本站原创摘 要：针对传统的现场总线在实际自动化控制系统应用中所出现的不足,文章详细探讨了工业以太网在工程流水线自动化控制系统中的应用.首先简要分析了工业以太网的特点,对基于工业以太网的流水线自动控制系统进行了功能设计,在此基础上给出了自动控制系统的结构设计方案和控制模式方案,重点从下位机PLC自动控制系统和上位机工业以太网网络系统两个角度详细设计研究了系统的技术实现,对于进一步提高工业以太网在工厂流水线自动控制系统中的应用管理水平具有较好的指导借鉴意义.
关 键 词：工业以太网；工厂流水线；自动化控制；系统设计
中图分类号：TH166文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）03-0027-02
在自动化控制领域,占绝对统治地位的是现场总线技术.尽管现场总线具有众多优势,但是随着生产规模的一再扩大,现场机电装备越来越多,需要实时监测和自动化控制的设备也越来越多,在这种背景下,现场总线已经无法完全满足现场众多机电装备的监控需求,而且由于现场总线是具有针对性的工业自动化控制总线,往往使得各个机电装备成为了“自动化控制孤岛”,彼此无法兼容通讯,给设备的后期维护管理带来不便.
随着以太网通信技术的飞速发展,工业以太网逐渐以其低廉的组网、兼容性较好的通信协议,以及一体化的联网技术而受到普遍应用,成为目前能够替代现场总线的最好选择之一.本论文主要结合汽车整车焊装PLC自动化控制流水线生产控制系统,对基于工业以太网的自动化控制系统进行设计研究,以期能够从中找到面向工厂流水线生产控制的工业以太网自动控制应用方式,并以此和广大同行分享.
1工业以太网概述
工业以太网在工业生产制造领域中,主要是作为生产制造自动化控制的基础平台,通过底层安装的传感设备,将机电装备的工作状态参数、工艺参数以及现场环境参数等关键参数检测出来,并通过工业以太网所支持的网络通信协议上传到工业以太网中进行网络传输.随着工业自动化技术的日益发展与进步,很多工业生产流水线都逐渐提出了更高的自动化控制的要求,例如要求实现监测与控制的一体化,要求实现无人值守等等,这些高难度控制要求的提出,在一定程度上都促进了工业以太网在工厂自动化控制领域中的应用,尤其是将工业以太网与PLC控制相结合,能够实现很多工厂自动化控制系统的功能建设需求.本课题重点以工业以太网和PLC相结合,以工厂流水线自动化控制为具体研究对象,深入探讨工业以太网在工厂流水线自动化控制系统中的应用.
2基于工业以太网的流水线自动控制系统设计
2.1功能模块设计
本论文以汽车整车焊装作为具体的研究对象来探讨工业以太网在流水线自动控制中的应用.汽车整车焊装具有较多的工艺流程,而且机电装备离散度较大,需要实时监测与控制的参数变量较大,因此采用工业以太网相较于采用现场总线具有很多优势.纵观整车焊装的流水线工艺流程,基于工业以太网实现的流水线自动控制系统应当具有以下几个主要功能：
①产品生产任务分派及调度.能够根据生产进度适当的调整生产资源分配,根据任务变化自动完成对流水线生产工艺的更改,以适应不同车型的自动焊装.
②电气控制和分析.通过在底层安装传感监测设备,实现对流水线焊装工艺流程的各个环节的监测与控制,并通过工艺数据库的分析,实现相关生产工艺参数的自动匹配和优化.
③顺序和逻辑控制功能.按照流水线自动化焊装的工艺流程,对整个焊装工艺流程实施顺序控制,利用PLC作为顺序逻辑控制器,实现众多机电设备在流水线自动焊装工艺过程中的顺序联动、启停控制及互锁等控制功能和逻辑判断功能.
④监视报警功能、显示功能.通过在监控终端开发专用的监控画面,为用户提供直观的监控界面,通过人机交互接口的设计实现用户对现场焊装流水线的远程自动化控制.
2.2基于工业以太网的流水线自动控制系统设计
2.2.1系统结构设计
由于整个流水线的设备量大、信号类型多、控制地点分散,不适合采用传统的继电器和控制开关为主要实现方式的本地控制模式,而且这种控制模式并不利于设备的后期维护管理,同时对于系统的扩容升级而言是十分不利的,为此,必须借助于工业以太网实现分布式控制管理模式（DCS模式）,通过DCS功能的合理划分与配置,能够很方便的实现对整车焊装流水线自动控制的远程控制模式.本论文拟采用监控终端、本地PLC站和底层传感设备三个层次的DCS控制模式实现基于工业以太网的整车焊装流水线自动化控制.
①监控终端.监控终端设置在控制室内,供值班人员对全厂流水线自动化控制的工艺进行实时监控.监控终端内运行的是专门开发的上位机程序,通过友好的人机交互接口实现远程控制,并且通过工业以太网实现与本地PLC站的数据信息的交互.
