摘 要:為加強汽車總裝車間生產(chǎn)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(chǎn)組織效率，擬建立該系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為生產(chǎn)全過程組織的一個輔助工具，能實現(xiàn)快速的申請呼叫、設備控制、信息傳遞、實時顯示、統(tǒng)計分析、報表生成等，就工序作業(yè)、設備狀態(tài)、質(zhì)量問題、供應情況等過程進行實時信息傳遞和管理，對生產(chǎn)全過程構(gòu)成支持。

關鍵詞:Profibus現(xiàn)場總線;工業(yè)以太網(wǎng);ANDON看板;TPS生產(chǎn)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(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)有設備的擴展和改造，在規(guī)劃和設計控制系統(tǒng)時都應該有一個基本指導原則:采用最先進的自動化技術(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)運行階段的維護與工藝調(diào)整;提高各工藝設備系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少故障停機時間保證計劃產(chǎn)量的實現(xiàn)。

西門子公司的Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術(shù)為這個系統(tǒng)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(chǎn)車間自動化和過程自動化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應用日益普遍[4-6]。其原因之一是現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器(PLC)和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實際需要的現(xiàn)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(jié)省。其原因之二是標準化的現(xiàn)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(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場設備。

Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場設備和部件中選擇最佳的產(chǎn)品組成他們自己的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線Profibus滿足了生產(chǎn)過程現(xiàn)場級數(shù)據(jù)可存取性的重要要求。一方面它覆蓋了傳感器/執(zhí)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(wǎng)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(xiàn)場設備可供選用，同時該總線系統(tǒng)又提供了豐富的設備診斷信息，操作員可以直接通過監(jiān)控計算機了解整個車間系統(tǒng)設備的健壯性，為故障的判斷提供直截了當?shù)妮o助手段，大大減少了故障的排除時間。

有了Profibus現(xiàn)場總線系統(tǒng)的電氣技術(shù)方面的保證，并且在設計中融入了先進的TPS生產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)量。

1 系統(tǒng)的技術(shù)要求及功能概述

1.1 管理職能

該系統(tǒng)作為轎車總裝車間信息傳遞的一個子系統(tǒng)，要求實現(xiàn)如下過程的管理職能:

(1) 工序作業(yè)管理

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

(2) 設備狀態(tài)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(chǎn)運行狀態(tài)、維修需求等，以進行相關的指示、播報，并對主生產(chǎn)線的停線工時進行分析和報表統(tǒng)計。

(3) 質(zhì)量管理

系統(tǒng)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(chǎn)品質(zhì)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(shù)據(jù)庫記錄存儲、查詢和統(tǒng)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(tǒng)直觀提示;對生產(chǎn)線節(jié)拍進行提示，為物流配貨提供支持;就物流對生產(chǎn)過程的影響進行實時記錄，并統(tǒng)計及生成有關報表分析。

(5) 節(jié)拍管理

系統(tǒng)通過節(jié)拍提示屏進行節(jié)拍進程提示，結(jié)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(tǒng)停線權(quán)限:

① 在主裝配線(一次內(nèi)飾、底盤線、二次內(nèi)飾)工位呼叫發(fā)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(zhì)量問題停線，如漏裝、裝配不合格等。

④ 計劃停線，即按照生產(chǎn)計劃的停線，如產(chǎn)量完成停線，休息時間停線等。

⑤ 停線原因的統(tǒng)計與報表:系統(tǒng)具備對各類停線進行統(tǒng)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(huán)境管理

系統(tǒng)除常規(guī)工位狀態(tài)顯示外，能夠進行生產(chǎn)計劃、完成產(chǎn)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(tǒng)播放多種背景音樂。

1.2 信息輸出形式

系統(tǒng)信息采用如下五種方式輸出:

