現場總線在復合材料生產線的應用

劉 波，酆亞楠，王 騰，邵長斌

(北京機電研究所，北京 100083)

現場總線在復合材料生產線的應用

劉 波，酆亞楠，王 騰，邵長斌

(北京機電研究所，北京 100083)

本文研制的復合材料生產線采用Profibus-DP現場總線控制系統和Safetybus p安全總線系統，兩個獨立系統分別運行，前者負責整個生產線的生產運行，后者負責整個生產線的安全監測及執行，提高了生產線自動化程度、工藝穩定性及安全性。

復合材料在線生產；Profibus-DP；Safetybus p；人機界面

1 引 言

隨著我國居民收入的提高和生活水平進一步提高，家用轎車行業的蓬勃發展，在滿足現有轎車質量和安全性的情況下對降低汽車自重、減少油耗需求越來越迫切，因而非金屬材料在汽車上的應用越來越廣泛。以往在高端轎車應用的復合材料也逐漸向中低端擴展，工業化、標準化的生產需求逐步增強。現有的復合材料生產多為單機設備生產，過多依賴人的參與，輔助時間過長、效率低、產品質量一致性難以保證。基于現場總線自動化系統，將各個單機設備通過Profibus-DP通訊網絡連接起來，通過對各個設備監控和控制，有機協調設備間運行，提供穩定高效的工業化復合材料產品。

該復合材料生產線控制系統采用了西門子Profibus-DP現場總線，極大提高生產線穩定性和可靠性。安全系統采用皮爾磁Safetybus p安全總線系統并安裝安全柵欄，則區分工作和非工作區，同時實時監測設備急停及安全門鎖，生產中安全性也顯著提高。

2 設備配置

雙螺桿擠出機——基料的配比及與玻纖融合；

同步傳送帶——高效出料；

機器人——物料的傳送；

液壓機——復合材料的壓制成型。

3 動作流程

要提高此類產品的工業化、自動化生產水平，根據其工藝流程得出動作流程十分重要。目前單機程度高、人工參與度大、工藝較不穩定，根據以上問題，發揮工業自動化生產節拍穩定、工藝一致性特點，從而能生產出性能優良、產品質量穩定的復合材料產品。該生產線動作流程圖如圖1所示。

4 控制系統

控制系統分為Profibus-DP現場總線控制系統和Safetybus p安全總線系統，兩個獨立系統分別運行。前者負責整個生產線的生產運行,后者負責整個生產線的安全監測及執行。二者運行可以滿足高效可靠生產，其生產事故發生概率也明顯降低。

4.1 Profibus-DP現場總線

Profibus-DP現場總線是滿足自動化工廠中分布式I/O與現場設備之間所需要的高速數據通訊，可滿足系統快速響應的要求，傳輸速率高，價格低廉、穩定可靠等特點。該總線物理層采用RS485傳輸方式，傳輸速率在9.6kbps到12Mbps。網絡上的站點按照地址順序組成一個邏輯拓撲環。令牌只在主站之間順序傳遞。持有令牌的主站可以在擁有令牌期間對屬于它的從站進行讀取數據的操作。

圖1 動作流程圖

如圖2所示Profibus-DP網絡負責交換傳遞總控與各單機間的所有控制信號，包括動作及狀態信號。診斷中繼器的采用主要是用于網絡診斷，實時監控網絡并在出現網絡故障時提示報警。DP/DP耦合器用于連接兩個不同Profibus-DP網絡，通訊速率和站地址都可以不同。最為重要的是一個網絡的故障不會影響另一個網絡的運行。

圖2 總控網絡圖

4.2 主控單元

主控可編程控制器系統采用西門子S7-CPU317系列，該可編程控制器處理器每條二進制指令執行時間為25 ns，字操作時間為30 ns。以上性能滿足該控制網絡系統可靠的快速響應的要求。將該PLC作為控制系統主站，通過Profibus-DP總線網絡與ET200及經由DP/DP耦合器與單機設備組成控制網絡。

