关于物料监控的INTERBUS现场总线控制系统

1 引言
随着物流管理技术的迅猛发展，物流管理理念很快进入汽车制造行业。对于一个汽车制造企业如何高效而有序地组织各个生产车间，各工位材料并及时送到指定地点十分重要。近年来国际上流行的汽车生产物流管理系统就是专门用于现代化生产现场对流量、物料、质量、设备测量和监控的信息系统，是一个柔性的自动化控制管理系统。该系统不仅可以使物流通畅及时，实现仓库最小库存，而且可以使管理者及时了解整个企业的生产和物流状况，从而为企业管理层决策提供依据。
汽车生产物流管理系统要求信息传输和控制系统具有反应速度快、稳定性好、可扩充性强、可维护性好等功能，采用INTERBUS现场总线技术能满足以上要求。INTERBUS现场总线是德国Phoenix Contact公司1990年推出，主要应用于汽车行业、烟草行业、过程自动化等行业。IN―TERBUS总线是面向I／O的国际标准总线，其恒定的2M的传输速率，集总帧的数据传输方式，保证了数据传输的可靠性，使得控制系统与现场I／O设备之间的数据交换具有很高的实时性，是国际上公认的高速总线。INTERBUS具有强大的总线组态、监控、故障诊断功能，所以INTERBUS总线控制系统具有良好的维护性和极高的可靠性。因此，INTERBUS总线在汽车生产物流系统中有独特的优势和吸引力。
2 控制系统硬件设计
控制系统硬件由管理层、控制层和现场层3部分组成。管理层为一工控机（上位机），作为人机界面，工控机通过组态王软件与控制层交换数据。控制层由PHOENIX CONTACT公司的现场总线控制板IBS ISA FC／I―T构成，它直接插在工控机主板的ISA插槽上，可以实现对设备层进行数据采集、程序控制以及与管理层进行信息交换。现场层由呼叫应答系统和显示系统组成。呼叫应答系统采用PHOENIX CONTACT公司的总线耦合器BK模块IBS IL 24BK―T／U、数字输入输出DIO模块IBIL 24 DO 16和IB IL 24 DI 16、串行通信模块IBIL RS232、现场FLS模块FLS IB M12 DIO 8／8M12和按钮组成；显示系统由LED显示屏、灯箱构成。整个系统的结构框图如图1所示。根据IN_TERBUS系统的结构，除了总线控制板上有集中诊断显示外，每个分散在系统中的模块上也有相应的系统运行状况的显示，通过诊断显示的内容，操作人员不借助于任何其它的工具就可得到INTERBUS系统的状态。因此，整个INTERBUS总线系统具有良好的系统维护性。


3 控制系统软件设计
控制系统编程软件采用符合IEC1131―3标准的PCWORX软件，包括组态软件SYSTEM WORX，编程软件PROGAM WORX。控制程序采用层次式结构和模块化编程思想，下层模块被上层模块调用，通过设计每层的基本功能模块，在最高层实现控制、串行通信和在线诊断功能。下面介绍通信模块、主控功能模块和在线诊断模块。
3．1 通信模块
通信模块采用PCWORX提供的结构文本语言编程，负责向外围设备显示屏发送信息。通信模块主要调用了PCWORX提供的外围设备通讯功能块：PCP_CONNECT（通信连接）、PCP_WRITE（输出到外围设备）和STRING_TO_BUF（字符串传输到缓冲区）。由于向外围设备发送的信息比较长，需要显示的字符串加上开头的识别码共50个字节，为防止后面的数据覆盖前面的数据，保证发送数据的可靠性，我们调用了PC_WORX提供的STRING_TO_BUF功能块，先将识别码和将要显示的字符串依次写入一个数据缓冲区中，组合成一条50个字节的字符串，再调用PCP_WRITE功能块将信息发送到外围设备。部分程序代码如下：
（*R_TRIG*）
R_TRIG_1（CLK：＝IN_ON）；
QR：＝R_TRIG_1.Q；
（*STRING_TO_BUF*）


