工業(yè)以太網(wǎng)在涂裝車間生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用

婁聲揚

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

1　系統(tǒng)的構(gòu)建

工業(yè)以太網(wǎng)Profinet被廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)解決方案，包括分布自動化、實時以太網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)安全等。作為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，在車間環(huán)境下實現(xiàn)局域網(wǎng)的控制，集成了安全控制系統(tǒng)及安全總線控制，具有星型、環(huán)形、總線型等多種拓撲結(jié)構(gòu)，可在無編程軟件的情況下快速訪問、診斷系統(tǒng)功能組。

每個生產(chǎn)區(qū)域，對應(yīng)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(chǎn)網(wǎng)絡(luò)路由器，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)柜須冗余的連接到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)-路由器上。

設(shè)備網(wǎng)絡(luò)匯總功能上屬于同一個整體的生產(chǎn)區(qū)域（例如，面漆線），并包括最多16個下級BS網(wǎng)絡(luò)（16個子網(wǎng)）。為了新設(shè)備的首次調(diào)試，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)最多鋪設(shè)14個BS-網(wǎng)絡(luò)，為了保證后續(xù)改造和擴展的預(yù)留。通過冗余方式來限制設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。配置2個網(wǎng)絡(luò)柜做空間上的冗余，且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上也做冗余，空間上分開鋪設(shè)2個電柜的光纖，然后連接到一起。冗余的2個網(wǎng)絡(luò)柜對于下層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，其實就是1個電柜。每個PLC區(qū)域都規(guī)劃一個子網(wǎng)。所有連接到BS網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，在每個Profinet設(shè)備最少集成一個兩口Profinet交換機。Profinet設(shè)備的端口須裝備診斷型光纖收發(fā)器。為實現(xiàn)簡單的總線參數(shù)配置，包括設(shè)備通訊時，Profinet設(shè)備須在不使用 MMC卡時也可配置參數(shù)并運轉(zhuǎn)。Profient設(shè)備的總線參數(shù)配置須使用DDLP自動執(zhí)行。為簡化設(shè)備參數(shù)的管理，須能連接至iPAR服務(wù)器。

2　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在涂裝車間中的應(yīng)用

Profinet總線系統(tǒng)應(yīng)用在涂裝車間中的所有功能組（即每個PLC控制的區(qū)域），可分為機械化輸送設(shè)備、工藝設(shè)備及機器人設(shè)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(shè)備操作、狀態(tài)查看及參數(shù)錄入；設(shè)備層使用傳感器、執(zhí)行器以及輸入輸出模塊，通過交換機組成星型或環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，從監(jiān)控層、控制層到設(shè)備層均采用一致的網(wǎng)絡(luò)接口和網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1　涂裝車間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

機械化輸送設(shè)備。隨著生產(chǎn)對節(jié)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(nèi)需要使用機械化輸送設(shè)備實現(xiàn)車身的自動化輸送。使用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)使得這一需求更好的實現(xiàn)，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(xiàn)車身的自動化輸送。在輸送系統(tǒng)中，使用PLC的以太網(wǎng)通訊模塊，與布置在現(xiàn)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(shù)據(jù)載體記錄所帶車身的各項數(shù)據(jù)，通過讀寫站讀出數(shù)據(jù)載體內(nèi)的數(shù)據(jù)或向載體內(nèi)寫入數(shù)據(jù)。PLC使用Profinet與現(xiàn)場的變頻器通訊，控制相應(yīng)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(zhuǎn)，自帶I/O模塊，可接入現(xiàn)場的行程開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器。修飾線等長距離的輸送線，可使用拉繩開關(guān)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(qū)域是按照同樣標(biāo)準(zhǔn)組建的。（網(wǎng)絡(luò)入口，網(wǎng)絡(luò)出口，左邊操作臺區(qū)域出口，右邊操作臺區(qū)域出口，讀寫站，I/O，特殊設(shè)備，診斷） 在機械化輸送區(qū)域不允許把讀寫站、I/O，掃描儀在線性結(jié)構(gòu)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(shè)備設(shè)備網(wǎng)絡(luò)示意