5 安全系統

5.1 Safetybus p安全總線

Safetybus p安全總線是基于CAN現場總線系統，帶有線性總線拓撲結構的事件驅動多主機系統。即信息只在分散的I/O或總線用戶狀態改變時發送。

其的優點：

(1)得到EN954-1第四級和DIN V 19250的AK6級以及IEC 61508 SIL 3認證；

(2)事件驅動，更短的反應時間；

(3)與所有通用標準場地總線都可連接；

(4)分散式結構減少配線工作。

如圖3所示該項目Safetybus p網絡負責將各個單機設備急停、安全門急停及安全門鎖的狀態傳送至安全PLC，根據安全PLC內部編寫的程序邏輯運算后將安全信號輸出至相關設備，從而使相關設備根據輸出的安全門和急停狀態產生相應的處理。

5.2 安全主控單元

PSS安全PLC通過不同通道運行，即兩個不同廠家生產的雙CPU處理安全程序。每個輸入信號經由不同的通道映入CPU，信息于此被不同的處理器進行分析。然后對比結果，若兩者計算結果相同則信息將轉到輸出模塊。若計算結果不同，系統將進入安全狀態—立即關閉所有的輸出端。

圖3 安全網絡圖

該項目采用PSSU SB2 3006-3-ETH DP-S安全PLC以及多個PSS DI4DO4遠程安全I/O模塊組成，其中輸入模塊采集設備急停輸入和安全門鎖雙回路輸入信號，根據所編寫程序的邏輯運算輸出雙回路輸出急停和安全門信號。雙回路信號滿足EN954-1等級3的輸入出要求。

基于安全系統以上特點和優勢，再將生產線各個單機設備組成的工作區域安裝安全柵欄、安全門，并在門上設置急停按鈕及電子門鎖，從而有效隔離工作和非工作區。任何人員在設備生產運行中無法進入生產區域，以上措施將極大降低生產事故的發生。

圖4 觸摸屏示意圖

6 生產監控系統

實際生產中操作人員對生產線狀態要求實時掌握、問題的處理要求集中便捷操作，應用人機界面對操作人員實現以上要求來說至關重要。人機界面的使用也可減少生產線操作人員的數量，并且有機的將人與系統有效的連接起來。

該生產線選用西門子MP377 12寸觸摸屏作為現場操作的人機界面，通過自帶的DP通訊接口，經由Profibus-DP網絡與主控PLC相連。使用wincc-flexible軟件將網絡中各個單機設備準備就緒條件、故障報警、參數設置及I/O監控等信息在人機界面上顯示。

它能滿足以下要求：

(1)生產過程狀態實時監控；

(2)操作人員可便捷控制；

(3)參數設置；

(4)報警及報警記錄；

(5)產品配方功能。

圖4所示整個復合材料生產線觸摸屏示意圖，顯示各個設備就緒條件、安全門、門鎖等狀態。

7 結 語

該復合材料生產線的投入使用，實現了工業連續化生產，生產節拍從人工的不確定性提高至50 s以內，生產效率得到提高，工藝更加穩定可靠；同時模具的更換可以控制在1 h以內，從而產品的更換更加快速。該生產線可應用于汽車零部件等大規模現代化生產。復合材料不僅僅是轎車、新動力、新型建材、信息工業、石油化工、綠色環保等范疇更新換代和工業晉級中的重要材料，也是航空航天高技術及頂級技術范疇的重要材料。全球面臨動力危機和資源缺少，復合材料又迎來了更為廣闊的應用。

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Application of Fieldbus in Composite Production Line

LIU Bo，FENG Ya’nan，WANG Teng，SHAO Changbin

(Beijing Research Institute of Mechanical and Electrical Technology,Beijing,China 100083)

In this paper, composite production line in the Profibus-DP fieldbus control system and Safetybus p safety bus system, operating two independent systems respectively. The former is responsible for the entire production line of production and operation in the latter is responsible for the entire production line safety monitoring and enforcement, the production line to improve the automatic degree, process stability and security.

online production of composites；Profibus-DP；Safetybus p；HMI

2015-02-11)

劉波(1980-)，男，北京人，本科，工程師。研究方向：復合材料自動化生產線制造。 E-mail：lbshoulder@163.com.