甘守武 陳志君 李蕊

摘 要：PROFINET作為工業(yè)4.0主干網(wǎng)，充分融合了現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。論文以PROFINET在汽車制造中的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的研究。關(guān)鍵詞：PROFINET;汽車制造;具體應(yīng)用中圖分類號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)的汽車行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高速發(fā)展的階段，且面臨的競(jìng)爭(zhēng)越來越大。在這種情況下，汽車制造業(yè)一方面要降低生產(chǎn)成本，另一方面還要不斷提高汽車生產(chǎn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在具體的汽車生產(chǎn)過程中，其自動(dòng)化程度相對(duì)比較高，對(duì)生產(chǎn)過程中的流程控制和信息控制要求也相對(duì)比較高。因此，必須要采用有效的技術(shù)措施，以提高汽車生產(chǎn)效率，并實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)線的柔性化。

1 PROFINET相關(guān)概述

1.1 ROFINET

PROFINET是一種新型的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，是由西門子公司主導(dǎo)開發(fā)，并經(jīng)國(guó)際組織推出。PROFINET給自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在該系統(tǒng)中充分融合了多種技術(shù)，包括以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，并且以新的以太網(wǎng)通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，將場(chǎng)總線和以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)充分地融合到一起。

同時(shí)，PROFINET還具有最常用的實(shí)時(shí)通訊技術(shù)支持、CP/IP標(biāo)準(zhǔn)通訊技術(shù)、等時(shí)同步實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，在自動(dòng)化控制中具有明顯的優(yōu)勢(shì)^[1]。

1.2 ROFINET 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

PROFINET 是世界上唯一一種可以將工廠和過程自動(dòng)化完全覆蓋的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，在使用的過程中，PROFINET完全繼承了PRIFIBUS在工業(yè)應(yīng)用中的性能要求，并將以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)充分融入其中，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。具體來說，集中表現(xiàn)在以下四方面：

1.2.1 活性

PROFINET在工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用過程中，具有較強(qiáng)的靈活性。主要體現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境下，PROFINET可對(duì)無線局域網(wǎng)進(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)對(duì)安全控制系統(tǒng)、安全總線控制。在PROFINET形勢(shì)下，通過快速瀏覽的網(wǎng)頁(yè)，即便是在沒有編程軟件的情況下，也可以進(jìn)行快速訪問，并對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行診斷。

1.2.2 效性

在具體應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)所有的控制，如：實(shí)時(shí)通訊、標(biāo)準(zhǔn)IT通訊、特殊通訊控制等;同時(shí)，利用PROFINET技術(shù)，可以在不利用STEP7編程軟件的情況系啊，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷;利用PROFINET中的PROFIenergy技術(shù)，無需通過額外硬件控制字節(jié)的形式，就可以進(jìn)行能源管理，具有極高的節(jié)能作用;最后，利用PROFINET技術(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)中的所存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行快速更換，并對(duì)其進(jìn)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(yīng)用的過程中，PROFINET技術(shù)縮短了循環(huán)掃描的周期，提高了傳輸速率。在PROFINET技術(shù)中，即便是利用普通的銅制線纜，其等時(shí)同步實(shí)時(shí)通訊的循環(huán)掃描周期為31.25μs，且傳輸速率高達(dá)100MB/s，這就為提高設(shè)備加工精度提供了一個(gè)強(qiáng)有力的保障;另一方面，與PROFIBUS相比，在PROFINET技術(shù)中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)了大幅度增加的趨勢(shì)，這就為實(shí)現(xiàn)故障安全控制于一根電纜提供了基礎(chǔ)和可能性。同時(shí)，PROFINET技術(shù)還具有明顯的安裝方便優(yōu)勢(shì)，并大大提升了整個(gè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力，為整個(gè)控制系統(tǒng)的的正常、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。

1.2.4 安全性

在具體應(yīng)用的過程中，PROFINET無需再進(jìn)行額外的電纜布線，其應(yīng)用程序、故障安全解決方案之間也無需進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了集成的安全。并且通過PROFINET，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在汽車生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行安全傳輸^[4]。

