INTERBUS現(xiàn)場總線——汽車工業(yè)的伙伴——INTERBUS現(xiàn)場總線在汽車行業(yè)的優(yōu)勢
摘要:文章歸納了汽車工業(yè)自動控制系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境和工藝布局方面的特點(diǎn),闡述了Interbus現(xiàn)場總線讓項目規(guī)劃和調(diào)試更加高效的技術(shù)特點(diǎn)以及INTERBUS在傳統(tǒng)領(lǐng)域——-汽車工業(yè)中的技術(shù)優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞:INTERBUS 現(xiàn)場總線 汽車工業(yè) 總線診斷 生產(chǎn)控制
1.汽車制造業(yè)對控制系統(tǒng)的要求
汽車制造業(yè)是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過程。同時隨著汽車行業(yè)之間競爭的日益激烈,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。對于汽車項目而言,無論是新建項目,還是現(xiàn)有設(shè)備的擴(kuò)展和改造,在規(guī)劃和設(shè)計控制系統(tǒng)時都應(yīng)該有一個基本指導(dǎo)原則:采用最先進(jìn)的自動化技術(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)時間保證計劃產(chǎn)量的實(shí)現(xiàn)。
對汽車工業(yè)的控制系統(tǒng)的要求也有別于其他行業(yè)的自動控制系統(tǒng),因?yàn)槠嚬I(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場相對較復(fù)雜。例如焊裝工藝,就代表著汽車工業(yè)控制現(xiàn)場的一些典型特點(diǎn):
1.現(xiàn)場工作環(huán)境惡劣。焊接的過程中充斥著焊渣和焊接飛濺,更換焊槍電極頭也有可能會有水流的噴射,這些對設(shè)備的防護(hù)等級提出了更高的要求。
2.強(qiáng)電磁干擾。焊接設(shè)備在焊接過程中的電磁干擾發(fā)射不僅會對電網(wǎng)造成污染,對連接 在同一電網(wǎng)中的用電設(shè)備造成影響和損壞,對設(shè)備品質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)通信和信號傳輸都是重大的考驗(yàn)。
3.現(xiàn)場I/O數(shù)量眾多且非常分散。每個工位夾具上都有相當(dāng)多的電磁閥需要驅(qū)動,眾多的夾爪汽缸上的夾緊和松開到位的信號需要收集。這些信號相對很分散,采集點(diǎn)都處在夾具的不同部位。
4.網(wǎng)絡(luò)從站數(shù)量多。在汽車項目規(guī)劃中,一般會使用現(xiàn)場總線技術(shù),也通常會使用IP67防護(hù)等級的一體化模塊,因?yàn)橐粋€一體化模塊就是一個節(jié)點(diǎn),所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一般都較多。例如一條主焊線,往往都有上百個節(jié)點(diǎn),如果使用機(jī)器人焊接,機(jī)器人還要占用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源。
汽車工業(yè)對控制系統(tǒng)提出了很高的要求,所以在規(guī)劃和設(shè)計生產(chǎn)線自控系統(tǒng)時我們必須考慮周全。要選擇最適合工藝布局和現(xiàn)場環(huán)境的現(xiàn)場總線協(xié)議,我們必須要保證:
1.眾多的I/O從站能夠經(jīng)濟(jì)合理的分布。
2.所有的站點(diǎn)能進(jìn)行方便的調(diào)試和直接簡單的網(wǎng)絡(luò)管理。
3.大量的控制信號能夠?qū)崟r穩(wěn)定的傳輸。
4.現(xiàn)場的各種故障能夠及時診斷和定位。
5.與其他系統(tǒng)的兼容性和技術(shù)升級的可操作性。
2.Interbus總線綜述
Interbus總線是世界上最早的現(xiàn)場總線,早在1984就由德國phoenix Contact公司研發(fā),1987年正式在漢諾威博覽會上展出。由于該總線的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展,已經(jīng)先后成為德國DIN19258標(biāo)準(zhǔn),EN50254歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)。
