Profibus现场总线系统技术在汽车制造业中的应用

陈心赤

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

1 Profibus现场总线系统技术的特点

Profibus现场总线技术是集现代化的电子技术、通信技术、计算机技术以及微电子技术等为一体的控制方式。Profibus现场总线系统技术在结构上主要可以分为三级网络，如图1所示。

图1 Profibus现场总线技术的网络结构

从图中可以看出Profibus现场总线技术主要分为工厂级、车间级以及现场级三个部分。其中处于最底层的现场级是整个Profibus现场总线技术的重要组成部分，主要是对生产现场的设备以及工艺链进行有效控制。现场级的主要功能模块包括远程Profibus-DPI/O模块、接近开关、气动执行机构以及变频器等。而在现场总线技术当中PLC可编程控制器主要负责将底层的现场级与中层的车间级相互连接起来，实现彼此间的信息传输。Profibus现场总线系统分为主站和从站，其中主站主要用来接收上级传递的指令，而从站则进行确认和执行。首先在现场级所有与现场总线相连接的汽车制造设备的工艺流程以及操作程度都事先储存在主站当中，然后当主站得到上级发送的指令后，再将其发送给与从站相连的生产设备上，从而完成对现场设备的控制工作。但是在现场级当中，只有远程的I/O模块以及变频器具有Profibus-DP网络的接口，因此要想实现对汽车制造设备的有效控制，就需要通过Profibus现场总线设备以及分散式的I/O模块进行组网，此时分散式的I/O模块就成为了连接汽车制造设备与现场总线系统的桥梁，能够将所有设备有效的串联起来，实现自动一体化的控制操作。

处于中间层的车间级，主要是对现场级的制造流程进行实时监控，报告设备的故障信息以及后期维护功能，同时车间级还具有协助工厂级进行生产调度以及生产统计管理等功能。Profibus现场总线系统技术的车间级使用的是Profibus-FMS网络，通过Profibus-FMS网络将上层的工厂级与下层的现场级联系在一起。

最高一层是在汽车制造厂以太网的基础上建立的工厂级，其作用主要是将汽车生产现场的各个设备与企业办公管理网络相连接，从而能够将现场生产的有效数据实时的传送给企业的管理层，为制定生产计划以及战略目标提供可靠的理论数据。

2 Profibus现场总线系统技术的设计

通过以上对Profibus现场总线系统技术的结构以及功能进行分析后，可以得出，Profibus现场总线系统技术是一种将生产现场与企业管理有机融合在一起的先进的控制技术，在实现自动化控制的同时还能做到科学、有序的生产。以下就对Profibus现场总线系统技术的设计进行具体分析：

1）Profibus现场总线系统技术的硬件设计

从图1中可以看出，该系统的硬件主要包括现场监控站、PLC可编程控制器以及Profibus-DP网络，其中现场监控站主要负责对生产设备的操作以及监控；PLC可编程控制器则是对汽车生产车间的储运链和工艺链进行控制。每一个汽车制造车间储运链的Profibus-DP网络中各包含一个OP27操作控制台以及Truck Profibus-DP IM80002远程数字输入模块和Profibus-DP OM80004远程数字输出模块。而每一个汽车制造车间工艺链的Profibus-DP网络中配备有变频器以及远程数字输入、输出模块，同时还具备DP接口以及故障诊断功能，方便现场控制的同时还能够帮助后期的设备维护。

2）Profibus现场总线系统技术的软件设计

本文研究的Profibus现场总线系统技术应用的软件为WinCC（5.0SP1版），具有强大的分析处理功能、具有汽车生产现场的监控画面以及PLC可编程控制器的组态工具，而且WinCC（5.0SP1版）还自带数据库方便企业管理者随时获取所需要的数据信息；Profibus现场总线系统技术的网络平台是 WindowsNT4.0；S7组态软件为STEP7（5.1SP）。

3 Profibus现场总线系统技术的应用

由于现场级是Profibus现场总线系统技术的重要组成部分，因此本文主要分析研究Profibus现场总线系统技术对汽车制造设备的控制。在汽车制造过程当中，储运链和工艺链是两个基本环节。其中储运链是将汽车元件运输到总装车间，而工艺链则是将汽车元件运输到各个加工工位。以下就对储运链和工艺链的控制进行分析研究：

