PROFINET在汽車制造的應用研究

甘守武 陳志君 李蕊

摘 要：PROFINET作為工業(yè)4.0主干網，充分融合了現場總線和以太網優(yōu)勢，極大提升了汽車制造系統(tǒng)的柔性化、高效性和高性能，是汽車制造業(yè)實現智能制造的關鍵技術。論文以PROFINET在汽車制造中的應用，對其進行了詳細的研究。關鍵詞：PROFINET;汽車制造;具體應用中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）01-145-03

Application of PROFINET in automobile manufacturing

Gan Shouwu， Chen Zhijun， Li Rui

（Intelligent manufacturing and automotive engineering of Chongqing College of electronicEngineering，?Chongqing?401331）

Abstract：?PROFINET，?as?the?backbone?network?of?industrial?4.0，?fully?integrates?the?advantages?of?field-bus?and?Ethernet，?greatly?improving?the?flexibility，?efficiency?and?high?performance?of?automotive?manufacturing?system.?And?it?is?the?key?technology?to?realize?the?intelligent?manufacturing?in?the?automobile?industry.?In?this?context，?this?paper?focused?on?the?detailed?study?of?the?application?of?PROFINET?in?automobile?manufacturing.Keywords： PROFINET; Automobile manufacturing; The specific applicationCLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID：?1671-7988（2019）01-145-03

前言

經過幾十年的發(fā)展，我國的汽車行業(yè)已經進入到一個高速發(fā)展的階段，且面臨的競爭越來越大。在這種情況下，汽車制造業(yè)一方面要降低生產成本，另一方面還要不斷提高汽車生產的質量標準。在具體的汽車生產過程中，其自動化程度相對比較高，對生產過程中的流程控制和信息控制要求也相對比較高。因此，必須要采用有效的技術措施，以提高汽車生產效率，并實現汽車生產線的柔性化。

1 PROFINET相關概述

1.1 ROFINET

PROFINET是一種新型的自動化總線標準，是由西門子公司主導開發(fā)，并經國際組織推出。PROFINET給自動化通信領域提供了一個完整的網絡解決方案，在該系統(tǒng)中充分融合了多種技術，包括以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全和網絡安全等技術，并且以新的以太網通訊技術為基礎，將場總線和以太網優(yōu)勢充分地融合到一起。

同時，PROFINET還具有最常用的實時通訊技術支持、CP/IP標準通訊技術、等時同步實時通訊技術，在自動化控制中具有明顯的優(yōu)勢^[1]。

1.2 ROFINET 的應用優(yōu)勢

PROFINET 是世界上唯一一種可以將工廠和過程自動化完全覆蓋的現場總線標準，在使用的過程中，PROFINET完全繼承了PRIFIBUS在工業(yè)應用中的性能要求，并將以太網優(yōu)勢充分融入其中，具有顯著的優(yōu)勢。具體來說，集中表現在以下四方面：

1.2.1 活性

PROFINET在工業(yè)自動化的應用過程中，具有較強的靈活性。主要體現在工業(yè)環(huán)境下，PROFINET可對無線局域網進行良好的控制，并且形成一種具有總線型、星型、環(huán)型等多種拓撲結構，以加強對安全控制系統(tǒng)、安全總線控制。在PROFINET形勢下，通過快速瀏覽的網頁，即便是在沒有編程軟件的情況下，也可以進行快速訪問，并對系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行診斷。

1.2.2 效性

在具體應用的過程中，PROFINET可將所有的控制需求集成，使其于一根線纜之上，從而只要通過PROFINET的總線，即可實現對所有的控制，如：實時通訊、標準IT通訊、特殊通訊控制等;同時，利用PROFINET技術，可以在不利用STEP7編程軟件的情況系啊，對網絡、網絡內的設備狀態(tài)進行快速、準確的診斷;利用PROFINET中的PROFIenergy技術，無需通過額外硬件控制字節(jié)的形式，就可以進行能源管理，具有極高的節(jié)能作用;最后，利用PROFINET技術，可以對系統(tǒng)中的所存儲的參數進行快速更換，并對其進行充分利用，以提高資源利用率^[2-3]。

