基于Interbus总线在汽车工业控制系统中的应用

1、汽车制造业对控制系统的要求

汽车制造业是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程。同时随着汽车行业之间竞争的日益激烈，各生产厂家都普遍面临着：提高生产效率、降低生产成本、提高生产管理水平等种种压力。对于汽车项目而言，无论是新建项目，还是现有设备的扩展和改造，在规划和设计控制系统时都应该有一个基本指导原则：采用最先进的自动化技术和产品， 从而最大程度减小系统集成和调试时间、降低投资成本，方便生产运行阶段的维护与工艺调整。提高各工艺设备系统的稳定性，减少故障停机时间保证计划产量的实现。

对汽车工业的控制系统的要求也有别于其他行业的自动控制系统，因为汽车工业生产现场相对较复杂。例如焊装工艺，就代表着汽车工业控制现场的一些典型特点：

（1） 现场工作环境恶劣。焊接的过程中充斥着焊渣和焊接飞溅，更换焊枪电极头也有可能会有水流的喷射，这些对设备的防护等级提出了更高的要求。

（2） 强电磁干扰。焊接设备在焊接过程中的电磁干扰发射不仅会对电网造成污染，对连接 在同一电网中的用电设备造成影响和损坏，对设备品质、网络通信和信号传输都是重大的考验。

（3） 现场I/O数量众多且非常分散。每个工位夹具上都有相当多的电磁阀需要驱动，众多的夹爪汽缸上的夹紧和松开到位的信号需要收集。这些信号相对很分散，采集点都处在夹具的不同部位。

（4） 网络从站数量多。在汽车项目规划中，一般会使用现场总线技术，也通常会使用IP67防护等级的一体化模块，因为一个一体化模块就是一个节点，所以网络节点数量一般都较多。例如一条主焊线，往往都有上百个节点，如果使用机器人焊接，机器人还要占用相应的网络节点资源。

汽车工业对控制系统提出了很高的要求，所以在规划和设计生产线自控系统时我们必须考虑周全。要选择最适合工艺布局和现场环境的现场总线协议，我们必须要保证：

·众多的I/O从站能够经济合理的分布。

·所有的站点能进行方便的调试和直接简单的网络管理。

·大量的控制信号能够实时稳定的传输。

·现场的各种故障能够及时诊断和定位。

·与其他系统的兼容性和技术升级的可操作性。

2、Interbus总线综述

Interbus总线是世界上最早的现场总线，早在1984就由德国phoenix Contact公司研发，1987年正式在汉诺威博览会上展出。由于该总线的广泛应用和快速发展，已经先后成为德国DIN19258标准，EN50254欧洲标准和IEC61158国际标准。Interbus的各种性能参数非常贴近汽车生产实际的需要，是最早进入汽车工业的现场总线，现在也是世界汽车行业最受欢迎的现场总线，其传统的应用领域就是汽车工业。随着工业自动化的发展，Interbus作为自动化控制的解决方案正越来越多的应用到其他领域，例如物流、造纸、印刷、食品和饮料、楼宇自动化、木材加工、装配和机器人应用、机械工程、工厂自动化、以及过程控制。应用的工程数量达到78万多个，应用节点数量居全球第二。

Interbus可以这样迅速的发展，是因为这个总线协议确实有它自己的特点。Interbus总线传输距离最长达到12.8公里（双绞线），两个从站间距就可以达到400米（双绞线），单主站最多可连接255个从站，恒定的传输速率500Kbps时，扫描4096个I/O点的时间为7.8毫秒。总线采用独特的环型组网形式和传输协议，它具备其他总线所没有的准确的故障定位、详实的故障信息。三种传输媒介在从站间可以混合使用，有效数据传输效率高达52% 。 即插即用、无须设定地址、无须终端电阻。这里很多特性都是Interbus所独有的，这些特性在很多工艺场合可以体现出它独有的优势，也正是因为这样，Interbus总线协议才能成为世界汽车行业最受欢迎的现场总线。

3、Interbus总线给汽车工业带来了什么

Interbus总线的拓扑结构非常的灵活，可以任意的接分支，分支上面还可以再接若干分支，一直可以拓扑16层，这样使设计和施工都变得非常的灵活。汽车工业中很多工艺都会用到悬链，滚床，利用这种灵活的分支技术，一段悬链、一路滚床，或者一个夹具工位都可以做成一个网络分支，这样就避免了一根总线绕到底的情况，既提高了网络的稳定性，又节省了总线电缆。还可以从逻辑上对每个分支进行单独控制。较长的传输距离和灵活的拓扑结构也使用户在进行网络规划时非常的宽松，灵活，方便。使用其他总线协议往往在距离、站数、站点分布这方面会有一些技术束缚，Interbus可以让用户解脱出来。

