PROFINET總線技術(shù)在汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用

郝志強(qiáng)

【摘 要】隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對設(shè)備的電氣性能也提出了更高的要求，例如不僅要求快速響應(yīng)、實(shí)時通信，還要簡化生產(chǎn)線設(shè)計、節(jié)約項(xiàng)目成本。PROFINET總線控制技術(shù)很大程度上滿足這些要求，本文就以某汽車廠焊裝車間的滑橇輸送系統(tǒng)為例，根據(jù)滑橇輸送線安裝調(diào)試及使用中的經(jīng)驗(yàn)，介紹了PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線的控制原理及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】PROFINET、PLC、分布式I/O、變頻器

1 前言

滑橇輸送系統(tǒng)是汽車工廠生產(chǎn)線上重要的工藝組成部分，本文依托的是國內(nèi)某知名品牌汽車焊裝車間的滑橇輸送線，該線集成有普通滾床、旋轉(zhuǎn)滾床、升降機(jī)、移行機(jī)、側(cè)頂機(jī)等設(shè)備，技術(shù)先進(jìn)且集成度高。白車身通過焊裝車間內(nèi)的滑橇輸送系統(tǒng)在各個工藝區(qū)之間進(jìn)行輸送焊接，以此保證各工藝過程節(jié)拍的協(xié)調(diào)一致，它的運(yùn)行穩(wěn)定性直接關(guān)系到整車的生產(chǎn)效率。該線的電控系統(tǒng)中底層控制采用的是西門子公司300系列的PLC和PROFINET總線控制技術(shù)。

2 基本介紹

PROFINET是一種新的以太網(wǎng)通訊技術(shù)，是由西門子公司主導(dǎo)開發(fā)，PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標(biāo)準(zhǔn)。

PROFINET = PROFIBUS + 具備PROFIBUS 和IT 標(biāo)準(zhǔn)Ethernet 的開放、一致的通信+獨(dú)立于制造商的工程模型+通過開放對象模型的分散自動化。

PROFIBUS是世界范圍內(nèi)唯一可覆蓋從工廠自動化場合到過程自動化應(yīng)用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，保留現(xiàn)有投資。

3 滑橇輸送系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝

本滑橇輸送系統(tǒng)共包含有三部分，即地板輸送線、車調(diào)線和空橇返回線。工藝示意圖如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。

圖3.1中將焊接好的地板總成通過地板輸送線輸送至主焊工藝區(qū)，此地板輸送線由1臺過渡滾床、2臺升降機(jī)、3臺旋轉(zhuǎn)滾床和11臺普通滾床組成。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送。

圖3.2中將焊接好的白車身通過車調(diào)線輸送至空橇返回系統(tǒng)，在此車調(diào)線上完成"四門一蓋"的安裝及車身補(bǔ)焊打磨等調(diào)整。此車調(diào)線由1臺移行機(jī)、1臺過渡滾床、2臺旋轉(zhuǎn)滾床、3臺升降機(jī)和23臺普通滾床組成，其中移行機(jī)用于存儲轉(zhuǎn)運(yùn)。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送，工位節(jié)拍手動可調(diào)。

圖3.3中將完整的白車身通過空橇返回線輸送至焊涂車間轉(zhuǎn)運(yùn)的摩擦輪輸送系統(tǒng)，此空橇返回線由1臺側(cè)頂機(jī)、1臺升降機(jī)、2臺過渡滾床、3臺旋轉(zhuǎn)滾床和7臺普通滾床組成，其中側(cè)頂機(jī)用于車橇分離。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送。

4 滑橇輸送系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及總線硬件配置

滑橇輸送系統(tǒng)上的電氣元件眾多，其中以PLC、ET200S分布式I/O、分布式變頻器等核心器件為主，屬于典型的集散控制系統(tǒng)，同時又包括大量數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)交互。PROFINET的技術(shù)性能很好地滿足了這些要求。