(1) LED雙基色顯示屏

規(guī)格大小為:4 000 mm×2 000 mm，雙面顯示;對生產(chǎn)工位狀態(tài)、生產(chǎn)狀況(生產(chǎn)計劃數(shù)量、完成產(chǎn)量等) 有關信息進行綜合顯示。該方式是系統(tǒng)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(quán)限，進行信息顯示、匯總分析、設置和系統(tǒng)管理等。該方式是系統(tǒng)輸出和管理的主要手段。在終端預留以太網(wǎng)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(nèi)容，在顯示屏附近和現(xiàn)場關鍵點設置聲音報警。該方式是系統(tǒng)輸出的輔助手段。

(4) 燈光報警

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

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)硬件的組成

以Profibus總線為網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)如圖1所示。

(1) 主控柜單元

本單元包括PLC-CPU、HMI、以太網(wǎng)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(wǎng)接口將信息發(fā)送到廠級以太網(wǎng)[9，10]，使總裝車間內(nèi)的生產(chǎn)信息共享。同時PLC接收來自廠級指令系統(tǒng)的指令，來自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，保證生產(chǎn)計劃的按時完成。

圖1 以Profibus總線為網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)圖

(2) 生產(chǎn)呼叫單元

用于生產(chǎn)過程中，操作工人的實時支援呼叫，包括呼叫班長、維修、品質(zhì)、工藝、物流人員?？梢詫崿F(xiàn)呼叫信息的快速傳遞，減少求助時間，對準時化(JIT)生產(chǎn)作業(yè)構(gòu)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(tǒng)。當生產(chǎn)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(zhì)、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(tǒng)，用于直觀顯示拉線呼叫工位、呼叫類型、重要設備狀態(tài)、輸送線狀態(tài)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?qū)崟r記錄當主線上設備發(fā)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(yè)。

(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(jié)拍ANDON是JIT(準時化)生產(chǎn)的有力保證，生產(chǎn)線上的操作員以節(jié)拍提示為參考，在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定的工作任務，做到了準時化生產(chǎn)。輸送線的控制在此單元中尤為重要，其控制速度與生產(chǎn)節(jié)拍相吻合，生產(chǎn)節(jié)拍已定則其速度也就自動調(diào)整為與節(jié)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(chǎn)節(jié)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(tài)、工作結(jié)果等相關信息。 當設備出現(xiàn)故障或工作結(jié)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(zhì)量的不良品流入下一工序。

2.2 系統(tǒng)軟件的設計

軟件設計流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)的程序開發(fā)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(diào)試。

圖3 軟件設計流程圖

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)的開發(fā)應用，將能充分發(fā)揮上層系統(tǒng)調(diào)度、優(yōu)化、決策的功能，更容易構(gòu)成計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)并更好地發(fā)揮其作用。有利于企業(yè)實施綜合自動化策略，使企業(yè)從粗放型向集約化轉(zhuǎn)化。這套系統(tǒng)自運行以來，穩(wěn)定性非常好，未出現(xiàn)網(wǎng)絡故障。

參考文獻

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及應用[M].北京:清華大學出版社，1999.

[2]劉良文，董鳴，趙紅洲，等.Profibus-DP現(xiàn)場總線性能分析[J].微計算機信息，2006，22(25):46-48.

[3]王承恕.現(xiàn)代通信網(wǎng)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[4]張運剛，宋小春.從入門到精通——西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信實戰(zhàn)[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[5]Josef Weigmann，Gerhard Kilian.Decentralization with Profibus DP/DPV1:Architecture and Fundamentals[Z].Configuration and Use with SIMATIC S7.2005.

[6]Siemens AG.WinCC v5 The Configuration Manual and the Communication Manual[Z].Germany:Siemens，2000.

[7]Profibus International.Profibus技術(shù)培訓[Z].1997.

[8]Siemens.Profibus-PA應用技術(shù)手冊[Z].2006.

[9]西門子公司.PDM V5.2 The Process Device Manager Manual[Z].2003.

[10]侯維巖，費敏銳.Profibus協(xié)議分析和系統(tǒng)應用[M].北京:清華大學出版社，2006.