技术为数据的安全提供保证 研华工控下达生产任务和工艺参数制定装配工艺和工艺参数指定并执行 工单产品查询产量合格率物料消耗和产品追溯 led产量的实时统计和用户自定义信息的显示 cpu412-2dp 一级主站为 dp 二级主站分配存贮区从 dp 二级主站读取数 据诊断状态 16 cpu226dp 二级主站从专机检测设备中的 i/o 模块里读取数据并控制专 机检测设备的运转 cp5613 通讯卡负责 dp 主站与数据服务器之间的通讯 em277dp 模块完成 cpu226没有 dp 端口与 dp 网络互连 im153-2dp 模块完成 cp340 与 dp 网络互连 cp340完成条码的读入 tp270-10触膜屏组态友好的用户交互界面完成数据存入数据服务器和不 合格产品下线处理指令的发送 软件组成windows 2000 serverwincc 6.0step7 v5.2mcrowin 3.2 protool/rs 6.0 和 sql server 2000 windows 2000 server服务器操作系统 wincc 6.0监控组态软件为标签和 cpu412-2 内存建立连接完成输入存入 和下线处理等操作 step7 v5.2对 cpu412-2 进行硬件和网络组态 mcrowin 3.2对 cpu226 进行硬件和网络组态 sql server 2000数据库服务器 (2) 具体网络结构 管理网络拓扑结构图 2.4 所示 图 2.4 管理网络拓扑结构 mpi 网络拓扑结构如图 2.5 所示 交 换 机 服 务 器 研华工控 企业网 17 图 2.5 mpi 网络拓扑结构 profibus-dp 网络拓扑结构如图 2.6 所示 图 2.6 profibus-dp 网络拓扑结构 s7-400 电 源 mpi接口 dp接口 dp网络 服 务 器 cp5613 cp5613参数 1. highest node address31 2. transmission rate 187.5kps 3. mpi address0 mpi接口参数 1. highest mpi address31 2. transmission rate 187.5kps 3. mpi address2 dp接口参数 1. highest profibus address126 2. transmission rate 187.5kps 3. profiledp 压 端 间 隙 em 277 cpu 226 em 277 cpu 226 im 153 cp 340 旁 通 压 力 涡 壳 角 度 条 码 整 机 泄 露 整 体 动 平 拧紧力 轴 向 间 隙 叶 轮 编 号 压 壳 角 度 涡 端 间 隙 涡 轴 编 号 412-2 dp profibus-dp 18 2 4 小结 本章给出了生产信息集成化的网络体系结构并详细分析了系统的功能实例 证明本章设计的网络系统充分利用了现场总线的特点满足了生产信息完全集 成化的要求 19 3 总线系统组态与软件 第二章提出的生产信息集成化系统中针对不同的生产过程必须完成底层现场 总线网络及模块的组态 3.1 底层与上层网络之间的编程与组态 建立底层和上层网络通信通道同时为上层网络提供人(操作员)和机器(过程)之 间友好的监控界面可以实现以下功能 1. 过程的可视化并为操作员开发图形用户界面 2. 操作员对过程进行观察过程以图形化的方式显示在屏幕上每次过程中的 状态发生改变都会更新显示 3. 允许操作员控制过程例如操作员可以从图形用户界面预先定义设定值或 打开阀门等 4. 一旦出现临界过程状态将自动发出报警信号例如如果超出了预定义的 限制值屏幕上将显示一条消息 6. 集成到用户的自动化和it解决方案中 生产信息集成化系统中主要实现以下功能 1. 产品工艺参数的下达 2. 将产品的检测数据存入数据库 3. 实现不合格产品的处理 4. 生产设备运行状态的监控 该组态的主要工作如下 1. 通讯的定义 2. 监控界面的组态 3. 全局脚本的编写 20 3.2 plc 的编程与组态 通过总线模块将底层分散的自动化设备组态成现场总线网络实现底层自动化 系统信息网络化并完成相应的控制采集和设备诊断功能 该组态的主要工作如下 1. 硬件配置和参数设置 2. 通讯的定义 3. 控制和数据采集的编程 4. 测试启动和维护 5. 文件和建档 6. 