PROFIBUS總線在汽車涂裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

敖世海

（帝豪汽車有限公司涂裝廠 浙江慈溪）

1.前言

涂裝車間生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要采用“集中監(jiān)測(cè)，分散控制”的典型控制模式，依據(jù)這一原則，將整個(gè)涂裝車間生產(chǎn)設(shè)備的控制系統(tǒng)分為2層網(wǎng)絡(luò)（工業(yè)以太網(wǎng)＋PROFIBUS總線），3個(gè)層次（監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層）。每個(gè)層次中使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。結(jié)合目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)自動(dòng)化水平和汽車行業(yè)的實(shí)際運(yùn)作方式，選擇在業(yè)內(nèi)應(yīng)用成熟，技術(shù)先進(jìn)可靠，功能實(shí)用的工業(yè)以太網(wǎng)+PROFIBUS總線控制。

2.PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP、PROFIBUSFMS、PROFIBUS-PA等3個(gè)兼容版本，支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)。

PROFIBUS-DP適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信設(shè)計(jì)，在過程自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用。該總線有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率，特別適用于系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信，遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)尤為合適。它允許高速周期性的小批量數(shù)據(jù)通信，適用于對(duì)時(shí)間要求比較高的自動(dòng)化場(chǎng)合。總線上的設(shè)備一般為主站與從站配置，允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。多主站系統(tǒng)一般對(duì)主站數(shù)量有一定的限制，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理等。

PROFIBUS-DP協(xié)議結(jié)構(gòu)定義了第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈層和用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同DP設(shè)備的行為，對(duì)第三至第七層未加描述。

3.涂裝生產(chǎn)線的組成結(jié)構(gòu)

（1）工業(yè)以太網(wǎng)（圖1）。由兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、7臺(tái)工業(yè)交換機(jī)采用光纖通信與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（PLC）、SIMATIC WINCC監(jiān)控系統(tǒng)組成一個(gè)局域網(wǎng)，對(duì)車間內(nèi)各個(gè)PLC的運(yùn)行信息向計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和集中監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)完整可靠的中控系統(tǒng)。

圖1 涂裝中控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（2）PROFIBUS總線。涂裝車間自動(dòng)化生產(chǎn)線主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、PROFIBUS 總線適配卡、PLC（S7-300）、PROFIBUS 總線網(wǎng)絡(luò)組成。

4.PROFIBUS總線的應(yīng)用

PROFIBUS總線在汽車涂裝生產(chǎn)線主要運(yùn)用于輸送系統(tǒng)、AVI識(shí)別控制系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)變頻器通信。輸送系統(tǒng)分布在整個(gè)涂裝車間，控制比較分散。按照輸送方式可分為：滑橇輸送系統(tǒng)（1～4）、前處理懸掛鏈輸送系統(tǒng)及噴膠摩擦式懸掛輸送系統(tǒng)。以滑橇輸送系統(tǒng)2為例，其控制系統(tǒng)如下。

PROFIBUS-DP遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)絡(luò)組態(tài)：PLC CPU 319-3 PN/DP，Y 遠(yuǎn) 程 I/O終端模塊選用的是ET200S的IM151-1 HF模塊，訂貨號(hào)為6ES7-151-1BA02-0AB0。在組態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)之前應(yīng)將遠(yuǎn)程I/O模塊依次固定安裝在導(dǎo)軌之上，然后再組建網(wǎng)絡(luò)。

圖2 新建項(xiàng)目

（1）創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目如圖2所示，填入名稱HQ-2，單擊確定，出現(xiàn)圖3組態(tài)畫面。單擊項(xiàng)目名稱前面的+號(hào)，選中SIMATIC 300。然后雙擊SIMATIC 300RACK-300，將機(jī)架（RAIL）拖入到左邊空白處生成空機(jī)架。

（2）配置主站，在圖3中雙擊HQ-2的“硬件”，進(jìn)行硬件組態(tài)，依次將電源、CPU和各種所需的模塊插入機(jī)架里。

圖3 插入1個(gè)300站點(diǎn)