3．2 主控功能模块
主控功能模块采用梯形图编程，使用PC_WORX内部功能模块TON（延时导通模块），R_TRIG（上升沿触发模块），F_TRIG（下降沿触发模块），GE（比较模块），CTU（计数模块）。AND和OR实现如下功能：根据生产要求，当生产线上需要投送某物料时，生产工人按下对应工位上的控制按钮，总线控制器根据接收的过程数据信息，通过一种基于INTERBUS现场总线的通信模块，发送该物料的名称、工位号、数量等信息到LED大屏幕显示屏，同时启动音乐铃声并点亮工位和灯箱上对应该物料的指示灯。仓库工作人员得到信息后，按下灯箱指示灯下面对应的按钮应答，则灯箱上对应该物料的指示灯熄灭，表示信息确认已开始投料。总线控制器根据确认的信息，将工位按钮上方的指示灯由常亮转为闪亮状态，表示该物料正在投送中。当物料到达呼叫的工位后，操作人员恢复按钮断开状态，指示灯熄灭，表示该物料配送过程结束。[page]
3．3 在线诊断模块
INTERBUS总线控制器IBS ISA FC／I_T中的标准寄存器提供了总线运行的状态信息，也可通过控制程序操作总线系统。总线控制器中的标准寄存器包括诊断状态寄存器、诊断参数寄存器、标准功能启动寄存器、标准功能状态寄存器和标准功能参数寄存器。寄存器的地址可以利用PCWORX组态软件在控制系统的输入或输出地址区域设定，以方便在编程中应用。诊断状态寄存器为一个字长，每一位都反映了总线系统运行状态的某一方面情况。诊断参数寄存器为诊断状态寄存器的状态位提供更为详细的信息，当外围设备故障和总线错误时，诊断参数寄存器提供错误位置；当控制器和总线错误时，诊断参数寄存器提供错误代码。
在线诊断模块采用ST（结构文本）语言编程，编程后封装成功能模块FCDIAG，具有诊断和自启动功能。该模块以诊断状态寄存器、诊断参数寄存器作为输入，经过处理之后把诊断信息赋给全局外部变量ERR_DIAG_STATUS和ERR_DI_AG_PAPA，通过OPC技术可以传输到上位机进行处理。INTERBUS控制系统一出现故障，总线则停止运行。模块的自启动功能可以自动检测故障是否清除，一旦检测到故障已经清除后，则通过标准功能启动寄存器启动总线运行，自动恢复控制系统到正常运行状态。在线诊断功能模块见图2。


4 用组态王进行监控软件的开发
OPC（OLE for process control）是过程控制中对象链接与嵌入技术，OPC以组件对象模型和分布式组件对象模型技术为基础，采用客户／服务器的模式，定义了一组COM对象及其接口标准，是一种工业控制和生产自动化领域为了连接数据源（OPC服务器）和数据使用者（OPC应用程序）之间的接口标准。INTERBUS OPC Server是Phoenix公司为INTERBUS总线系统专门开发的OPC Server，组态王通过它可以很方便地与INTERBUS总线的现场设备通讯。在上位机上用组态王进行监控软件的开发，可以实现管理层对整个系统的管理和监控。下面介绍监控软件如何实现如下主要功能。
4．1 生成历史数据库
首先在组态王的数据词典中定义I／O离散变量和INTERBUS总线控制系统中的相应变量连接，如数据词典中定义I／O离散变量“呼叫按钮01”和INTERBUS总线控制系统中变量“ASB01”连接，所以当呼叫物料时“呼叫按钮01”变量由0变为1，当结束呼叫时“呼叫按钮01”变量由1变为0；然后定义“呼叫按钮01”变量的数据改变命令语言，在数据改变命令语言的程序中用中间变量保存和物料相关的各种时间信息，并在系统预设变量“$秒”的数据改变命令语言中进行计数，作为软件定时器使用。当结束呼叫时，用SQLInsert（DeviceID，″HJJL″，″呼叫记录″）函数把各种信息写入数据库，函数中参数DeviceID为组态王通过ODBC数据源与数据库连接后生成的ID号，HJJL为表格模板名，呼叫记录为记录体名。
4．2 实时监视
实时监视画面中每一图形和相应物料对应，通过定义动画连接来改变图形的属性和位置、大小，形成动画的效果。因此，实时监视画面可以实时动画地显示生产过程中各工位对物料的需求以及各种物料的流动状态。
4．3 报表生成和打印
用KVDBGrid控件和生成的历史数据库连接，生成和打印有关物料各种报表，包括日投料报表、紧急投料报表、延误投料报表以及各种查询报表，这些报表可以作为企业管理决策和考核员工的依据。并可用命令来实现运行态数据的显示、查询和打印，部分程序代码如下：


4．4 在线故障诊断
首先将故障类型、故障代码和对应的详细信息以及处理方法保存在数据库中。一旦INTERBUS控制系统出现故障，诊断程序根据INTERBUS OPC Server送来的全局外部变量ERR_DIAG_STATUS和ERR_DIAG_PAPA可以立即获取诊断后的故障类型、故障位置和故障代码，并应用数据库编程技术，可以实时显示故障详细信息以及处理方法，维护人员根据这些信息做出迅速处理，并尽快恢复控制系统运行，以提高生产效率。因此，在线故障诊断提高了INTERBUS现场总线控制系统的可靠性。
4．5 网络实时信息和历史数据发布
通过网络技术，可以将实时监视画面进行网络发布，也可以将历史数据库的数据进行网络传输。公司的各个管理部门可以通过Internet进行远程监视和管理以及实现数据库的数据资源共享，这为提高公司的生产效率和管理水平提供了有力的技术支持。
5 结论
汽车生产过程中的物料呼叫控制系统采用INTERBUS现场总线技术实现，利用组态王在上位机设计了监控软件，使整个系统具有故障诊断和网络发布功能。控制系统中在线故障诊断功能提高了系统运行的可靠性；网络发布功能便于管理层的监控和管理。控制系统投入运行以来，运行状况良好，达到了预期的控制要求。