工業以太網在涂裝車間生產設備的應用

婁聲揚

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

1　系統的構建

工業以太網Profinet被廣泛應用于一汽-大眾新建涂裝車間，為涂裝車間提供一個完整的自動化通信網絡解決方案，包括分布自動化、實時以太網及網絡安全等。作為工業以太網協議，在車間環境下實現局域網的控制，集成了安全控制系統及安全總線控制，具有星型、環形、總線型等多種拓撲結構，可在無編程軟件的情況下快速訪問、診斷系統功能組。

每個生產區域，對應于平面圖要求，在兩個分開的空間中使用兩個路由器，作為生產網絡路由器，設備網絡的網絡柜須冗余的連接到生產網絡-路由器上。

設備網絡匯總功能上屬于同一個整體的生產區域（例如，面漆線），并包括最多16個下級BS網絡（16個子網）。為了新設備的首次調試，設備網絡最多鋪設14個BS-網絡，為了保證后續改造和擴展的預留。通過冗余方式來限制設備層網絡。配置2個網絡柜做空間上的冗余，且網絡技術上也做冗余，空間上分開鋪設2個電柜的光纖，然后連接到一起。冗余的2個網絡柜對于下層的網絡設備來說，其實就是1個電柜。每個PLC區域都規劃一個子網。所有連接到BS網絡中的參與者從I/O-控制器（PLC）的IP地址范圍中得到必須的IP地址。為顯示線性結構，在每個Profinet設備最少集成一個兩口Profinet交換機。Profinet設備的端口須裝備診斷型光纖收發器。為實現簡單的總線參數配置，包括設備通訊時，Profinet設備須在不使用 MMC卡時也可配置參數并運轉。Profient設備的總線參數配置須使用DDLP自動執行。為簡化設備參數的管理，須能連接至iPAR服務器。

2　網絡系統在涂裝車間中的應用

Profinet總線系統應用在涂裝車間中的所有功能組（即每個PLC控制的區域），可分為機械化輸送設備、工藝設備及機器人設備。所有功能組均使用S7-319F作為CPU，通過PN/PN耦合器進行實時通訊；使用觸摸屏用于設備操作、狀態查看及參數錄入；設備層使用傳感器、執行器以及輸入輸出模塊，通過交換機組成星型或環形拓撲結構，從監控層、控制層到設備層均采用一致的網絡接口和網絡連接。

圖1　涂裝車間網絡結構

機械化輸送設備。隨著生產對節拍要求的越來越高，同時降低人員的勞動強度，在涂裝車間內需要使用機械化輸送設備實現車身的自動化輸送。使用Profinet工業以太網技術使得這一需求更好的實現，最具代表性的就是升降機的輸送控制，使得車身能在不同高度實現車身的自動化輸送。在輸送系統中，使用PLC的以太網通訊模塊，與布置在現場的讀寫裝置進行通訊，每個車身都是放置在滑橇上，滑橇上配有數據載體記錄所帶車身的各項數據，通過讀寫站讀出數據載體內的數據或向載體內寫入數據。PLC使用Profinet與現場的變頻器通訊，控制相應電機的啟停，向前輸送滑橇。變頻器通常用于控制電機的正反轉，自帶I/O模塊，可接入現場的行程開關、限位開關等傳感器。修飾線等長距離的輸送線，可使用拉繩開關及編碼器控制車身精確控制位置。在機械化輸送的操作臺至少要安裝8口交換機。 這個端口分配在整個機械化輸送區域是按照同樣標準組建的。（網絡入口，網絡出口，左邊操作臺區域出口，右邊操作臺區域出口，讀寫站，I/O，特殊設備，診斷） 在機械化輸送區域不允許把讀寫站、I/O，掃描儀在線性結構上有疊加，它們必須做為末端和操作臺上的交換機進行連接。

圖2　涂裝車間輸送設備設備網絡示意

工藝設備。涂裝車間工藝設備是通過執行器、儀表和傳感器等監控液位、溫度、濕度、壓力、風量等參數，主要包括前處理電泳設備、工藝空調、廠房空調等設備。以前處理電泳設備為例，控制系統使用與輸送設備一樣的PLC及耦合器，在設備層使用大量的傳感器及儀表進行實時監控，反饋生產狀態。傳輸的數據較大，而執行器相對較少，使用Profinet能夠滿足數據傳輸的要求，傳輸速率達到100Mb/s，降低了系統的掃描周期，保證PLC快速處理數據，執行相應程序滿足生產工藝要求。

機器人設備。所有機器人控制器和噴涂控制器直接用Profinet和Profisafe與設備控制器相連。聯結機器人的機器人控制器或設備控制器，從相關輸送設備控制柜獲取車身信息和位置信息。如果正在進行噴涂軌跡，機器人除獲得一般性信息之外，還要獲取為此所需的輸送設備的路程增量。機器人的控制及顯示借助設備PLC和設備目視化，并能通過目視化系統更改、模擬程序，所有機器人狀態信號（手臂、自動、故障、維護、運行、等待位置、原始位置等）包括節拍結束時停止顯示，均可在目視化顯示。

涂裝車間的網絡以以太網技術為基礎，按IEEE 802.x標準實施。設備網絡將設備與中控室相連接。控制器與分包模塊之間的信號交換通過 I/O（輸入、輸出）-層面或者Gateways/Coupler（網關/耦合器）來實現。并與焊裝、總裝、廢水設備、冷凍機、中壓供電設備、消防中控室相連接。每個PLC設備都要設置一個局域網，做到安全的網絡管理。所有用戶都設固定IP地址。每個局域網都可以按動態主機配置協議(DHCP)臨時給出有數量限定和時間限定的動態IP地址，管理通過車間網絡分配器的Layer3。

每個控制區域使用一個C級網絡（255IP地址），在現場PLC使用L2級交換機來連接所有的Profinet的參與者。這些借助星型的光纖和上一級連接，在每一個網絡柜里是使用L3級的交換機進行連接，每個網絡負載不能超過50%。每個故障、某部分網絡或者某個bus用戶不能工作，都要在中控室于一分鐘內自動顯示并記錄。給出并處理相應的活動電碼，這一過程必須是自動的、無需使用者干預的。

用于處理的所有數據，所有模塊的設備控制器均需提供，包括總產量，每種車型，每個生產區段及任意時間段的產量，質量數據等，通過Profinet網絡將數據傳遞給PLC進行處理后，發送到中控室保存。

在涂裝須在中央的位置安裝一個基于 PC的 LCD大屏幕，顯示涂裝概覽圖。顯示信息通過中控室的計算機硬件執行。顯示的數據在中控室進行參數配置，中控室通過 LAN的直接與大屏幕通訊，顯示相關生產信息，有助于人工指導。

3　結束語

工業以太網profinet依靠其靈活、高效和高性能的特點，提高了生產效率，降低了投資，縮短了車間的建設周期，提高了設備數據傳輸的穩定性，實現了中控室與現場PLC的通訊和控制，滿足車間對自動化生產的要求，為實現工業 4.0奠定了基礎。

[1]（德）博爾曼. 工業以太網的原理與應用,國防工業出版社.2010.

[2] 徐甫榮. PLC、DCS、FCS三大控制系統的特點和差異.中國工控網.