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DeviceNet与CIP、Ethernet技术

DeviceNet与CIP、Ethernet技术

2006/6/6 8:59:00
1 引言   随着长春一汽大众公司B6 (Audi A4)项目于2003年的启动,美国TRW(天河)公司迅速进入中国,并在长春高新区设厂为大众公司提供Audi A4轿车的后轴。鉴于蓝迪公司在汽车制造自动化方面的众多成功案例,于是受其委托,我公司在四个月的时间内,完成了整个后轴装配线(30米)的设计,安装,制造,调试任务,并于2003年12月底,按计划为大众公司提供出了一系列的合格样件用于大众公司的试装车。本系统是以DeviceNet为控制核心,并在系统中集成了CIP、Ethernet等相关技术,从而保证通过Audi车的严格的质量管理体系认证。限于篇幅,对于DeviceNet技术的基础理论部分不再叙述,请在ODVAChina的中文官方网站上搜索我的拙作《CompoBus/D总线系统在宝来A4轿车后轴装配线中的应用》一文,或在《国内外机电一体化技术》杂志的第28期中查询。   当前,在向透明工厂迈进的进程中,普遍采用简化的CIMS体系结构,即工厂管理级,车间监控级,和现场设备级。本文谈到的项目也是采用了这种三层结构体系,现场级SCADA与信息集成是透明工厂不可缺少的重要组成部分。它主要完成底层在线设备监控,多设备连锁控制,对外数据传送和通讯联网,设备诊断及现场设备生产,运行数据的采集,存储,统计等功能,保证现场设备高质量完成生产任务,并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理级,向工厂级MIS系统数据库提供数据。同时也可以接受管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此现场级与车间级监控及信息集成系统是实现透明工厂基础。   以出于对用户所拥有内部技术信息的保护,本文不能深入描述其每一个技术实现细节,而只能从整体架构上对其进行描述,下面就所涉及的各项主题分别加以表述。 2 硬件系统概述   ○1对于线体电气控制系统的选择,要考虑性能、可靠性、成本、网络化等因素。于是采用当今主流机型,OMRON公司的CJ1系列PLC及DeviceNet系统作为主线体的控制。CJ1系列PLC分别通过CJ1-ETN11模块和CJ1-DRM21模块来支持最新的网络技术及现场总线技术。能够实现从现场设备层、控制层、到管理层的无缝连接。且体积小巧,充分节省安装空间。而现场总线的输入/输出模块采用DRT1-ID16TA、DRT1-OD16TA。该模块的优点是采用三层端子排结构,既自带电源端子,从而在现场安装时可以直接连接传感器、电磁阀等电气元件,不再需要电源过渡端子,极大地方便了现场的安装。在总线系统建立之初,需要使用OMRON公司的Configer软件来对现场的所有总线模块进行初始化配置,然后就可以正常使用了。DeviceNet系统详细配置见下图。
  对于上线的每一个工件,系统都要首先通过接在总线单元DRT1-RS232接口上的条码枪,来读取它的条形码,然后通过接在总线单元DRT1-HAM41读写站写入随车所带的磁载体HS67中,一直跟随该工件到下线,在每个加工工位,首先从读写站读出随车磁载体中的条码信息和加工信息通过以太网发送给电动扳手,电动扳手得到该信息后,执行相应的拧紧程序,全部合格后把拧紧数据与条码号打包,并通过Ethernet传送到上位IPC 中的SQL server中保存起来,以供查询和SPC统计。电动扳手与线体控制器之间有严格的连锁控制,在所有螺栓没有达到相应的目标扭矩和角度值之前,绝不可能将该工件从当前工位正常放行到下一个加工工位。   ○2为保证Audi A4车的装配质量,装配工具的选用无疑至关重要。在所有高档汽车的装配中,必须对每一个拧紧螺栓都要有快速的拧紧过程、准确的拧紧角度和拧紧力矩的监控。并且所有数据必须能通过现场工业以太网与公司的企业网互联,实时数据存储,以待追溯,并进行SPC分析。也就是说,除了高精度拧紧外,该拧紧设备还要有功能强大的的网络体系,灵活而全面的现场总线支持,以及SPC功能。随即,项目组成员到欧洲的汽车厂进行调研,经过多方论证和权衡性能价格比之后,认为在高端应用领域,只有瑞典的阿特拉斯·科普柯公司的电动扳手和多轴拧紧机才能完美实现上述要求。另外,根据欧洲顶级商学院INSEAD出版的全球公司竞争适应力报告显示,阿特拉斯·科普柯公司在西方世界顶级公司中排名第六,并在机械工程领域位居第一。该报告是调查了欧洲和北美500家最大的公司,分成八个产业领域。判断参加公司的依据包括了客户定位、创新、市场策略、人力资源和企业文化等12项关键的商业能力。在被调查的公司中,只有86家达到“世界级”这一水准。宝马和诺基亚并列第一。阿特拉斯·科普柯公司同微软以及葡萄牙商业银行(Banco Commercial Portuguese)相同。在机械工程领域,阿特拉斯·科普柯要领先所有其它公司很多。基于以上的原因,确定了装配过程中最为关键的设备——拧紧机的选型。   ○3而后轴的内倾/前束角度测量机构(德国AUE公司提供)的控制系统采用SIEMENS公司的WINAC及ProfiBus-DP系统。它是西门子公司基于PC的自动化产品,在系统集成时,并不是简单地将PLC用PC来替换,而是将两者的功能相互结合,实现控制部件统一化、通讯网络一体化、信息全集成化。WINAC是插槽型PLC,由于主板集成PLC的CPU,从而将PLC的实时操作系统RTOS引入PC中,其独有的逻辑控制引擎的优先级要高于Windows中任务的优先级,所以Windows不能强占RTOS中的控制引擎,以保证逻辑控制的实时响应特性。即便是Windows死机,RTOS依然可以不受影响的继续运行。而对于那些非实时行的任务,诸如测量数据存取,报表生成,数据提取分析、网络通讯、各种图形界面的处理等确是Windows的特长,并且不会影响RTOS中逻辑控制引擎的运行。另外,由于此设备要与OMRON的DeviceNet通讯,这需要在OMRON的PLC中插入一个ProfiBus模块,并充当从站的角色,从而实现数据交换。当然要在STEP7软件中导入OMRON公司提供的电子设备技术文件GSD后,才能连通。 3 软件系统概述   ○1软件系统是以运行于win2000server平台下的SQL Server为核心,在上位展示层采用Client/Server报表来实现对装配过程、及SCADA中控制信息的查询,而阿特拉斯·科普柯的所有拧紧信息可以通过其Toolsnet系统来查询。该系统采用Browser/Server结构,可以通过检索VIN(条码号)查询所有拧紧数据。而对于线体的控制是通过CX-P软件来实现的,与以往不同的是,由于PLC挂在Ethernet上,所以可以实现在Ethernet上编辑线体控制程序,并下载运行,突破过去使用串口方式编程调试时受距离限制的不足。需要注意的是,之前要在PC中安装OMRON 公司的Finsgateway软件,并安装ETN单元驱动,正确设置相应的IP 地址和子网掩码后,启动Network服务就可以了。
  ○2对数据库的安全性,完整性的考虑 1) 数据库的安全性是指保护数据库以防止不合法的使用所造成的数据泄露、更改或破坏。为此对于该系统设置了严格的分级登录方式。对于每一级用户严格赋予不同的权限。 2) 数据库的完整性是指数据的正确性和相容性。数据的完整性和安全性是两个不同的概念,前者是为了防止数据库中存在不符合语义的数据,防止错误信息的输入和输出,即所谓垃圾进垃圾出所造成的无效操作和错误结果,而后者是保护数据库防止恶意的破坏和非法的存取。当然,完整性和安全性是密切相关的,特别从系统实现的方法来看,现在后轴装配系统的安全措施既可用于安全性保护亦可用于完整性保证。 3) 预防死锁的若干方法:由于后轴装配线的数据吞吐量非常大,同时有多个进程对数据库进行操作,有时还会有一些查询操作,为此要求每个事务一次就将所有要使用的数据全部加锁,否则就不能执行。并且预先规定一个封锁顺序,所有的事务都必须按这个顺序对数据进行封锁。 4) 数据库的恢复:数据库管理系统必须具有把数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态的功能,这就是数据库的恢复。在后轴装配线项目中,数据库恢复的基本技术是转储和登记日志文件。在对该厂的技术人员的培训中,反复强调了该种方法。要求相关的部门及时将生产的信息数据库转储到其他的工作站中。并对任何一次操作都要作出详细的登记日志。   ○3在线分析处理(on-line analytical processing,OLAP)技术在线分析处理技术又称为联机分析处理,它是从数据库中收集信息,运用已有的知识来对其进行判断,从而得到决策信息。一般的OLAP复杂查询所需时间较长,为了不降低系统主机的数据处理性能,将数据库复制到现场的另外几台机器上,比如处于公司局域网上的维修车间,质保部,技术部等几台机器上。让他们从不同的角度对数据进行提取和观察。最后得到直观的图形和表格。   该技术不仅实施面向特定数据库的简单检索,查询,调用,而且要对这些数据进行统计,分析,综合与推理,以便指导实现问题的求解。需要指出的是,所有发现的知识都是相对的,具有特定前提和约束条件,面向特定主题的,比如面向质保部的SPC,面向维修部门的故障诊断等,同时做到了易于被他们所理解以便于交互。 在该工程中,已经用数据库技术规范化的将大量数据组织起来了,从而大大提高了信息获取的起点。数据统计与数据库技术相结合,从数据的穿透式查询到知识发现,从数据演绎到数据归纳,使得生产更加有序而直观。 4 基于Intranet的Ethernet信息平台架   以太网的应用越来越广泛而成熟,其大吞吐量的数据传输能力、丰富的软硬件资源、较低的价格优势、良好的开放性等特点,正逐渐取代了原来的串行通讯方式。采用IEEE802.3标准的工业以太网定义了OSI模型的物理层和数据链路层。在应用中,网络层采用IP协议,传输层采用TCP或UDP协议,虽然UDP方式使用起来比较简单,但在控制领域应用最多的还是TCP协议方式。   虽然在商业领域成功应用了很长时间,但在工业应用场合还需解决实时性
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