Profibus总线的应用分析

摘要：本文主要介绍了Profibus总线及其应用，首先介绍了Profibus的组成，基本特性及性能、结构等。接着介绍Profibus在工厂自动化系统中的应用。然后介绍了Profibus现场总线的车间生产过程自动化管理，在汽车制造业，轿车总装车间的应用。使企业工厂车间的信息传递、物流状况等实时地展现在管理者和操作者的面前，及时有效地提高了管理水平，减少了故障停线频率，保证了产品的质量。关键词：Profibus；总线；生产自动化；—、Profibus总线介绍PROFIBUS，是一种国际化.开放式.不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。Profibus的组成：PROFIBUS是过程现场总线的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，全世界的设备节点数已经超过2000万。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP(DecentralizedPeriphery).PROFIBUS－PA(ProcessAutomation).PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification)。其中PROFIBUS－DP应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯；PROFIBUS—PA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域；PROFIBUS—FMS用于车间级监控网络，它是令牌结构的实时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换。Profibus的基本特性：Profibus可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化，与其他现场总线相比，Profibus的重要优点是具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性，它包括了加工制造、过程和楼宇自动化等广泛的应用领域，并可同时实现集中控制、分散控制和混合控制三种方式。该系统分为主站和从站：主站决定总线的数据通信，当主站得到总线控制权(令牌)时，没有外界请求也可以主动发送信息。在Profibus协议中主站也称为主动站。从站为外围设备，典型的从站包括：输入/输出装置、阀门、驱动器和测量发射器。它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。从站也称为被动站。由于从站只需总线协议的一小部分，所以实施起来特别经济。Profibus的性能：与其它现场总线系统相比,PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造.过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认,在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持,它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。Profibus的结构：PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准,以开放式系统互联网络(OpenSystemInterconnection-OSI)作为参考模型的。该模型共有七层。PROFIBUS-DP：定义了第一.二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能,并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。PROFIBUS-FMS:定义了第一.二.七层，应用层包括现场总线信息规范(FieldbusMessageSpecification-FMS)和低层接口(LowerLayerInterface-LLI)。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158—2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。注：第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三层为网络层，第四层为传输层，第五层为会话层，第六层为表达层，第七层为应用层。需要注意的是，第三~六层在Profibus中没有具体应用，但是这些层要求的任何重要功能都已经集成在低层接口(LLI)中。4.Profibus在工厂自动化系统中的应用：典型的工厂自动化系统应该是三级网络结构，基于现场总线Profibus-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的低层，即现场级和车间级。现场总线Profibus是面向现场级和车间级的数字化通信网络。现场设备层主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、驱动器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。主站负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序均储存在主站中，并由主站执行。车间监控层车间级监控用来完成车间中生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，在操作员工作站及打印设备上。