劉 波，酆亞楠，王 騰，邵長斌

(北京機電研究所，北京 100083)

現(xiàn)場總線在復(fù)合材料生產(chǎn)線的應(yīng)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(fù)合材料生產(chǎn)線采用Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和Safetybus p安全總線系統(tǒng)，兩個獨立系統(tǒng)分別運行，前者負責整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)運行，后者負責整個生產(chǎn)線的安全監(jiān)測及執(zhí)行，提高了生產(chǎn)線自動化程度、工藝穩(wěn)定性及安全性。

復(fù)合材料在線生產(chǎn)；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(yè)的蓬勃發(fā)展，在滿足現(xiàn)有轎車質(zhì)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(yīng)用越來越廣泛。以往在高端轎車應(yīng)用的復(fù)合材料也逐漸向中低端擴展，工業(yè)化、標準化的生產(chǎn)需求逐步增強?，F(xiàn)有的復(fù)合材料生產(chǎn)多為單機設(shè)備生產(chǎn)，過多依賴人的參與，輔助時間過長、效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性難以保證?；诂F(xiàn)場總線自動化系統(tǒng)，將各個單機設(shè)備通過Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)連接起來，通過對各個設(shè)備監(jiān)控和控制，有機協(xié)調(diào)設(shè)備間運行，提供穩(wěn)定高效的工業(yè)化復(fù)合材料產(chǎn)品。

該復(fù)合材料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用了西門子Profibus-DP現(xiàn)場總線，極大提高生產(chǎn)線穩(wěn)定性和可靠性。安全系統(tǒng)采用皮爾磁Safetybus p安全總線系統(tǒng)并安裝安全柵欄，則區(qū)分工作和非工作區(qū)，同時實時監(jiān)測設(shè)備急停及安全門鎖，生產(chǎn)中安全性也顯著提高。

2 設(shè)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(fù)合材料的壓制成型。

3 動作流程

要提高此類產(chǎn)品的工業(yè)化、自動化生產(chǎn)水平，根據(jù)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(wěn)定，根據(jù)以上問題，發(fā)揮工業(yè)自動化生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定、工藝一致性特點，從而能生產(chǎn)出性能優(yōu)良、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的復(fù)合材料產(chǎn)品。該生產(chǎn)線動作流程圖如圖1所示。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和Safetybus p安全總線系統(tǒng)，兩個獨立系統(tǒng)分別運行。前者負責整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)運行,后者負責整個生產(chǎn)線的安全監(jiān)測及執(zhí)行。二者運行可以滿足高效可靠生產(chǎn)，其生產(chǎn)事故發(fā)生概率也明顯降低。

4.1 Profibus-DP現(xiàn)場總線

Profibus-DP現(xiàn)場總線是滿足自動化工廠中分布式I/O與現(xiàn)場設(shè)備之間所需要的高速數(shù)據(jù)通訊，可滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，傳輸速率高，價格低廉、穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)上的站點按照地址順序組成一個邏輯拓撲環(huán)。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(shù)據(jù)的操作。

圖1 動作流程圖

如圖2所示Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)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(tài)信號。診斷中繼器的采用主要是用于網(wǎng)絡(luò)診斷，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時提示報警。DP/DP耦合器用于連接兩個不同Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，通訊速率和站地址都可以不同。最為重要的是一個網(wǎng)絡(luò)的故障不會影響另一個網(wǎng)絡(luò)的運行。

圖2 總控網(wǎng)絡(luò)圖

4.2 主控單元

主控可編程控制器系統(tǒng)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(zhí)行時間為25 ns，字操作時間為30 ns。以上性能滿足該控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠的快速響應(yīng)的要求。將該PLC作為控制系統(tǒng)主站，通過Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)與ET200及經(jīng)由DP/DP耦合器與單機設(shè)備組成控制網(wǎng)絡(luò)。

5 安全系統(tǒng)

