基于Profibus現場總線的車間生產過程自動化管理

摘 要:為加強汽車總裝車間生產組織過程的管理，使相關信息目視化，傳遞快捷化，工序過程透明化，提高生產組織效率，擬建立該系統。該系統作為生產全過程組織的一個輔助工具，能實現快速的申請呼叫、設備控制、信息傳遞、實時顯示、統計分析、報表生成等，就工序作業、設備狀態、質量問題、供應情況等過程進行實時信息傳遞和管理，對生產全過程構成支持。

關鍵詞:Profibus現場總線;工業以太網;ANDON看板;TPS生產方式

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-171-03

Automation Management of Workshop Production Based on Profibus Fieldbus

CHENG Fengqin，TIAN Rui，LI Lin，YU Qiuhong

(Jilin Architectural and Civil Engineering Institute，Changchun，130111，China)

Abstract:In order to strengthen the management of automobile equipment workshop，making the related information visual，transmitting quickly，making production process transparent，enhancing the production efficiency，this system is set up.This system can control equipment，transmit information，take statistics and analysis，generate report and so on，which support the whole process of production.

Keywords:profibus fieldbus;industrial Ethernet;ANDON;TPS(Toyota Production System)

0 引 言

汽車制造業是典型的多工種、多工藝、多物料的大規模生產過程。同時隨著汽車行業之間競爭的日益激烈，各生產廠家都普遍面臨著提高生產效率、降低生產成本、提高生產管理水平等種種壓力。對于汽車項目而言，無論是新建項目，還是現有設備的擴展和改造，在規劃和設計控制系統時都應該有一個基本指導原則:采用最先進的自動化技術和產品，從而最大程度減小系統集成和調試時間、降低投資成本，方便生產運行階段的維護與工藝調整;提高各工藝設備系統的穩定性，減少故障停機時間保證計劃產量的實現。

西門子公司的Profibus現場總線網絡技術為這個系統提供了一個完整的解決方案[1-3]。在過去的十多年里，隨著生產車間自動化和過程自動化中分散化結構的迅速增長，現場總線系統的應用日益普遍[4-6]。其原因之一是現場總線系統實現了數字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調節裝置與可編程邏輯控制器(PLC)和PC之間的數據傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現場設備附近，使安裝和布線的費用開銷減少到最小，從而使成本費用大大的節省。其原因之二是標準化的現場總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產的分散I/O裝置和現場設備。

Profibus現場總線系統的結構是透明和開放的。只有這樣，工程師們才可能從市場上大量可供應的現場設備和部件中選擇最佳的產品組成他們自己的系統。現場總線Profibus滿足了生產過程現場級數據可存取性的重要要求。一方面它覆蓋了傳感器/執行器領域的通信需求，另一方面又具有單元級領域的所有網絡通信功能。特別在“分散I/O”領域[7，8]，由于有大量的、種類齊全的、可連接的現場設備可供選用，同時該總線系統又提供了豐富的設備診斷信息，操作員可以直接通過監控計算機了解整個車間系統設備的健壯性，為故障的判斷提供直截了當的輔助手段，大大減少了故障的排除時間。

有了Profibus現場總線系統的電氣技術方面的保證，并且在設計中融入了先進的TPS生產管理理念，從而使總裝車間的信息傳遞、物流狀況等實時地展現在管理者和操作者的面前，及時有效地提高了管理水平，減少了故障停線頻率，保證了汽車的質量。

1 系統的技術要求及功能概述

1.1 管理職能

該系統作為轎車總裝車間信息傳遞的一個子系統，要求實現如下過程的管理職能:

(1) 工序作業管理

各工序可以由操作者通過系統進行支援呼叫和必要信息的遠程傳遞，如維修、供應、工藝、質量等，使工序過程透明化。并對各區域、各類別呼叫進行分類統計分析。

(2) 設備狀態管理

在線主體及關鍵設備可以通過對人工呼叫、設備信號提取等方式，確認設備生產運行狀態、維修需求等，以進行相關的指示、播報，并對主生產線的停線工時進行分析和報表統計。

(3) 質量管理

系統能通過人工呼叫、設備控制信息采集等方式，確認可能嚴重影響產品質量的裝配過程，對影響過程和位置進行實時申報，并在必要時控制停線，同時進行數據庫記錄存儲、查詢和統計、分析。

(4) 供應(物流控制)管理

對物流配送的需求進行實時呼叫，并給物流系統直觀提示;對生產線節拍進行提示，為物流配貨提供支持;就物流對生產過程的影響進行實時記錄，并統計及生成有關報表分析。

(5) 節拍管理

系統通過節拍提示屏進行節拍進程提示，結合必要的預警音樂，作為操作工人和物流配貨的工作提示。

(6) 停線管理

對如下幾種情況賦予系統停線權限:

① 在主裝配線(一次內飾、底盤線、二次內飾)工位呼叫發出后，車到整車位沒有消除呼叫時。

② 設備限制不可以越位裝配的，在到達位置限制點時。

③ 重要質量問題停線，如漏裝、裝配不合格等。

④ 計劃停線，即按照生產計劃的停線，如產量完成停線，休息時間停線等。

⑤ 停線原因的統計與報表:系統具備對各類停線進行統計和匯總分析的能力，并能夠生成相關報表。同時核算主線開動率。

(7) 環境管理

系統除常規工位狀態顯示外，能夠進行生產計劃、完成產量、停臺、日歷、時間等有關信息顯示，并能有選擇地通過廣播系統播放多種背景音樂。

1.2 信息輸出形式

系統信息采用如下五種方式輸出:

(1) LED雙基色顯示屏

規格大小為:4 000 mm×2 000 mm，雙面顯示;對生產工位狀態、生產狀況(生產計劃數量、完成產量等) 有關信息進行綜合顯示。該方式是系統輸出的主要途徑。

(2) 電腦終端

設置電腦終端，并賦予不同的權限，進行信息顯示、匯總分析、設置和系統管理等。該方式是系統輸出和管理的主要手段。在終端預留以太網接口，以便將車間級信息通過Internet共享。

(3) 聲音報警

對重要的呼叫內容，在顯示屏附近和現場關鍵點設置聲音報警。該方式是系統輸出的輔助手段。

(4) 燈光報警

對重要的呼叫內容，在顯示屏附近設置轉燈報警，所有拉線點設置燈光指示。該方式是系統輸出的輔助手段。

2 系統組成

2.1 系統硬件的組成

以Profibus總線為網絡結構的PLC控制系統如圖1所示。

(1) 主控柜單元

本單元包括PLC-CPU、HMI、以太網接口及Profibus主站單元。

CPU主要負責信息的處理及保存，并通過以太網接口將信息發送到廠級以太網[9，10]，使總裝車間內的生產信息共享。同時PLC接收來自廠級指令系統的指令，來自動調節生產節拍，保證生產計劃的按時完成。

圖1 以Profibus總線為網絡結構的PLC控制系統圖

(2) 生產呼叫單元

用于生產過程中，操作工人的實時支援呼叫，包括呼叫班長、維修、品質、工藝、物流人員。可以實現呼叫信息的快速傳遞，減少求助時間，對準時化(JIT)生產作業構成支持。本單元包括72點拉線(工位拉線呼叫)、10個觸摸屏(分類呼叫觸摸屏)及相關控制系統。當生產人員因有呼叫請求時立即拉下該工位的拉線呼叫開關，班長了解需求后，在觸摸屏進行二次分類呼叫。呼叫分類有維修、品質、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控制系統，用于直觀顯示拉線呼叫工位、呼叫類型、重要設備狀態、輸送線狀態等信息。當拉線呼叫動作時PLC自動記錄呼叫工位以及呼叫分類等信息，并且能夠實時記錄當主線上設備發生故障的設備代碼。然后通過遠程輸出口點亮ANDON看板上的指示燈，來及時提醒相關人員進行相應的作業。

(4) 輸送線的控制單元

本單元包括Profibus-PA元件、變頻器、變頻電機等主要元件。節拍ANDON是JIT(準時化)生產的有力保證，生產線上的操作員以節拍提示為參考，在規定時間內完成規定的工作任務，做到了準時化生產。輸送線的控制在此單元中尤為重要，其控制速度與生產節拍相吻合，生產節拍已定則其速度也就自動調整為與節拍相應的速度，如圖2所示。

圖2 輸送線的控制單元

圖2中:X1(s)為生產節拍指令;X2(s)為變頻器輸入控制指令;Y1(s)為馬達控制信號;Y2(s)為輸送線速度。

(5) 設備管理單元

該單元主要通過輸入口采集設備的狀態、工作結果等相關信息。 當設備出現故障或工作結果不合格等重要信息時，ANDON看板給予提示，并停止運送線，從而避免了裝配質量的不良品流入下一工序。

2.2 系統軟件的設計

軟件設計流程圖如圖3所示。

系統的程序開發是在SIEMENS公司STP7 V5.3下進行的，該編譯器功能非常強大，能對語句、功能塊、梯形圖混合編譯，并支持在線調試。

圖3 軟件設計流程圖

3 結 語

本系統的開發應用，將能充分發揮上層系統調度、優化、決策的功能，更容易構成計算機集成制造系統(CIMS)并更好地發揮其作用。有利于企業實施綜合自動化策略，使企業從粗放型向集約化轉化。這套系統自運行以來，穩定性非常好，未出現網絡故障。

參考文獻

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