车间级监控网络可采用Profibus-FMS，它是一个多主网络，在这一级，数据传输速度不是最重要的，而是要能够传送大容量信息。工厂管理层车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为主网的一个子网，通过交换机、网桥或路由器等连接到厂区骨干网上，将车间数据集成到工厂管理层。车间管理层通常所说的以太网，即IEC802.3TCP/IP的通信协议标准。工厂骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。二、Profibus现场总线的车间生产自动化管理汽车制造业是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程。同时随着汽车行业之间竞争的日益激烈，各生产厂家都普遍面临着提高生产效率、降低生产成本、提高生产管理水平等种种压力。对于汽车项目而言，无论是新建项目，还是现有设备的扩展和改造，在规划和设计控制系统时都应该有一个基本指导原则：采用最先进的自动化技术和产品，从而最大程度减小系统集成和调试时间、降低投资成本，方便生产运行阶段的维护与工艺调整；提高各工艺设备系统的稳定性，减少故障停机时间保证计划产量的实现。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的节省。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。有了Profibus现场总线系统的电气技术方面的保证，并且在设计中融人了先进的TPS生产管理理念，从而使总装车间的信息传递、物流状况等实时地展现在管理者和操作者的面前，及时有效地提高了管理水平，减少了故障停线频率，保证了汽车的质量。系统的技术要求及功能概述管理职能该系统作为轿车总装车间信息传递的一个子系统，要求实现如下过程的管理职能：工序作业管理各工序可以由操作者通过系统进行支援呼叫和必要信息的远程传递，如维修、供应、工艺、质量等，使工序过程透明化。并对各区域、各类别呼叫进行分类统计分析。设备状态管理在线主体及关键设备可以通过对人工呼叫、设备信号提取等方式，确认设备生产运行状态、维修需求等，以进行相关的指示、播报，并对主生产线的停线工时进行分析和报表统计。质量管理系统能通过人工呼叫、设备控制信息采集等方式，确认可能严重影响产品质量的装配过程，对影响过程和位置进行实时申报，并在必要时控制停线，同时进行数据库记录存储、查询和统计、分析。供应(物流控制)管理对物流配送的需求进行实时呼叫，并给物流系统直观提示；对生产线节拍进行提示，为物流配货提供支持；就物流对生产过程的影响进行实时记录，并统计及生成有关报表分析。节拍管理系统通过节拍提示屏进行节拍进程提示，结合必要的预警音乐，作为操作工人和物流配货的工作提示。停线管理对如下几种情况赋予系统停线权限：在主装配线(一次内饰、底盘线、二次内饰)工位呼叫发出后，车到整车位没有消除呼叫时。设备限制不可以越位装配的，在到达位置限制点时。重要质量问题停线，如漏装、装配不合格等。计划停线，即按照生产计划的停线，如产量完成停线，休息时间停线等。停线原因的统计与报表：系统具备对各类停线进行统计和汇总分析的能力，并能够生成相关报表。同时核算主线开动率。环境管理系统除常规工位状态显示外，能够进行生产计划、完成产量、停台、日历、时间等有关信息显示，并能有选择地通过广播系统播放多种背景音乐。信息输出形式系统信息采用如下五种方式输出：LED双基色显示屏规格大小为：4000mmX2000mm双面显示；对生产工位状态、生产状况(生产计划数量、完成产量等)有关信息进行综合显示。该方式是系统输出的主要途径。电脑终端设置电脑终端，并赋予不同的权限，进行信息显示、汇总分析、设置和系统管理等。该方式是系统输出和管理的主要手段。在终端预留以太网接口，以便将车间级信息通过Internet共享。声音报警对重要的呼叫内容，在显示屏附近和现场关键点设置声音报警。该方式是系统输出的辅助手段。灯光报警对重要的呼叫内容，在显示屏附近设置转灯报警，所有拉线点设置灯光指示。该方式是系统输出的辅助手段。系统组成2.2.1系统硬件的组成以Profibus总线为网络结构的PLC控制系统如图1所示。(1)主控柜单元本单元包括PLC-CPU、HMI、以太网接口及Profibus主站单元。CPU主要负责信息的处理及保存，并通过以太网接口将信息发送到厂级以太网，使总装车间内的生产信息共享。同时PLC接收来自厂级指令系统的指令，来自动调节生产节拍，保证生产计划的按时完成。生产呼叫单元用于生产过程中，操作工人的实时支援呼叫，包括呼叫班长、维修、品质、工艺、物流火员。可以实现呼叫信息的快速传递，减少求助时间，对准时化(JIT)生产作业构成支持。本单元包括72点拉线(工位拉线呼叫)、10个触摸屏(分类呼叫触摸屏)及相关控制系统。当生产人员因有呼叫请求时立即拉下该工位的拉线呼叫开关，班长了解需求后，在触摸屏进行二次分类呼叫。呼叫分类有维修、品质、工艺、物料。ANDON看板单元该单元包括三条主线的三块安东看板及相关控制系统，用于直观显示拉线呼叫工位、呼叫类型、重要设备状态、输送线状态等信息。当拉线呼叫动作时PLC自动记录呼叫工位以及呼叫分类等信息，并且能够实时记录当主线上设备发生故障的设备代码。然后通过远程输出口点亮ANDON看板上的指示灯，来及时提醒相关人员进行相应的作业。输送线的控制单元本单元包括Profibus-PA元件、变频器、变频电机等主要元件。节拍ANDON是JIT(准时化)生产的有力保证，生产线上的操作员以节拍提示为参考，在规定时间内完成规定的工作任务，做到了准时化生产。输送线的控制在此单元中尤为重要，其控制速度与生产节拍相吻合，生产节拍已定则其速度也就自动调整为与节拍相应的速度，如图2所示。图2中：Xl(s)为生产节拍指令；X2(s)为变频器输入控制指令；Yl(s)为马达控制信号；Y2(s)为输送线速度。设备管理单元该单元主