Interbus的各種性能參數(shù)非常貼近汽車生產(chǎn)實(shí)際的需要,是最早進(jìn)入汽車工業(yè)的現(xiàn)場總線,現(xiàn)在也是世界汽車行業(yè)最受歡迎的現(xiàn)場總線,其傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域就是汽車工業(yè)。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,Interbus作為自動化控制的解決方案正越來越多的應(yīng)用到其他領(lǐng)域,例如物流、造紙、印刷、食品和飲料、樓宇自動化、木材加工、裝配和機(jī)器人應(yīng)用、機(jī)械工程、工廠自動化、以及過程控制。應(yīng)用的工程數(shù)量達(dá)到78萬多個,應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)量居全球第二。
Interbus可以這樣迅速的發(fā)展,是因?yàn)檫@個總線協(xié)議確實(shí)有它自己的特點(diǎn)。Interbus總線傳輸距離最長達(dá)到12.8公里(雙絞線),兩個從站間距就可以達(dá)到400米(雙絞線),單主站最多可連接255個從站,恒定的傳輸速率500Kbps時,掃描4096個I/O點(diǎn)的時間為7.8毫秒??偩€采用獨(dú)特的環(huán)型組網(wǎng)形式和傳輸協(xié)議,它具備其他總線所沒有的準(zhǔn)確的故障定位、詳實(shí)的故障信息。三種傳輸媒介在從站間可以混合使用,有效數(shù)據(jù)傳輸效率高達(dá)52% 。 即插即用、無須設(shè)定地址、無須終端電阻。這里很多特性都是Interbus所獨(dú)有的,這些特性在很多工藝場合可以體現(xiàn)出它獨(dú)有的優(yōu)勢,也正是因?yàn)檫@樣,Interbus總線協(xié)議才能成為世界汽車行業(yè)最受歡迎的現(xiàn)場總線。
3.Interbus總線給汽車工業(yè)帶來了什么
Interbus總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常的靈活,可以任意的接分支,分支上面還可以再接若干分支,一直可以拓?fù)?6層,這樣使設(shè)計和施工都變得非常的靈活。汽車工業(yè)中很多工藝都會用到懸鏈,滾床,利用這種靈活的分支技術(shù),一段懸鏈、一路滾床,或者一個夾具工位都可以做成一個網(wǎng)絡(luò)分支,這樣就避免了一根總線繞到底的情況,既提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,又節(jié)省了總線電纜。還可以從邏輯上對每個分支進(jìn)行單獨(dú)控制。較長的傳輸距離和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也使用戶在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時非常的寬松,靈活,方便。使用其他總線協(xié)議往往在距離、站數(shù)、站點(diǎn)分布這方面會有一些技術(shù)束縛,Interbus可以讓用戶解脫出來。
Interbus的調(diào)試和網(wǎng)絡(luò)管理非常的方便。每一個總線設(shè)備,都有一個識別寄存器,在總線啟動的第一個周期,主站就可以讀取存儲在所有連接在總線網(wǎng)絡(luò)上的識別寄存器數(shù)據(jù),從而識別每一個總線設(shè)備。所以這里就不需要硬件設(shè)址,在硬件安裝好后,用組態(tài)軟件讀取識別寄存器數(shù)據(jù),就可以把硬件組態(tài)讀上來。在網(wǎng)絡(luò)調(diào)試時可以任意的關(guān)斷某個網(wǎng)絡(luò)分支或者站點(diǎn)。這樣,根據(jù)工藝段的不同,把現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分支分段管理非常的方便,比如我們把一個夾具工位做成一個分支,這樣就可以分開調(diào)試,分開管理,即使某個工位有網(wǎng)絡(luò)故障也不影響其他工位的調(diào)試或者生產(chǎn)。也可以把每個工位的幾臺焊接機(jī)器人作為一個Interbus總線分支進(jìn)行管理,把機(jī)器人和夾具的控制系統(tǒng)分開管理。這樣,對現(xiàn)場的調(diào)試以及后期設(shè)備維護(hù)和升級都是非常有幫助的。
下面我們來看看神龍汽車在采用Interbus總線之后,網(wǎng)絡(luò)分支管理在現(xiàn)場輸送設(shè)備上的一個應(yīng)用實(shí)例。系統(tǒng)的控制功能和工藝流程這里不多說,我們主要來看看在采用Interbus總線協(xié)議之后,為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理和方便后期設(shè)備維修,設(shè)備網(wǎng)絡(luò)是如何規(guī)劃。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下所示:
圖中:
MASTER——主站,PLC或是INTERBUS控制卡。
BK——INTERBUS耦合器,即一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),也叫從站。
RB——擴(kuò)展在耦合器后面的分支模塊。本例中擴(kuò)展了10塊。
MD——馬達(dá)啟動器。