工藝設(shè)備。涂裝車間工藝設(shè)備是通過執(zhí)行器、儀表和傳感器等監(jiān)控液位、溫度、濕度、壓力、風(fēng)量等參數(shù)，主要包括前處理電泳設(shè)備、工藝空調(diào)、廠房空調(diào)等設(shè)備。以前處理電泳設(shè)備為例，控制系統(tǒng)使用與輸送設(shè)備一樣的PLC及耦合器，在設(shè)備層使用大量的傳感器及儀表進行實時監(jiān)控，反饋生產(chǎn)狀態(tài)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較大，而執(zhí)行器相對較少，使用Profinet能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑐鬏斔俾蔬_到100Mb/s，降低了系統(tǒng)的掃描周期，保證PLC快速處理數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)程序滿足生產(chǎn)工藝要求。

機器人設(shè)備。所有機器人控制器和噴涂控制器直接用Profinet和Profisafe與設(shè)備控制器相連。聯(lián)結(jié)機器人的機器人控制器或設(shè)備控制器，從相關(guān)輸送設(shè)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(shè)備的路程增量。機器人的控制及顯示借助設(shè)備PLC和設(shè)備目視化，并能通過目視化系統(tǒng)更改、模擬程序，所有機器人狀態(tài)信號（手臂、自動、故障、維護、運行、等待位置、原始位置等）包括節(jié)拍結(jié)束時停止顯示，均可在目視化顯示。

涂裝車間的網(wǎng)絡(luò)以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，按IEEE 802.x標(biāo)準(zhǔn)實施。設(shè)備網(wǎng)絡(luò)將設(shè)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(wǎng)關(guān)/耦合器）來實現(xiàn)。并與焊裝、總裝、廢水設(shè)備、冷凍機、中壓供電設(shè)備、消防中控室相連接。每個PLC設(shè)備都要設(shè)置一個局域網(wǎng)，做到安全的網(wǎng)絡(luò)管理。所有用戶都設(shè)固定IP地址。每個局域網(wǎng)都可以按動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)臨時給出有數(shù)量限定和時間限定的動態(tài)IP地址，管理通過車間網(wǎng)絡(luò)分配器的Layer3。

每個控制區(qū)域使用一個C級網(wǎng)絡(luò)（255IP地址），在現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)柜里是使用L3級的交換機進行連接，每個網(wǎng)絡(luò)負載不能超過50%。每個故障、某部分網(wǎng)絡(luò)或者某個bus用戶不能工作，都要在中控室于一分鐘內(nèi)自動顯示并記錄。給出并處理相應(yīng)的活動電碼，這一過程必須是自動的、無需使用者干預(yù)的。

用于處理的所有數(shù)據(jù)，所有模塊的設(shè)備控制器均需提供，包括總產(chǎn)量，每種車型，每個生產(chǎn)區(qū)段及任意時間段的產(chǎn)量，質(zhì)量數(shù)據(jù)等，通過Profinet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給PLC進行處理后，發(fā)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(zhí)行。顯示的數(shù)據(jù)在中控室進行參數(shù)配置，中控室通過 LAN的直接與大屏幕通訊，顯示相關(guān)生產(chǎn)信息，有助于人工指導(dǎo)。

3　結(jié)束語

工業(yè)以太網(wǎng)profinet依靠其靈活、高效和高性能的特點，提高了生產(chǎn)效率，降低了投資，縮短了車間的建設(shè)周期，提高了設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實現(xiàn)了中控室與現(xiàn)場PLC的通訊和控制，滿足車間對自動化生產(chǎn)的要求，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0奠定了基礎(chǔ)。

[1]（德）博爾曼. 工業(yè)以太網(wǎng)的原理與應(yīng)用,國防工業(yè)出版社.2010.

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