1.2.3 高性能

在具體應用的過程中，PROFINET技術縮短了循環(huán)掃描的周期，提高了傳輸速率。在PROFINET技術中，即便是利用普通的銅制線纜，其等時同步實時通訊的循環(huán)掃描周期為31.25μs，且傳輸速率高達100MB/s，這就為提高設備加工精度提供了一個強有力的保障;另一方面，與PROFIBUS相比，在PROFINET技術中，網絡內的節(jié)點數量出現了大幅度增加的趨勢，這就為實現故障安全控制于一根電纜提供了基礎和可能性。同時，PROFINET技術還具有明顯的安裝方便優(yōu)勢，并大大提升了整個控制系統(tǒng)的抗干擾能力，為整個控制系統(tǒng)的的正常、穩(wěn)定運行提供了有力的保障。

1.2.4 安全性

在具體應用的過程中，PROFINET無需再進行額外的電纜布線，其應用程序、故障安全解決方案之間也無需進行特定的設計，實現了集成的安全。并且通過PROFINET，可實現數據在汽車生產網絡中進行安全傳輸^[4]。

2 PROFINET在汽車制造中的具體應用

2004年11月，在SPS展覽會上，奧迪、寶馬、梅勒-克萊斯勒、大眾四家汽車行業(yè)共同宣布，支持工業(yè)以太網標準的PROFINET在汽車生產中的應用。這表明，PROFINET技術已經開始汽車制造過程中進行應用。經過多年的實踐經驗，結果顯示：在汽車制造行業(yè)中，充分利用PROFINET技術，有助于幫助汽車制造領域的用戶建立起一個統(tǒng)一的網絡構建，不僅實現了中央控制結構到本地的分布式智能控制，在生產領域內充分發(fā)揮了信息技術的優(yōu)勢，提升了其生產的自動化，同時并進一步簡化了汽車制造業(yè)系統(tǒng)的升級、改造^[5]。

目前，PROFINET技術已經在汽車制造領域中，實現了廣泛的應用，具體主要體現在三個方面：

2.1 PROFINET在集成類控制系統(tǒng)中的應用

汽車的集成類控制系統(tǒng)是指一條線體、一套設備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個、兩個以上的子系統(tǒng)共同組成。該系統(tǒng)具有顯著的特點，主要表現為：控制點數多、區(qū)域集中，并且各個子系統(tǒng)之間還存在大量的信號連鎖，如：自動化沖壓線、多工位沖壓線、激光拼焊線、自動化開卷線等。

在研究的過程中，以汽車集成類控制系統(tǒng)中的自動化開卷線為例，對PROFINET技術在其中的具體應用進行了詳細的探討。在汽車的自動化開卷線工藝中，必須要將不同厚度、不同寬度的鋼卷進行裁剪，使之成為符合使用規(guī)格的鋼片。在具體進行裁剪工藝的過程中，由于使用涉及到多個單元，控制較為復雜。而通過PROFINET的應用，可以將自動化開卷線的控制系統(tǒng)進行劃分，是指成為監(jiān)控層、控制層和設備層。其中，監(jiān)控層主要有上位機和車間的過程監(jiān)控系統(tǒng)共同組成，主要負責設備狀態(tài)、故障和運行參數的監(jiān)控。并將所監(jiān)控的參數通過該系統(tǒng)中的通訊模塊，將其反饋給車間過程的監(jiān)控系統(tǒng)。同時，還可以利用網段劃分的方式，將信息網和控制網進行有效的隔離，實現通訊可靠;控制層作為蓋層的核心，由開卷、剪切和堆垛三個子系統(tǒng)共同組成，主要通過耦合器對整個系統(tǒng)進行實時通訊，主要負責對設備的狀態(tài)、故障信息進行查看等;設備層主要包括相關的檢車和執(zhí)行元件，以及PLC通訊，可通過線性拓撲組成的方式對整個網絡進行控制^[6]。可以說，通過PROFINET的應用，利用監(jiān)控層、控制層和設備層，實現了“一網到底”的控制。

2.2 PROFINET在輸送控制類系統(tǒng)中的應用

在汽車生產過程中，輸送控制類系統(tǒng)主要包括四大工藝車間、焊裝的分總成輸送、白車身輸送、沖壓的廢料輸送、總裝車身以及各個部門裝配的輸送等。尤其是當前，隨著汽車市場需求量日益加大，汽車行業(yè)必須要不斷提高其生產效率、降低勞動人員的工作強度，以提高汽車的產量。