現(xiàn)場一共有十個滾床輸送段,做成2層網(wǎng)絡(luò),第2層網(wǎng)絡(luò)有10個分支。設(shè)計者在主控柜中的第一個從站的耦合器(BK)之后就擴(kuò)展了10個分支模塊(RB),每個RB后面再通過INTERBUS總線連接“BK”或馬達(dá)啟動器,上例中每個滾床配置一臺馬達(dá)啟動器用來驅(qū)動滾床電機(jī),所有驅(qū)動控制信號通過INTERBUS總線傳輸,MD上帶有數(shù)字量輸入接口,現(xiàn)場的傳感器通過MD傳到PLC。用來驅(qū)動各自工藝段的電機(jī)和收集輸入信號。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常清楚,每段分支,每個設(shè)備都可以單獨(dú)的關(guān)斷單獨(dú)調(diào)試。這樣的結(jié)構(gòu),對設(shè)備的調(diào)試和管理而言,無疑是最方便的。
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(從站1)主控柜[/align]
總線采用的差分傳輸技術(shù),對干擾信號具有很強(qiáng)的免疫力,再加上Interbus總線使用“面向?qū)ο蟆钡臄?shù)據(jù)傳輸形式,采用串行移位的方式,進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn),以集總幀的傳輸形式大大降低傳輸出錯的可能性,最大程度上提高了傳輸?shù)男剩剐盘柕膫鬏敺浅5目煽亢头€(wěn)定。與其他協(xié)議相比,Interbus協(xié)議尤其適用于存在著強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境,而汽車工業(yè)的焊裝車間正是一個這樣的現(xiàn)場。當(dāng)然,其他的工藝段也同樣要求信號傳輸?shù)目煽?,同樣需要穩(wěn)定的總線協(xié)議。
在汽車工業(yè)中,控制點(diǎn)相對較多,自動化程度高,現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣,線路也較復(fù)雜,和其他行業(yè)的生產(chǎn)控制相比,故障率相對偏高。這樣,對于維護(hù)人員和設(shè)備的診斷功能都提出了較高的要求。準(zhǔn)確的故障定位和詳實(shí)故障信息是Interbus總線所具有的非常重要的一個特點(diǎn)。它獨(dú)特的環(huán)形傳輸協(xié)議與強(qiáng)大的自診斷功能決定了這一特點(diǎn)。這是其他樹形總線所不能做到的,不需要任何處理,控制卡自帶的LCD顯示屏就可以直接顯示出故障的類型、位置、和代碼,根據(jù)故障代碼可以在診斷手冊上查到故障產(chǎn)生的原因和處理的方法。這樣對網(wǎng)絡(luò)上的斷路、短路、過壓、電磁干擾等等都可以準(zhǔn)確的定位診斷,再配以IBS Diag+這款通用型的總線診斷軟件,可以對網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備進(jìn)行診斷,包括總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量都可以量化出來。
隨著自動化技術(shù)的發(fā)展,Interbus與Profibus兩大國際組織一起研發(fā)的Profinet可能是未來工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的趨勢,Interbus協(xié)議對于Profinet也是全透明的,Interbus升級到Profinet系統(tǒng),除增加一個硬件網(wǎng)關(guān)外,不需要作任何的改動。所以,從系統(tǒng)的兼容性和技術(shù)升級方面來講,Interbus沒有任何的技術(shù)門檻。
4.結(jié)束語
從Interbus總線協(xié)議誕生至今,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)量已經(jīng)超過800萬個,尤其在汽車行業(yè),是很多行業(yè)巨頭選擇的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),如大眾、寶馬、戴姆勒.克萊斯勒、保時捷等等。同時在國內(nèi)的一汽、二汽、上汽、長安等幾個集團(tuán)中也有相當(dāng)多的工廠采用Interbus現(xiàn)場總線進(jìn)行生產(chǎn)控制,Interbus在國內(nèi)有著越來越多的用戶。可見Interbus在汽車工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的影響是非常深遠(yuǎn)的,Interbus現(xiàn)場總線服務(wù)于汽車行業(yè),同時也見證了世界汽車工業(yè)的發(fā)展和成長,可以說,Interbus是汽車工業(yè)的忠實(shí)伙伴。
參考文獻(xiàn):
1. JB/T1038.8-2005《工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型8:INTERBUS規(guī)范》
2. Alexander Busing,Holger Meyer《INTERBUS Standard Practices》
作者:南京菲尼克斯電氣有限公司 胡圣豪