以計算機在工業(yè)控制和管理中的應用為主要標志的工業(yè)自動化技術在過去20年間有了長足的進步。進入20世紀90年代以來,作為工業(yè)控制數字化、智能化與網絡化典型代表的現場總線(FieldBus-FB)技術發(fā)展迅速、影響巨大,引起了工程技術界的普遍興趣與重視,被譽為工業(yè)自動化領域具有革命性的新技術。
隨著物流管理的迅猛發(fā)展,物流管理理念很快進入汽車制造行業(yè),而企業(yè)生產物流的管理又是現代物流管理環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。對于一個汽車制造企業(yè)如何高效而有序組織各個生產車間各工位材料并及時送到指定地點是十分重要的。近年來國際上流行的汽車生產物流系統(tǒng)就是專門用于現代化生產現場的對流量、物料、質量、設備測量和監(jiān)控的信息系統(tǒng),是一個柔性的自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以使物流通暢及時,實現倉庫最小庫存,而且可以使管理者及時了解整個企業(yè)的生產和物流狀況,從而為企業(yè)管理層決策提供依據?，F場總線技術具有高可靠性和強大的診斷功能,非常適合于物流的控制和信息傳輸,為汽車企業(yè)各生產車間之間生產物料的管理開辟了一種新的思路。
汽車生產物流系統(tǒng)中的現場總線技術
汽車生產物流系統(tǒng)要求信息傳輸和控制系統(tǒng)具有反應速度快、穩(wěn)定性好、可擴充性強、可維護性好等功能,采用硬接信號線的方法不但煩瑣、昂貴,而且穩(wěn)定性、診斷性、可維護性、可擴充性差,因此,采用現場總線技術能很好地解決上述問題。
按照國際電工委員會IEC61158的標準定義:“安裝在制造和過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線?！币话阏J為“現場總線是一種全數字化、雙向、多站的通信系統(tǒng),是用于工業(yè)控制的計算機系統(tǒng)的工業(yè)總線?！爆F場總線向人們展示了一種全新系統(tǒng)集成的思想,它在自動化系統(tǒng)中,如制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的應用前景十分廣闊。作為工業(yè)網絡體系,現場總線系統(tǒng)的突出特點在于:系統(tǒng)的開放性、可互操作性與互用性、現場設備的智能化與自診斷功能、系統(tǒng)結構的高度分散性、對現場環(huán)境的適應性等。
現場總線具有節(jié)省硬件數量與投資、安裝費用、維護費用等優(yōu)點,用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權,提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。此外,由于它的設備標準化、模塊化,因而還具有設計簡單,易于重構等優(yōu)點。
CANBUS最初是由德國的BOSCH公司為汽車檢測、控制系統(tǒng)而設計的。CANBUS為多主方式工作,網絡上任意節(jié)點可在任意時刻主動的向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息,它采用非破壞性總線仲裁技術,當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時,按優(yōu)先級高低接收。CANBUS的傳輸速率最高可達1Mbs/40m。
INTERBUS(InterbusFieldbus)由德國PhoenixContact公司1990年推出,應用于汽車行業(yè)、煙草行業(yè)、過程自動化等行業(yè)。INTERBUS采用集總幀型的數據環(huán)通訊,這種通訊保證了數據傳輸的同步性和周期性,全雙工的通訊方式和2M的一致速率保證了數據通訊的實時性,差分信號傳輸和專門的總線環(huán)路檢查保證了強大的抗干擾性和設備實時監(jiān)控。
INTERBUS總線的各種I/O模塊、功能模塊可根據生產線的工藝結構實現分布式安裝,從而實現分散控制?？刂破髋c現場傳感器/執(zhí)行器之間通過一根總線電纜相連,替代了PLC系統(tǒng)的并行布線,大量降低電纜的使用。總線控制板是INTERBUS總線上的主設備,用于實現協(xié)議的控制、錯誤診斷、組態(tài)存儲等功能。