本滑橇輸送系統(tǒng)采用CP343-1以太網(wǎng)通訊模塊與上位系統(tǒng)通信，系統(tǒng)內(nèi)部通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場的I/O信號和設(shè)備狀態(tài)，并控制設(shè)備的正常運(yùn)行。

本系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)分為二層，第一層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接主柜和分控柜，主柜中包含西門子S7-317F PLC負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)，西門子MP377人機(jī)界面負(fù)責(zé)監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障或需要進(jìn)行維護(hù)時，可以通過終端操作來完成模式切換、故障處理等操作。分控柜中包含西門子ET200S分布式I/O；第二層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接分控柜和該控制區(qū)域的操作站及分布式現(xiàn)場變頻器，變頻器支持PROFINET總線級聯(lián)方式，每臺變頻器帶有五個輸入點(diǎn)，用于采集現(xiàn)場的傳感器信號（如光電開關(guān)、接近開關(guān)、限位開關(guān)等）和按鈕指示燈信號。

整個滑橇輸送系統(tǒng)存在設(shè)備多、布局散的特點(diǎn)，因此采用了PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)來組態(tài)系統(tǒng)，使用PLC控制系統(tǒng)控制這些設(shè)備自動柔性運(yùn)行。

5 PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)總線應(yīng)用的特點(diǎn)

PROFINET總線技術(shù)的應(yīng)用使電控系統(tǒng)在安裝調(diào)試中節(jié)省了大量的線纜及槽架，減少了系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試時間，不僅方便地實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場控制設(shè)備部件子系統(tǒng)之間、設(shè)備與設(shè)備之間以及設(shè)備與控制管理層之間的聯(lián)系，也為控制信息進(jìn)入公司MES數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。

PROFINET基于現(xiàn)有成熟IT標(biāo)準(zhǔn)，其模塊化結(jié)構(gòu)可以非常容易地擴(kuò)展和包含其他功能，方便地把各個制造商的設(shè)備和組件集成到單一系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高速通信、可互操作性和開放性等高級功能。

6 系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試需要注意的問題

理論上帶屏蔽層的PROFINET總線最大傳輸距離可達(dá)100米，但在實(shí)際工程中受到各種外界環(huán)境及電磁干擾等因素影響，各交換機(jī)及PN節(jié)點(diǎn)之間的距離以最大不超過85米為宜。同時，針對移動設(shè)備要采用柔性的PROFINET電纜。

調(diào)試及生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于現(xiàn)場分布式I/O及變頻器采用級聯(lián)方式連接，一旦某個中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)以后的所有設(shè)備掉網(wǎng)停機(jī)。本系統(tǒng)從軟硬件不同角度采取了相應(yīng)的安全措施保障輸送過程中設(shè)備的安全穩(wěn)定，同時出現(xiàn)故障時也有多方面的狀態(tài)指示和信息提示，如紅色柱燈閃爍、HMI觸摸屏提示報警信息等。

出現(xiàn)PROFINET 網(wǎng)絡(luò)故障后首先通過這些狀態(tài)指示確定出現(xiàn)故障的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，然后先在硬件上拆除該設(shè)備，如果僅僅是該設(shè)備的某一個PROFINET網(wǎng)絡(luò)接口有故障，則可以把它移至總線末端，最后在軟件系統(tǒng)中修改硬件配置即可。總之，通過依托PROFINET網(wǎng)絡(luò)本身強(qiáng)大的自診斷功能，能夠很準(zhǔn)確的對故障源進(jìn)行定位，提高了設(shè)備維護(hù)的效率。

7 總結(jié)

本系統(tǒng)自2015年年初投產(chǎn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定。這種基于PROFINET 總線技術(shù)的生產(chǎn)線系統(tǒng)可靠性高，停機(jī)排查時間短，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用。它成功地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)和實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)的統(tǒng)一，通過使用PROFINET就可以在整個工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為公司的信息化提供了堅(jiān)實(shí)的通訊平臺，為未來柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建打下了良好的基礎(chǔ)。