在這種情況下，通過PROFINET在汽車輸送控制類系統(tǒng)中的應用，進一步提高了整個系統(tǒng)的高速運行，大大提高了企業(yè)生產行業(yè)的生產效率。其中，最具代表性的為PROFINET在EMS輸送控制系統(tǒng)中的應用，加快了汽車生產過程中的吊具升降和旋轉效率，使得汽車的裝配更加方便。

2.3 PROFINET在過程控制類系統(tǒng)中的應用

汽車的過程控制類系統(tǒng)主要包括控制器、儀表、傳感器，通過過程控制系統(tǒng)可以對汽車的液位、溫度、濕度、壓力、流量等參數進行有效的控制。PROFINET在汽車的過程控制類系統(tǒng)中的應用，主要表現在涂裝車間前處理電泳控制、流體輸送控制、工藝和環(huán)境空調控制、三元體換熱控制等系統(tǒng)。

電泳設備控制系統(tǒng)和前處理是汽車過程控制類系統(tǒng)中的一個重要組成部分，主要由四個子系統(tǒng)組成，即：前處理控制、陽極管監(jiān)測系統(tǒng)、電泳控制系統(tǒng)和整流電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過了PROFINET技術的應用，選用了智能設備的形式，既滿足了實時通訊的需求，且控制點相對較少，數據傳輸量較大^[7]。

3 PROFINET應用現狀分析

目前而言，我國的合資品牌汽車制造商均是已經采用了全球統(tǒng)一規(guī)范的PROFINET應用。而長城、奇瑞、吉利等國內自主品牌的汽車制造商，在發(fā)展的過程中，均紛紛借鑒外國的先進經驗，開始進行PROFINET應用。例如，奇瑞汽車將PROFINET中的PRoFIsafe安裝技術應用到增加沖壓線的系統(tǒng)中，不僅實現了沖壓階段之間的進給裝置自動化，也為其生產企業(yè)節(jié)省了較大的成本投入，贏得了一定的經濟效益。

需要注意的是，汽車制造在應用PROFINET的時候，必須要采取有效的措施，從軟硬件不同的角度，保障設備的安全穩(wěn)定。在利用的過程中，一旦出現故障方面的信息提示，要對這些出現故障網絡節(jié)點進行準確的確定，之后在硬件上將該設備進行拆除。如果僅僅是該設備中的某一個PROFI -NET網絡接口出現了故障，可以將其移至到總線的末端，并在軟件系統(tǒng)中對硬件配置進行修改即可^[8]。

4 結束語

綜上所述，伴隨著汽車市場需求量的激增，汽車行業(yè)面臨著轉型升級。在新的形勢下，可充分利用PROFINET技術，積極構建出一個功能強大、性能穩(wěn)定、配置靈活的生產現場主干控制網絡，以實現對汽車生產進行數字化、智能化和柔性化管理，從而達到縮短汽車生產周期、提高汽車生產效率、降低生產成本的目的。

參考文獻

[1] 崔玉朋，張薇，王萬峰，王哲，張強. 淺談PROFINET在汽車制造的應用[J]. 汽車工藝與材料，2016（01）：6-10.

[2] PROFINET開啟汽車智能制造4.0時代的金鑰匙——PI-China協(xié)會技術專家章文俊[J]. 儀器儀表標準化與計量，2016（05）：19-20.

[3] 特邀記者.PROFINET提升制造品質打造中國汽車品牌——訪南京泰普森自動化設備有限公司執(zhí)行副總經理王偉先生[J].中國儀器儀表，2018（08）：35-36.

[4] PROFINET應用于大眾途觀生產鏈制造[J].中國儀器儀表，2018 （08）：39.

[5] 王靜.汽車制造業(yè)——PROFINET讓汽車生產變得更簡單[J].儀器儀表標準化與計量，2016（06）：4.

[6] 蔡冠軍.基于PROFINET的汽車前后梁焊接控制系統(tǒng)設計[D].長春理工大學，2017.

[7] 黃鈺婷.基于ProfiNet網絡的汽車生產線自動控制系統(tǒng)設計[J]. 現代商貿工業(yè)， 2017（14）：185-185.

[8] 馮春山.PROFINET工業(yè)以太網技術研究[J].設備管理與維修， 2016（1）：25-26.