②本地PLC站.主要通过对开关量的检测实现流水线生产工艺流程中各个环节的电气监测,诸如限位开关、行程开关、电磁阀等.本地PLC站能够通过对设备的工作状态参数、工艺参数和环节参数的检测和A/D转换,将相关参数变量转换为数字量进入工业以太网传输,从而实现上位机与下位机的一体化通信.
③底层传感设备.现场传感器主要是用以检测现场监控点物理参数信号,变送器将采样数据转换成
4～20mA的电流信号,经屏蔽电缆送到各子系统的PLC内.控制信号由PLC输出后以4～20mA电流形式送到执行机构.执行机构主要有气动和电动执行机构等.
2.2.2系统控制模式设计
①远程遥控方式.在现场设备控制箱,将控制方式置于“遥控”控制方式,控制室的操作人员可以通过计算机监控软件对现场设备进行遥控启停.在这种控制方式下,监视界面可显示设备的运行状态及相关的工艺参数,操作员可根据选择“手动或者自动”控制方式,通过设备控制按钮启停远程设备,并能判断设备运行是否正常,监测故障并发出报警提示,统计工艺数据,显示模拟量趋势曲线,打印故障报警及日志报表等.全部操作由控制室的操作人员通过键盘和鼠标完成.②本地控制方式.在现场设备控制箱,将控制方式置于“本地”控制方式下,通过控制操作箱上的启动/停止按钮,对现场设备手动启停控制.本地控制方式为系统的基本保留方式,在与控制室断开联系等任何情况下都可以完成整车焊接处理工艺要求的控制功能.
2.LC自动系统设计
根据整车焊接处理厂工艺特点和现场的焊接设备分布及焊接机器人的作业范围,可以将整车焊接车间流水线PLC下位机系统划分为两个PLC站点,各自负责不同的工艺流程.为此,需要统计全厂的I/O点分布情况,详见表1.
由于本系统中的下位机PLC选用的西门子公司的S7-300系列的PLC产品,其网络通讯功能的最大特色便是集成了MODBUS/TCP以太网通信协议.为此,本系统中下位机PLC控制系统的网络通讯就基于MODBUS/TCP以太网通信协议实现,进而进一步降低了本自动控制系统的网络通信集成成本.
2.4工业以太网网络系统设计
2.4.1网络拓扑结构选择
本系统选用环型网络拓扑结构,当某一节点出现故障时,它会自动旁路,而不影响环型网络的信息传输.环型网络结构的显著特点是环路上的工作站在发送信息时,只能按照顺序依次传输,所以不存在冲突问题.在光纤传输介质成本降低的今天,工业以太网的传输介质选用光纤组成双环路双冗余网络是比较合适的方法.
2.4.2系统组网方案设计
基于工业以太网的整车焊接流水线综合自动化控制网络系统可以划分为三层：信息管理层、网络传输层、传感检测及执行机构层.
①信息管理层.信息管理层主要是实现对整个工业以太网自下而上传输过来的流水线生产工艺的各个参数的管理,包括状态参数的实时监测、越限报警；生产工艺参数的自动存储、报表分析；设备控制指令的自动/联动派发等等,这些功能的实现依赖于在信息管理层所开发的人机交互接口良好的专用自动化控制监控程序,通常可以采用组态程序实现.
②网络传输层.网络传输层就是指基于工业以太网所搭建起来的工业以太网传输网络系统,同时通过配置交换机、操作站等辅助设备,能够实现操作人员在网络现场对网络传输层的检查、维护和管理.网络传输层作为整个自动化控制网络系统的数据传输平台,对于整个系统的功能实现具有至关重要的作用.
③传感监测及执行机构层.传感监测及执行机构层主要有两个作用,第一是通过传感检测设备,将流水线工艺流程中的各个参数实时检测出来并发送到工业以太网上进行通讯,第二是通过安装电气开关、电磁阀等开关动作执行元件,接受来自顶层的信息管理层的远程控制指令,实现对现场机电装备或者流水线工艺流程的远程自动化控制,传感监测及执行机构层是面向整车焊接流水线生产和自动化控制的最底层,主要包括车间现场的各种监测、控制子系统,如焊接机器人控制子系统,滚床控制子系统,带式输送机控制子系统等.
3结语
随着工业以太网在工厂自动化控制领域中的逐步广泛应用,逐渐取代了过去传统的以现场总线为基础的自动控制模式.本论文对基于工业以太网的整车焊接流水线综合自动化控制网络系统展开了设计与研究,通过对网络通信实时性的理论分析,建立了基于工业以太网的整车焊接流水线综合自动化控制网络系统,分别从下位机PLC自动化控制系统和上位机DCS以太网网络系统两个角度详细探讨构建了整个综合自动化网络控制系统的设计与实现,对于工业以太网在工厂自动化控制方面的应用,无论是在理论研究还是在实践应用方面,都是具有较好的指导借鉴意义.