PN/PN Coupler 在汽車焊裝線中的應(yīng)用

石秀娟 郭曉杰 周利飛 洪鐵超

（一汽模具制造有限公司，吉林 長(zhǎng)春130013）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備的性能也提出了更高的要求，如何快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)通信成為關(guān)鍵。同時(shí)，車間內(nèi)的人身安全也是必須關(guān)注的焦點(diǎn)，且要求簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、節(jié)約項(xiàng)目成本。現(xiàn)階段的汽車焊裝生產(chǎn)線上，Profinet 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已成為主流方式，焊裝線體與線體之間在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通訊上都全方位被Profinet 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而PN/PN Coupler 在Profinet 網(wǎng)絡(luò)通訊中發(fā)揮了巨大的作用。

PROFINET 由 PROFIBUS 國(guó) 際 組 織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET 為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，并且作為跨供應(yīng)商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護(hù)現(xiàn)有投資。

PROFINET 是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8 個(gè)主要的模塊，依次為實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT 標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、故障安全和過程自動(dòng)化。

隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能程度的不斷提高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分散程度也越來越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動(dòng)化向分布式自動(dòng)化演進(jìn)，因此，基于組件的自動(dòng)化（Component Based Automation，CBA）成為新興的趨勢(shì)。工廠中的相關(guān)的機(jī)械部件、電氣/電子部件和應(yīng)用軟件等具有獨(dú)立工作能力的工藝模塊抽象成為一個(gè)封裝好的組件，各組件間使用PROFINET 連接。

通過模塊化這一理念，可以顯著降低機(jī)器和工廠建設(shè)中的組態(tài)與上線調(diào)試時(shí)間。在使用分布式智能系統(tǒng)或可編程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和I/O 時(shí)，還可以擴(kuò)展使用模塊化理念，從機(jī)械應(yīng)用擴(kuò)展到自動(dòng)化解決方案。

1 PN/PN Coupler 模塊的優(yōu)勢(shì)

PN/PN Coupler 的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大；只需要兩根PN 網(wǎng)絡(luò)線就可將兩個(gè)Profinet 網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)了PLC 的同步和通信。在焊裝生產(chǎn)線中，主要設(shè)備有焊接機(jī)器人、MOVIPRO、MOVIFIT、上位機(jī)、K 箱、SV 柜、BV 柜、焊接控制器、固定修模器等如圖1 所示，設(shè)備種類繁多、布局分散。每臺(tái)控制柜內(nèi)的PLC 與遠(yuǎn)程模塊ET200SP、工控機(jī)、變頻器等形成一個(gè)單獨(dú)的Profinet 網(wǎng)絡(luò),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的過程設(shè)備、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備在各自的網(wǎng)絡(luò)里獨(dú)立運(yùn)行。不同總線里的設(shè)備有時(shí)需要進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)交換，在傳統(tǒng)總線系統(tǒng)里，信號(hào)交換往往用繼電器實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)交換量?jī)H停留在位的層面。一臺(tái)PLC 的輸出驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，繼電器的觸點(diǎn)作為另一臺(tái)PLC 的輸入。這種方式在信號(hào)少、數(shù)據(jù)量小時(shí)可以輕易實(shí)現(xiàn)，但是在信號(hào)多、數(shù)據(jù)量大時(shí)，繼電器體積大、機(jī)械觸點(diǎn)多，需要足夠空間容納且觸點(diǎn)容易損壞，不利于安全運(yùn)行與維護(hù)。例如所以我們?cè)赑rofinet 總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里大量使用PN/PN Coupler 模塊來解決信號(hào)交互多、數(shù)據(jù)量大的問題。PN/PN Coupler 因?yàn)槠渌粨Q的數(shù)據(jù)量大，不但可以交互開關(guān)量，也可以交互模擬量的特點(diǎn)，使其廣泛的應(yīng)用在工藝復(fù)雜的大型控制系統(tǒng)中。

