现场总线系统技术在汽车生产物流管理中的应用

singer

一、引言
　　以计算机在工业控制和管理中的应用为主要标志的工业自动化技术在过去20年间有了长足的进步。进入20世纪90年代以来，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（Field Bus-FB）技术发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。
　　随着物流管理的迅猛发展，物流管理理念很快进入汽车制造行业，而企业生产物流的管理又是现代物流管理环节中的重要一环。对于一个汽车制造企业如何高效而有序组织各个生产车间各工位材料并及时送到指定地点是十分重要的。近年来国际上流行的汽车生产物流系统就是专门用于现代化生产现场的对流量、物料、质量、设备测量和监控的信息系统，是一个柔性的自动化控制系统。该系统不仅可以使物流通畅及时，实现仓库最小库存，而且可以使管理者及时了解整个企业的生产和物流状况，从而为企业管理层决策提供依据。现场总线技术具有高可靠性和强大的诊断功能，非常适合于物流的控制和信息传输，为汽车企业各生产车间之间生产物料的管理开辟了一种新的思路。
二、汽车生产物流系统中的现场总线技术
　　汽车生产物流系统要求信息传输和控制系统具有反应速度快、稳定性好、可扩充性强、可维护性好等功能，采用硬接信号线的方法不但烦琐、昂贵，而且稳定性、诊断性、可维护性、可扩充性差，因此，采用现场总线技术能很好地解决上述问题。
　　按照国际电工委员会IEC61158的标准定义：“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。”一般认为“现场总线是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统的工业总线。”现场总线向人们展示了一种全新系统集成的思想，它在自动化系统中，如制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的应用前景十分广阔。作为工业网络体系，现场总线系统的突出特点在于：系统的开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与自诊断功能、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等。
　　现场总线具有节省硬件数量与投资、安装费用、维护费用等优点，用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性。此外，由于它的设备标准化、模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
　　CANBUS最初是由德国的BOSCH公司为汽车检测、控制系统而设计的。CANBUS为多主方式工作，网络上任意节点可在任意时刻主动的向网络上的其他节点发送信息，它采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，按优先级高低接收。CANBUS的传输速率最高可达1Mbs/40m。
　　INTERBUS（Interbus Fieldbus）由德国Phoenix Contact公司1990年推出，应用于汽车行业、烟草行业、过程自动化等行业。INTERBUS采用集总帧型的数据环通讯，这种通讯保证了数据传输的同步性和周期性，全双工的通讯方式和2M的一致速率保证了数据通讯的实时性，差分信号传输和专门的总线环路检查保证了强大的抗干扰性和设备实时监控。
　　INTERBUS总线的各种I/O模块、功能模块可根据生产线的工艺结构实现分布式安装，从而实现分散控制。控制器与现场传感器/执行器之间通过一根总线电缆相连，替代了PLC系统的并行布线，大量降低电缆的使用。总线控制板是INTERBUS总线上的主设备，用于实现协议的控制、错误诊断、组态存储等功能。
　　INTERBUS是面向I/O的国际标准总线，其恒定的2M传输速率，集总帧的数据传输方式，保证了数据传输的可靠性，使得控制系统与现场I/O设备之间的数据交换具有很高的实时性，是国际上公认的高速总线。INTERBUS具有强大的总线组态、监控、故障诊断功能，在总线控制板、现场I/O设备以及CMD软件上都能对每一个总线设备的状况进行监控，对故障的诊断快，从而极大地提高了控制系统的易维护性和可靠性。 INTERBUS是一种简单器件级简单网络，是一种开放的串行总线系统，可将不同厂家的现场设备产品统一组态，构成所需的网络。因此，INTERBUS总线在汽车生产物流系统中有独特的优势和吸引力。
三、汽车生产物流系统结构
　　汽车生产物流系统用于支持同步化物流的需求，系统能使物料供应及时、高效，同时节省线边占用空间，减少线边库存，并自动统计缺料次数的时间与频次、原因，可有效防止不必要的延误、等待时间甚至由于物料短缺产生停线的问题。整个系统由监控管理部分、主控部分、呼叫部分和应答部分组成，如图1所示。监控管理部分采用工业控制计算机，负责整个系统的监控管理、人机交流、数据通讯和数据保存。主控部分IBS RFC430控制器采用586CPU，提供了一个基于嵌入式技术的硬件平台。集成了总线控制板、程序控制器和Ethernet的标准接口，实现了设备层的数据采集，控制层的逻辑控制，直到与管理层的信息交换的三位一体的体系结构。通过Ethernet可以直接对总线系统进行组态和监控。呼叫部分通过现场总线I/O模块（SAB模块），SAB模块具有IP67的防护等级，可直接安装于车间现场，采集检测现场工位呼叫情况，再通过现场总线送到主控部分（远程总线控制器（RFC430））处理，处理信息再送到应答部分（带现场IO INLINE BK中继器模块和串口RS232通讯模块），通过串口RS232通讯模块送到LED显示屏显示所需要的工位材料。
四、工业监控软件组态王与现场设备的无缝联接
　　为了实现上位机工业监控软件和现场设备信号连接问题，我们利用OPC（OLE for Process Control，过程控制中的对象连接嵌入技术）技术。OPC是一项技术规范和开放的工业标准接口，它采用微软公司的OLE、COM（component object model）和DCOM（distribute component obiect model）等技术，并受到众多自动控制设备制造商的支持。OPC作为自动化系统、现场总线、现场总线设备和办公管理应用程序之间的有效连接方式，使办公室和现场设备之间的数据交换简捷化、标准化。
　　汽车生产物流系统中往往需要使用各种不同的供应商的自动化设备，以前为了与各设备通讯，必须设计一个专用的通讯接口，而且各工业监控软件必须与每一设备建立单独联接（图2）。而采用OPC技术后，由于各自动化设备对OPC的支持和OPC基于OLE、COM、DCOM技术的特点，就能将所有自动化设备都与同一OPC Server连接，而各工业监控软件都使用COM和DCOM技术与OPC Server连接，通过OPC Server与各个自动化设备通讯（图3）。通过采用OPC技术，极大地简化了系统的结构，使原来错综复杂的体系结构变得简单清晰，各工业监控软件只需注意与OPC Server之间的数据交换，而不必担心具体设备的连接问题。INTERBUS OPC Server是Phoenix公司为INTERBUS总线系统专门开发的OPC Server，工业监控软件通过它可以很方便的与INTERBUS总线的现场设备通讯。
五、结束语
　　现场总线具有高度的系统集成主动权和强大的系统诊断能力，它提高了系统的可靠性与可维护性，由于其设备标准化、模块化，因而设计简单、易于重构。现场总线技术不仅是工业控制系统发展的必然趋势，同时也是控制理论研究方向。它开辟了工业控制技术领域新时代，被称为自动化领域的计算机局域网。
　　本文在分析了PROFIBUS及INTERBUS特性的基础上，着重阐述了INTERBUS现场总线在汽车生产物流监控系统中的应用。并通过OPC服务器使得上层组态王监控系统与底层远程控制器之间实现了无缝衔接，使得整个系统处于一种开放的状态，具有良好的可扩展性。