INTERBUS是面向I/O的國際標準總線,其恒定的2M傳輸速率,集總幀的數據傳輸方式,保證了數據傳輸的可靠性,使得控制系統(tǒng)與現場I/O設備之間的數據交換具有很高的實時性,是國際上公認的高速總線。INTERBUS具有強大的總線組態(tài)、監(jiān)控、故障診斷功能,在總線控制板、現場I/O設備以及CMD軟件上都能對每一個總線設備的狀況進行監(jiān)控,對故障的診斷快,從而極大地提高了控制系統(tǒng)的易維護性和可靠性。INTERBUS是一種簡單器件級簡單網絡,是一種開放的串行總線系統(tǒng),可將不同廠家的現場設備產品統(tǒng)一組態(tài),構成所需的網絡。因此,INTERBUS總線在汽車生產物流系統(tǒng)中有獨特的優(yōu)勢和吸引力。
汽車生產物流系統(tǒng)結構
汽車生產物流系統(tǒng)用于支持同步化物流的需求,系統(tǒng)能使物料供應及時、高效,同時節(jié)省線邊占用空間,減少線邊庫存,并自動統(tǒng)計缺料次數的時間與頻次、原因,可有效防止不必要的延誤、等待時間甚至由于物料短缺產生停線的問題。整個系統(tǒng)由監(jiān)控管理部分、主控部分、呼叫部分和應答部分組成,如圖1所示。監(jiān)控管理部分采用工業(yè)控制計算機,負責整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理、人機交流、數據通訊和數據保存。主控部分IBSRFC430控制器采用586CPU,提供了一個基于嵌入式技術的硬件平臺。集成了總線控制板、程序控制器和Ethernet的標準接口,實現了設備層的數據采集,控制層的邏輯控制,直到與管理層的信息交換的三位一體的體系結構。通過Ethernet可以直接對總線系統(tǒng)進行組態(tài)和監(jiān)控。呼叫部分通過現場總線I/O模塊(SAB模塊),SAB模塊具有IP67的防護等級,可直接安裝于車間現場,采集檢測現場工位呼叫情況,再通過現場總線送到主控部分(遠程總線控制器(RFC430))處理,處理信息再送到應答部分(帶現場IOINLINEBK中繼器模塊和串口RS232通訊模塊),通過串口RS232通訊模塊送到LED顯示屏顯示所需要的工位材料。
工業(yè)監(jiān)控軟件組態(tài)王與現場設備的無縫聯接
為了實現上位機工業(yè)監(jiān)控軟件和現場設備信號連接問題,我們利用OPC(OLEforProcessControl,過程控制中的對象連接嵌入技術)技術。OPC是一項技術規(guī)范和開放的工業(yè)標準接口,它采用微軟公司的OLE、COM(componentobjectmodel)和DCOM(distributecomponentobiectmodel)等技術,并受到眾多自動控制設備制造商的支持。OPC作為自動化系統(tǒng)、現場總線、現場總線設備和辦公管理應用程序之間的有效連接方式,使辦公室和現場設備之間的數據交換簡捷化、標準化。
汽車生產物流系統(tǒng)中往往需要使用各種不同的供應商的自動化設備,以前為了與各設備通訊,必須設計一個專用的通訊接口,而且各工業(yè)監(jiān)控軟件必須與每一設備建立單獨聯接(圖2)。而采用OPC技術后,由于各自動化設備對OPC的支持和OPC基于OLE、COM、DCOM技術的特點,就能將所有自動化設備都與同一OPCServer連接,而各工業(yè)監(jiān)控軟件都使用COM和DCOM技術與OPCServer連接,通過OPCServer與各個自動化設備通訊(圖3)。通過采用OPC技術,極大地簡化了系統(tǒng)的結構,使原來錯綜復雜的體系結構變得簡單清晰,各工業(yè)監(jiān)控軟件只需注意與OPCServer之間的數據交換,而不必擔心具體設備的連接問題。INTERBUSOPCServer是Phoenix公司為INTERBUS總線系統(tǒng)專門開發(fā)的OPCServer,工業(yè)監(jiān)控軟件通過它可以很方便的與INTERBUS總線的現場設備通訊。
結束語
現場總線具有高度的系統(tǒng)集成主動權和強大的系統(tǒng)診斷能力,它提高了系統(tǒng)的可靠性與可維護性,由于其設備標準化、模塊化,因而設計簡單、易于重構?，F場總線技術不僅是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢,同時也是控制理論研究方向。它開辟了工業(yè)控制技術領域新時代,被稱為自動化領域的計算機局域網。
本文在分析了PROFIBUS及INTERBUS特性的基礎上,著重闡述了INTERBUS現場總線在汽車生產物流監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。并通過OPC服務器使得上層組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)與底層遠程控制器之間實現了無縫銜接,使得整個系統(tǒng)處于一種開放的狀態(tài),具有良好的可擴展性。