1）储运链

由于储运链主要是将汽车元件运输到总装车间的生产流水线，因此Profibus现场总线系统在执行控制操作的过程中，必须要确保汽车元件按照工艺流程，合理地进入工艺线，使整个汽车制造环节保持均匀顺畅。储运链的启动和停止则是通过停止器来实现，停止器通过与现场总线设备的分散式的I/O模块相连接，可以接收到上级发送的指令，从而有效地分配进入总装车间的汽车元件走向和数量。

汽车制造车间的储运链分为许多不同的区间，每一个区间的汽车元件容量以及顺序都是固定的，因此Profibus现场总线系统在执行控制操作的过程中需要满足以下要求：如果储运链的前一个区间已经存满汽车元件，此时位于其后的区间启动停止器，停止运行避免汽车元件继续进入；如果前一个区间有空位时，位于其后的空间则关闭停止器，可以使汽车元件继续进入，直至前一个区间存满为止。如果吊具通过储运链吊装汽车元件时，为了避免对吊具造成损伤需要对停止器进行封锁。而对于喷漆车间与总装车间交接处的停止器则有特殊的控制要求，由于喷漆车间与总装车间的储存链上的汽车元件会经过该停止器，所以需要使用两个储运链上的PLC可编程控制器分别进行控制，而且与现场总线系统的Profibus-DP网络相连，然后通过Profibus-FMS网络交换喷漆车间与总装车间的储存链上的数据信息，实现对停止器的有效控制。此外，储运链和工艺链交接处的停止器也需要进行特殊设计。储运链的运行速度远大于工艺链，因此当储运链和工艺链进行交接时，经常会由于速度差造成工艺链上的汽车元件严重堆积的现象，所以这个位置的停止器在控制过程中需要根据汽车制造车间的实际情况以及储运链和工艺链轨道的分布以及结构进行综合考虑。

2）工艺链

工艺链主要是控制汽车元件以均匀的速度通过汽车制造流水线的各个装配工位，工艺链的启动和停止主要是通过变频器来实现，变频器与现场总线的Profibus-DP网络相连接。PLC可编程控制器通过Profibus-DP网络向变频器发送指令，控制工艺链的启动、停止以及变速。此外，与工艺链配合的地板链也是由PLC可编程控制器通过Profibus-DP网络向变频器发送指令的方式进行控制的。值得注意的是与工艺链配合的地板链，其运行速度必须和工艺链保持一致，以便于装配工人进行操作。在汽车制造车间中每一个控制柜上都安装有一个OP27操作控制板并且通过Profibus-DP网络与现场总线系统相连接，通过OP27操作控制板完成对储运链以及工艺链的各项基本控制。总控制室中主要通过工控制进行操作，工控机通过PLC可编辑控制器中的插槽与现场总线控制系统的Profibus-FMS网络相连接，实现了对喷漆车间与总装车间的工艺链以及储运链的有效控制。

工艺链中的变频器与现场总线系统的Profibus-DP网络相连接，从站地址通过变频器的操作面板进行设置，变频器与现场总线系统的Profibus-DP网络的数据传输通过参数过程数据对象（PPO）进行的。参数过程数据对象（PPO）的数据结构由参数PKW和过程数据PZD两部分组成，其中参数PKW，主要的作用是用来控制和监视参数，通常是由四个连续字节组成，首字定义任务识别码（PKE）；第二个字定义了参数索引（IND）；第三个和第四个字定义了具体的参数值（PWE）；过程数据PZD主要包括任务以及应答两个环节，对任务环节来说，过程数据PZD设定变频器的控制字（STW），工作频率（HSW）以及其他过程变量等，而对于应答环节来说，过程数据PZD则复原变频器的主要状态（ZSW）、实际工作频率（HIW）以及其它过程量等。参数过程数据对象（PPO）的数据结构共有五种类型，即PPO1、PPO2、PPO3、PPO4、PPO5，其中以PPO1为例分析其数据结构，如表1所示。

表1 PPO1数据结构表

4 结束语

综上所述，本文主要介绍了Profibus现场总线技术的特点，并且研究了Profibus现场总线技术的硬件构成与软件配置。然后对汽车制造生产过程中Profibus现场总线技术的应用进行具体分析，有效的提高汽车制造业的生产水平，而且通过系统的自动诊断以及在线维护功能，极大的降低了汽车生产设备的故障维修时间以及成本，在保证汽车制造的安全性和可靠性的同时还能够有效地降低产品成本。

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