图1

Interbus的调试和网络管理非常的方便。每一个总线设备，都有一个识别寄存器，在总线启动的第一个周期，主站就可以读取存储在所有连接在总线网络上的识别寄存器数据，从而识别每一个总线设备。所以这里就不需要硬件设址，在硬件安装好后，用组态软件读取识别寄存器数据，就可以把硬件组态读上来。在网络调试时可以任意的关断某个网络分支或者站点。这样，根据工艺段的不同，把现场总线网络进行分支分段管理非常的方便，比如我们把一个夹具工位做成一个分支，这样就可以分开调试，分开管理，即使某个工位有网络故障也不影响其他工位的调试或者生产。也可以把每个工位的几台焊接机器人作为一个Interbus总线分支进行管理，把机器人和夹具的控制系统分开管理。这样，对现场的调试以及后期设备维护和升级都是非常有帮助的。

下面我们来看看神龙汽车在采用Interbus总线之后，网络分支管理在现场输送设备上的一个应用实例。系统的控制功能和工艺流程这里不多说，我们主要来看看在采用Interbus总线协议之后，为了优化网络管理和方便后期设备维修，设备网络是如何规划。

网络结构图如下所示：

图2

图中：

MASTER——主站，PLC或是INTERBUS控制卡。

BK——INTERBUS耦合器，即一个网络节点，也叫从站。

RB——扩展在耦合器后面的分支模块。本例中扩展了10块。

MD——马达启动器。

现场一共有十个滚床输送段，做成2层网络，第2层网络有10个分支。设计者在主控柜中的第一个从站的耦合器（BK）之后就扩展了10个分支模块（RB），每个RB后面再通过INTERBUS总线连接“BK”或马达启动器，上例中每个滚床配置一台马达启动器用来驱动滚床电机，所有驱动控制信号通过INTERBUS总线传输，MD上带有数字量输入接口，现场的传感器通过MD传到PLC。用来驱动各自工艺段的电机和收集输入信号。网络结构非常清楚，每段分支，每个设备都可以单独的关断单独调试。这样的结构，对设备的调试和管理而言，无疑是最方便的。

图3 （从站1）主控柜

总线采用的差分传输技术，对干扰信号具有很强的免疫力，再加上Interbus总线使用“面向对象”的数据传输形式，采用串行移位的方式，进行CRC冗余校验，以集总帧的传输形式大大降低传输出错的可能性，最大程度上提高了传输的效率，使信号的传输非常的可靠和稳定。与其他协议相比，Interbus协议尤其适用于存在着强电磁干扰的环境，而汽车工业的焊装车间正是一个这样的现场。当然，其他的工艺段也同样要求信号传输的可靠，同样需要稳定的总线协议。

在汽车工业中，控制点相对较多，自动化程度高，现场环境比较恶劣，线路也较复杂，和其他行业的生产控制相比，故障率相对偏高。这样，对于维护人员和设备的诊断功能都提出了较高的要求。准确的故障定位和详实故障信息是Interbus总线所具有的非常重要的一个特点。它独特的环形传输协议与强大的自诊断功能决定了这一特点。这是其他树形总线所不能做到的，不需要任何处理，控制卡自带的LCD显示屏就可以直接显示出故障的类型、位置、和代码，根据故障代码可以在诊断手册上查到故障产生的原因和处理的方法。这样对网络上的断路、短路、过压、电磁干扰等等都可以准确的定位诊断，再配以IBS Diag+这款通用型的总线诊断软件，可以对网络中的任何设备进行诊断，包括总线的数据传输质量都可以量化出来。

随着自动化技术的发展，Interbus与Profibus两大国际组织一起研发的Profinet可能是未来工业现场网络的趋势，Interbus协议对于Profinet也是全透明的，Interbus升级到Profinet系统，除增加一个硬件网关外，不需要作任何的改动。所以，从系统的兼容性和技术升级方面来讲，Interbus没有任何的技术门槛。

4、结束语

从Interbus总线协议诞生至今，网络应用节点数量已经超过800万个，尤其在汽车行业，是很多行业巨头选择的现场总线标准，如大众、宝马、戴姆勒。克莱斯勒、保时捷等等。同时在国内的一汽、二汽、上汽、长安等几个集团中也有相当多的工厂采用Interbus现场总线进行生产控制，Interbus在国内有着越来越多的用户。可见Interbus在汽车工业自动化控制领域的影响是非常深远的，Interbus现场总线服务于汽车行业，同时也见证了世界汽车工业的发展和成长，可以说，Interbus是汽车工业的忠实伙伴。

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