5.1 Safetybus p安全總線

Safetybus p安全總線是基于CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)，帶有線性總線拓撲結(jié)構(gòu)的事件驅(qū)動多主機系統(tǒng)。即信息只在分散的I/O或總線用戶狀態(tài)改變時發(fā)送。

其的優(yōu)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(qū)動，更短的反應(yīng)時間；

(3)與所有通用標準場地總線都可連接；

(4)分散式結(jié)構(gòu)減少配線工作。

如圖3所示該項目Safetybus p網(wǎng)絡(luò)負責將各個單機設(shè)備急停、安全門急停及安全門鎖的狀態(tài)傳送至安全PLC，根據(jù)安全PLC內(nèi)部編寫的程序邏輯運算后將安全信號輸出至相關(guān)設(shè)備，從而使相關(guān)設(shè)備根據(jù)輸出的安全門和急停狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)的雙CPU處理安全程序。每個輸入信號經(jīng)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(jié)果，若兩者計算結(jié)果相同則信息將轉(zhuǎn)到輸出模塊。若計算結(jié)果不同，系統(tǒng)將進入安全狀態(tài)—立即關(guān)閉所有的輸出端。

圖3 安全網(wǎng)絡(luò)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(shè)備急停輸入和安全門鎖雙回路輸入信號，根據(jù)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(tǒng)以上特點和優(yōu)勢，再將生產(chǎn)線各個單機設(shè)備組成的工作區(qū)域安裝安全柵欄、安全門，并在門上設(shè)置急停按鈕及電子門鎖，從而有效隔離工作和非工作區(qū)。任何人員在設(shè)備生產(chǎn)運行中無法進入生產(chǎn)區(qū)域，以上措施將極大降低生產(chǎn)事故的發(fā)生。

圖4 觸摸屏示意圖

6 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

實際生產(chǎn)中操作人員對生產(chǎn)線狀態(tài)要求實時掌握、問題的處理要求集中便捷操作，應(yīng)用人機界面對操作人員實現(xiàn)以上要求來說至關(guān)重要。人機界面的使用也可減少生產(chǎn)線操作人員的數(shù)量，并且有機的將人與系統(tǒng)有效的連接起來。

該生產(chǎn)線選用西門子MP377 12寸觸摸屏作為現(xiàn)場操作的人機界面，通過自帶的DP通訊接口，經(jīng)由Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與主控PLC相連。使用wincc-flexible軟件將網(wǎng)絡(luò)中各個單機設(shè)備準備就緒條件、故障報警、參數(shù)設(shè)置及I/O監(jiān)控等信息在人機界面上顯示。

它能滿足以下要求：

(1)生產(chǎn)過程狀態(tài)實時監(jiān)控；

(2)操作人員可便捷控制；

(3)參數(shù)設(shè)置；

(4)報警及報警記錄；

(5)產(chǎn)品配方功能。

圖4所示整個復(fù)合材料生產(chǎn)線觸摸屏示意圖，顯示各個設(shè)備就緒條件、安全門、門鎖等狀態(tài)。

7 結(jié) 語

該復(fù)合材料生產(chǎn)線的投入使用，實現(xiàn)了工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍從人工的不確定性提高至50 s以內(nèi)，生產(chǎn)效率得到提高，工藝更加穩(wěn)定可靠；同時模具的更換可以控制在1 h以內(nèi)，從而產(chǎn)品的更換更加快速。該生產(chǎn)線可應(yīng)用于汽車零部件等大規(guī)?，F(xiàn)代化生產(chǎn)。復(fù)合材料不僅僅是轎車、新動力、新型建材、信息工業(yè)、石油化工、綠色環(huán)保等范疇更新?lián)Q代和工業(yè)晉級中的重要材料，也是航空航天高技術(shù)及頂級技術(shù)范疇的重要材料。全球面臨動力危機和資源缺少，復(fù)合材料又迎來了更為廣闊的應(yīng)用。

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Application of Fieldbus in Composite Production Line

LIU Bo，F(xiàn)ENG 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(fù)合材料自動化生產(chǎn)線制造。 E-mail：lbshoulder@163.com.