基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的車間生產(chǎn)過程自動(dòng)化管理方案設(shè)計(jì)

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。在過去的十多年里，隨著生產(chǎn)車間自動(dòng)化和過程自動(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)?，F(xiàn)場(chǎng)總線Profibus滿足了生產(chǎn)過程現(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。

1 系統(tǒng)的技術(shù)要求及功能概述

1.1 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)如下過程的管理職能：

(1)工序作業(yè)管理

各工序可以由操作者通過系統(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。

(2)設(shè)備狀態(tài)管理

在線主體及關(guān)鍵設(shè)備可以通過對(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)。

(3)質(zhì)量管理

系統(tǒng)能通過人工呼叫、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)量的裝配過程，對(duì)影響過程和位置進(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)庫記錄存儲(chǔ)、查詢和統(tǒng)計(jì)、分析。

(4)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。

(5)節(jié)拍管理

系統(tǒng)通過節(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，作為操作工人和物流配貨的工作提示。

(6)停線管理

對(duì)如下幾種情況賦予系統(tǒng)停線權(quán)限：

①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，車到整車位沒有消除呼叫時(shí)。

②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)。

③重要質(zhì)量問題停線，如漏裝、裝配不合格等。

④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。

⑤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。

(7)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，并能有選擇地通過廣播系統(tǒng)播放多種背景音樂。

1.2 信息輸出形式

系統(tǒng)信息采用如下五種方式輸出：

(1)LED雙基色顯示屏

規(guī)格大小為：4 000 mm×2 000 mm，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。

(2)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Internet共享。

(3)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。

(4)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。

2 系統(tǒng)組成

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。

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(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接收來自廠級(jí)指令系統(tǒng)的指令，來自動(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。

(2)生產(chǎn)呼叫單元

用于生產(chǎn)過程中，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。

(3)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。然后通過遠(yuǎn)程輸出口點(diǎn)亮ANDON看板上的指示燈，來及時(shí)提醒相關(guān)人員進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)。

(4)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：X1(s)為生產(chǎn)節(jié)拍指令；X2(s)為變頻器輸入控制指令；Y1(s)為馬達(dá)控制信號(hào)；Y2(s)為輸送線速度。

(5)設(shè)備管理單元

該單元主要通過輸入口采集設(shè)備的狀態(tài)、工作結(jié)果等相關(guān)信息。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或工作結(jié)果不合格等重要信息時(shí)，ANDON看板給予提示，并停止運(yùn)送線，從而避免了裝配質(zhì)量的不良品流入下一工序。

2.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。



系統(tǒng)的程序開發(fā)是在SIEMENS公司STP7 V5.3下進(jìn)行的，該編譯器功能非常強(qiáng)大，能對(duì)語句、功能塊、梯形圖混合編譯，并支持在線調(diào)試。

3 結(jié)  語

本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將能充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能，更容易構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)并更好地發(fā)揮其作用。有利于企業(yè)實(shí)施綜合自動(dòng)化策略，使企業(yè)從粗放型向集約化轉(zhuǎn)化。這套系統(tǒng)自運(yùn)行以來，穩(wěn)定性非常好，未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。