圖1 平面布置示意圖

2 PN/PN Coupler 模塊介紹

PNPN 耦合器（PNPN Coupler）用來連接兩個(gè)Profinet 網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最多可以交換1024 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交換使用兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)都有發(fā)送區(qū)域（Output）和接收區(qū)域（Input）。一個(gè)Profinet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送區(qū)對(duì)應(yīng)另一個(gè)Profinet 網(wǎng)絡(luò)的接收區(qū)，反之亦然。發(fā)送和接收區(qū)域需要使用組態(tài)工具進(jìn)行設(shè)置。

3 PN/PNCoupler 模塊數(shù)據(jù)交換

3.1 PN/PNCoupler 耦合的兩個(gè)Profinet 網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立的，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)電氣隔離，一個(gè)網(wǎng)段故障不影響另一個(gè)網(wǎng)段運(yùn)行；站地址可以不同；最多可以建立16 個(gè)I/O 數(shù)據(jù)交換區(qū)，它的每個(gè)Profinet 接口作為一個(gè)獨(dú)立的IO Device 在網(wǎng)絡(luò)中有單獨(dú)的Device name。

3.2 冗余電源設(shè)計(jì)

PNPN 耦合器采用冗余電源設(shè)計(jì)，可以連接兩個(gè)獨(dú)立的24V 電源（PS1 和PS2），但在同一時(shí)刻只有一個(gè)電源處于激活狀態(tài)，當(dāng)前電源故障時(shí)，會(huì)立刻切換到另一個(gè)電源。

4 PN/PN Coupler 的使用

4.1 使用西門子博圖編程軟件，現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)通過Profinet 銅纜連接到W1FFFB 區(qū)域 PN/PNCoupler 網(wǎng)口X1P1 上，同時(shí)W1FFFB 區(qū)域 PN/PNCoupler X1P2 網(wǎng)口連接到W1FEER 區(qū)域PN/PNCoupler 的X2P1 上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的硬件連接，如下圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在一汽轎車HS5 項(xiàng)目已投產(chǎn)使用。

圖2 一汽轎車HS5 項(xiàng)目博圖中組網(wǎng)實(shí)例

4.2 PN/PN Coupler 網(wǎng)絡(luò)配置

在網(wǎng)絡(luò)圖2 中雙擊W1FFFB1 , 為Coupler 分配網(wǎng)絡(luò)地192.168.21.17 , 信號(hào)交互W1FEER 區(qū)域PN/PNCoupler 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，IP 地址192.168.21.18.這樣在編程軟件中兩個(gè)交互信號(hào)區(qū)域的IP 地址我們就設(shè)置完畢。

4.3 PLC 編程。PN/PN Coupler 為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的信號(hào)傳遞，在西門子博圖中我們通過定義“發(fā)送”、“接受”DB 塊來實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖3 中所定義的是W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的DB 數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)塊定義好之后，我們就開始應(yīng)用這些數(shù)據(jù)編程，圖4 中的這些程序段實(shí)現(xiàn)了這些交互信號(hào)在實(shí)際控制中的應(yīng)用。

圖3 W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的DB 塊數(shù)據(jù)

圖4 在程序中，W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的信號(hào)

4.4 同理，W1FFFB 區(qū)域"接受"W1FEER 區(qū)域的信號(hào)在程序中也同樣配置。

這樣，我們通過上述對(duì)Coupler 的設(shè)置及編程，成功實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳遞。

5 結(jié)論

PN/PN Coupler 的應(yīng)用使Profinet 網(wǎng)絡(luò)從深度和廣度上發(fā)揮了更加強(qiáng)大的作用。PN/PN Coupler 是焊裝線中各個(gè)分支系統(tǒng)中不同網(wǎng)段的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的橋梁，在實(shí)踐中節(jié)省了大量的線纜、橋架、連接件；減少了系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護(hù)時(shí)間；降低人工成本、降低故障率、提高生產(chǎn)可靠性；有利于保證生產(chǎn)質(zhì)量，方便生產(chǎn)線維護(hù)；可作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在各種焊裝生產(chǎn)線上。