雙擊“MPI/DP”接口，新建一條PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定PROFI-BUS網(wǎng)絡(luò)主站地址（設(shè)為2），選擇網(wǎng)絡(luò)的通信速率1.5 Mbit/s和DP行規(guī)。將分布式I/O ET200S掛接到主站的PROFIBUS-DP的電纜上，如圖4所示對(duì)話框。

根據(jù)IM 151-1物理模塊上的實(shí) 際地址（由模塊上的撥碼開關(guān)設(shè)定）配置IM151-1在PROFI-BUSDP網(wǎng)內(nèi)的站地址，雙 擊圖 4中 的IM151-1模塊，出現(xiàn)圖5所示對(duì)話框。單擊圖5中的PROFIBUS按鈕后，設(shè)定IM151-1在“PROFIBUS（1）”內(nèi)的站地址為10（與實(shí)際硬件設(shè)定保持一致），單擊“確定”后回到硬件組態(tài)畫面（圖6）。

（3）分布式I/O ET200S的配置，單擊圖6中的IM151-1模塊在對(duì)話框下半部分的空白槽內(nèi)依次插入ET200S遠(yuǎn)程模塊。根據(jù)設(shè)備情況，按照實(shí)際模塊的訂貨號(hào)和在導(dǎo)軌上的順序來組態(tài)。根據(jù)實(shí)際硬件IM151-1模塊配置如下：2個(gè)PM-E DC 24 V、2個(gè) 4/8 F-ID DC 24 V、4 F-DO DC 24 V/2 A、6個(gè) 8DI DC 24 V、2個(gè) 8DO DC 24 V/0.5 A、6個(gè) 4DO DC 24 V/0.5 A ST。按上述步驟對(duì)每個(gè)I/O遠(yuǎn)程模塊組態(tài)，將滑橇輸送系統(tǒng)2連接到兩條PROFIBUS-DP總線上形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)再與連接交換機(jī)直接和中控服務(wù)器連接交換傳遞數(shù)據(jù)（圖7）。

圖4 插入IM151-1模塊到總線電纜

圖5 配置IM151-1的屬性

圖6 IM151-1的各種遠(yuǎn)程I/O模塊

圖7 HQ2 PLC組態(tài)監(jiān)控界面

5.PROFIBUS數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則

S7-300在PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)的吞吐量等相關(guān)要求，可以組建不同的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)不打包通信和打包通信。打包通信需要調(diào)用系統(tǒng)功能（SFC）。STEP7提供了兩個(gè)系統(tǒng)功能（SSFC14和SFC15）來完成數(shù)據(jù)的打包和解包功能。不打包通信可直接利用傳送指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫，但每次最大只能讀寫4個(gè)字節(jié)（雙字）。

涂裝車間確保數(shù)據(jù)通信快速準(zhǔn)確，都采用打包通信的方式，利用STEP7提供的兩個(gè)系統(tǒng)功能SFC15和SFC14來完成數(shù)據(jù)的打包和解包功能。SFC15是對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并傳給發(fā)送區(qū)，SFC14是對(duì)接收的數(shù)據(jù)經(jīng)常解包，并轉(zhuǎn)存至系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)。

滑橇輸送系統(tǒng)（1、3、4）、前處理懸掛鏈輸送系統(tǒng)及噴膠摩擦式懸掛輸送系統(tǒng)的總線控制組態(tài)同滑橇輸送系統(tǒng)2的組態(tài)相同。現(xiàn)場(chǎng)控制柜與遠(yuǎn)程I/O模塊用PROFIBUS-DP總線通信方式連成幾套總線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)后，再與圖1中的交換機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)連成中控系統(tǒng)。

6.結(jié)論

涂裝電控系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線+工業(yè)以太網(wǎng)控制，體現(xiàn)出集中監(jiān)測(cè)，分散控制的典型控制模式，達(dá)到了目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)自動(dòng)化先進(jìn)水平。整個(gè)電控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，反應(yīng)迅速準(zhǔn)確，能夠及時(shí)提供生產(chǎn)線狀況和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能夠快速將各個(gè)設(shè)備故障信息傳送到中控室進(jìn)行報(bào)警。每個(gè)電控子系統(tǒng)具有系統(tǒng)的獨(dú)立性、完整性和工藝符合性。