操作和诊断功能 3.3 人机界面的编程与组态 在生产信息集成化系统中采用人机界面能取代传统控制面板功能节省p l c 的 i/o模块按钮开关数字设定指示灯等还能随时显示重要信息以利于操作人 员正确掌握机器状况和避免错误有利于维修设计者可按需要使用标准化输入/ 输 出域棒图趋势视图光栅和矢量图为操作人员组态友好的人机交互界面用于 显示设备状态操作指示参数设定检测数据检测结果警报信息和执行控制 生产信息集成化系统中主要包括以下人机界面 1. 数据存入界面 2. 不合格产品处理界面 3. 数据覆盖界面 4. 防止误操作界面 主要的组态工作如下 1. 通讯的定义 2. 操作界面的组态 3. 脚本的编写 21 3.4 实例 在实际项目中底层与上层网络之间plc 和人机界面的编程与组态软件分别 使用的是 wincc6.0step7 v5.2 和 protool 6.0具体的编程与组态工作如下 3.4.1 wincc 6.0 (1) 通信组态 为 wincc 和 cpu412-2 建立逻辑连接 并为各个工位的工艺参数和检测数据新 建变量 (2) 编程 系统要求将产品相关的所有数据存入一个产品数据表内虽然 wincc 具有将 实时数据直接存入数据库的变量记录组件19但是将每个变量的数据存入相对 独立的表中显然变量记录不能满足这个要求而 wincc 的全局脚本为我们 提供了实现的工具通过采用二进制变量作为动作脚本的触发器引入类似事件触 发机制存入下线处理事件的触发由工人在触摸屏将该变量置1来实现并 在脚本结束时将该变量置0 脚本主要包括参数下达托盘号数字化托盘号字符化下线处理和存入处 理等模块 参数下达根据生产管理软件的生产计划将产品工艺下载到各个触摸屏 下线处理为了加快生产速度对于装配上检测不合格的产品进行下线处理 同时删除装配线动态数据表中对应托盘号的记录 存入处理将合格的检测数据存入到产品数据库 下线处理流程图如图 3.1 所示 22 图 3.1 下线处理 托盘号数字化为了防止托盘号的误选我们利用触摸屏的控件显示属性使被 选择的托盘号闪烁显示需将字符型托盘号转换成数字型的托盘号 存入处理的流程图如图 3.2 所示 图 3.2 存入处理 参数是否下达 是 是否选择托盘 是 清空托盘记录 退出 否 否 是否正在检测 否 数据是否合格 是 是否选择托盘 数据是否存在 是 否 是否覆盖 存入数据 是 是 参数是否下达 是 退出 否 否 否 否 否 23 3.4.2 step7 v5.2 组态 (1) 硬件组态 为每个站点设置站地址和波特率将 cpu412-2 组态为一级主站通过 gsd 文 件将 2 个 em277 带 cpu226im153-2 带 cp340 作为二级主站如图 3.3 所示 并为 cpu226 和 cp340 在 cpu412-2 中分配 i/o 映像区2021 图 3.3 硬件组态 (2) 通信组态 将 pc 和 cpu412-2 组态成 mpi 网络cpu412-2cpu226 和 cp340 组态成 dp 网络(如图 3.4) 图 3.4 网络组态 (3) 建立 datablock 为了方便数据管理和编程给各个工位分别建立 datablock 块存贮各个工位 的工艺参数检测参数和辅助变量如图 3.5 24 图 3.5 建立 datablock (4) 编程 s7-400 内程序主要包括主循环模块 ob1故障诊断模块 ob80ob81ob82 ob83ob84ob85 和 ob86 等 ob1 模块是 s7-400 内周期执行的程序模块ob80ob86 模块主要处理 plc 的 电源通信等故障 主循环模块 ob1 如图 3.6 所示 图 3.6 ob1 模块 其中 fc1 是条码阅读程序fc2 数据转移程序 25 3.4.3 protool 6.0 组态 (1) 组态 为每个工位触摸屏 tp270-10 设置站地址 并为触摸屏和 cpu412-2 建立逻辑连 接 同时为每个工位的工艺参数和检测数据新建变量 并组态友好的人机交互界面 为了存入数据下线处理和防止误操作每个工位设计了四个人机界面存入 界面托盘号确认界面覆盖记录界面和下线处理界面 存入界面产品代码和工艺参数的显示检测数据的显示存入处理和下线处 理的命令发送 工艺参数检测数据和评定结果不允许手工修改保证生产信息的真实性被 选中的托盘下线和存入按钮会高亮度闪烁 图 3.7 存入 托盘号确认界面生产装配线上有 30 个托盘为了防止工人误选托盘在选 择托盘号后要对所选的托盘进行确认避免覆盖其它产品的记录 26 图 3.8 托盘号确认 覆盖记录界面可以对该工位的数据进行反复的检测和存入防止由于误选托 盘号而覆盖其它产品的记录 图 3.9 覆盖记录 下线处理界面当检测数据不合格时进行下线处理 27 图 3.10 下线处理 故障报警模块充分利用 profibus 自身的通信故障诊断功能若触摸屏与 profibus-dp 网络不通 触摸屏显示 通信中断 信息 同时所有显示变量以 # 显示 (2) 脚本 为了减少网络数据传输我们为触摸屏编写了相关的脚本实现以下功能1 防止在检测过程中进行存入下线处理2在数据检测完后自动评定测量数据是 否合格3在没有生产计划时禁止任何操作保证系统的安全性 3.5 小结 现场总线的编程与组态是生产信息集成化系统设计的重要组成部分本文将这 些组态分为三种类型并对编程组态的内容进行了详细分析给出了每种组态类型 的实现步骤依据上述方法本文完成的现场总线编程与组态在实际中获得应用 28 4 生产管理系统与数据库设计 通过对现场总线的编程与组态实现了对现场数据的采集和对产品工艺参数的 下达等功能但这些采集的数据和下达的参数均来自上层的数据库因此上层数 据库的设计是实现生产信息集成化的关键技术之一为了便于信息的管理与维护和 给企业的 erp 系统提供数据接口数据库应设计成全局统一的 4.1 工单数据库设计 在信息化飞速发展的今天现代企业不再单纯地按客户的定单来计划生产而 是将市场销售零部件供应财务和客户定单作为统一的生产过程来考虑在对各 种数据进行分析后企业相应地制定一批生产计划在生产过程中对生产计划进行 调整这样就必须设计一个工单数据库来存放制定的生产计划该数据库主要包括 两个表工单表和工单执行表 工单表记录生产计划的详细信息结构如下 工单工单号产品代码计划生产数实际生产数完工日期 主关键字工单号 工单执行表记录已完成的和正在执行的生产计划的执行情况结构如下 工单执行工单号状态 主关键字工单号 4.2 全局统一的产品数据库设计 作为企业信息管理的一部分每个企业都有一个产品数据库记录所有产品的相 关信息产品结构装配工艺工艺参数等信息既与产品密切相关又与生产过程 密切相关所以在设计产品数据库时应纳入这些信息 生产信息集成化系统的产品数据库应包括以下几个表 29 产品清单表定义企业的所有产品和其代码便于产品管理结构如下 产品清单产品代码产品名称备注 关键字产品代码 零件清单表定义企业的所有零件和其代码便于零件管理结构如下 零件清单零件代码零件名称备注 主关键字零件代码 产品结构表定义产品的零件构成结构如下 产品结构产品代码零件代码数量 主关键字产品代码 装配工艺表定义每种产品的每个工位的装配工艺结构如下 装配工艺工位号装配工艺 主关键字工位号 工艺参数表定义每种产品的每个工位的测量数据的合格标准结构如下 工艺参数工位号参数 1 参数 2参数 n 主关键字工位号 4.3 全局统一的检测数据库设计 检测数据库记录了每个产品的各项记录包括合格产品不合格产品和装配线 上产品的记录为了便于生产信息管理该数据库设计了三个表格产品数据下 线产品和装配线动态数据分别存放这三种不同类型产品的记录通过该数据库 可方便地实现合格率物料消耗统计和产品追溯这三个表的结构分别如下 装配线动态数据表托盘号检测数据 1 评定结果 1检测数据 n 评 定结果 n 主关键字托盘号 产品数据条码产品代码检测数据 1 评定结果 1检测数据 n 评 定结果 n 生产日期 主关键字条码 30 下线产品工单号产品代码工位下线日期 4.4 生产管理界面设计 根据第 2 章的系统功能分析生产管理应包括如下界面 工单定制定义生产计划的产品类型计划生产数开工日期和完工日期 工单执行向现场下达生产任务同时下达工艺参数 产品结构定义产品的零件构成 装配工艺定义产品的每个工位的装配工艺 工艺参数定义产品的每个工位的测量标准 产品清单定义企业的所有产品和其代码 零件清单定义企业的所有零件和其代码 合格率统计统计时间段和工单的产品合格率 产量统计实现产量实时的统计 物料消耗根据下线产品和合格产品统计生产过程中的物料消耗 产品追溯实现产品当时检测数据和工艺参数的查询 4.5 实例 4 . 5 . 1 数据库设计 根据上述数据库的设计方法项目设计了生产管理系统数据库包括工单工 单执行产品清单产品结构零件清单装配工艺工艺参数装配线动态数据 产品数据下线产品除装配线动态数据和产品数据表需要根据实际项目设计外 其余表均与产品数据库设计方法中的相同 这两个表的具体字段和关键字如下 装配线动态数据托盘号条码铭牌号工单号压叶轮编号压端间隙 压端间隙评定涡轮轴编号涡端间隙涡端间隙评定拧紧力拧紧力评定轴向 间隙轴向间隙评定动平衡平衡量评定压端流量压端流量评定涡端流量 31 涡端流量评定泄露压力压壳度压壳角度评定涡壳角度涡壳角度评定旁 通压力旁通位移旁通位移评定生产日期 主关键字托盘号 产品数据条码铭牌号工单号压叶轮编号压端间隙压