2 PROFINET在汽車制造中的具體應(yīng)用

2004年11月，在SPS展覽會(huì)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用。這表明，PROFINET技術(shù)已經(jīng)開始汽車制造過程中進(jìn)行應(yīng)用。經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在汽車制造行業(yè)中，充分利用PROFINET技術(shù)，有助于幫助汽車制造領(lǐng)域的用戶建立起一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，不僅實(shí)現(xiàn)了中央控制結(jié)構(gòu)到本地的分布式智能控制，在生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)充分發(fā)揮了信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提升了其生產(chǎn)的自動(dòng)化，同時(shí)并進(jìn)一步簡(jiǎn)化了汽車制造業(yè)系統(tǒng)的升級(jí)、改造^[5]。

目前，PROFINET技術(shù)已經(jīng)在汽車制造領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，具體主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

2.1 PROFINET在集成類控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車的集成類控制系統(tǒng)是指一條線體、一套設(shè)備的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)、兩個(gè)以上的子系統(tǒng)共同組成。該系統(tǒng)具有顯著的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：控制點(diǎn)數(shù)多、區(qū)域集中，并且各個(gè)子系統(tǒng)之間還存在大量的信號(hào)連鎖，如：自動(dòng)化沖壓線、多工位沖壓線、激光拼焊線、自動(dòng)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(dòng)化開卷線為例，對(duì)PROFINET技術(shù)在其中的具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討。在汽車的自動(dòng)化開卷線工藝中，必須要將不同厚度、不同寬度的鋼卷進(jìn)行裁剪，使之成為符合使用規(guī)格的鋼片。在具體進(jìn)行裁剪工藝的過程中，由于使用涉及到多個(gè)單元，控制較為復(fù)雜。而通過PROFINET的應(yīng)用，可以將自動(dòng)化開卷線的控制系統(tǒng)進(jìn)行劃分，是指成為監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層。其中，監(jiān)控層主要有上位機(jī)和車間的過程監(jiān)控系統(tǒng)共同組成，主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)、故障和運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控。并將所監(jiān)控的參數(shù)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(shí)，還可以利用網(wǎng)段劃分的方式，將信息網(wǎng)和控制網(wǎng)進(jìn)行有效的隔離，實(shí)現(xiàn)通訊可靠;控制層作為蓋層的核心，由開卷、剪切和堆垛三個(gè)子系統(tǒng)共同組成，主要通過耦合器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)、故障信息進(jìn)行查看等;設(shè)備層主要包括相關(guān)的檢車和執(zhí)行元件，以及PLC通訊，可通過線性拓?fù)浣M成的方式對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制^[6]。可以說，通過PROFINET的應(yīng)用，利用監(jiān)控層、控制層和設(shè)備層，實(shí)現(xiàn)了“一網(wǎng)到底”的控制。

2.2 PROFINET在輸送控制類系統(tǒng)中的應(yīng)用

在汽車生產(chǎn)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(gè)部門裝配的輸送等。尤其是當(dāng)前，隨著汽車市場(chǎng)需求量日益加大，汽車行業(yè)必須要不斷提高其生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)人員的工作強(qiáng)度，以提高汽車的產(chǎn)量。

在這種情況下，通過PROFINET在汽車輸送控制類系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的高速運(yùn)行，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的生產(chǎn)效率。其中，最具代表性的為PROFINET在EMS輸送控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，加快了汽車生產(chǎn)過程中的吊具升降和旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(duì)汽車的液位、溫度、濕度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行有效的控制。PROFINET在汽車的過程控制類系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)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(diào)控制、三元體換熱控制等系統(tǒng)。

電泳設(shè)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(gè)重要組成部分，主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成，即：前處理控制、陽(yáng)極管監(jiān)測(cè)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(shù)的應(yīng)用，選用了智能設(shè)備的形式，既滿足了實(shí)時(shí)通訊的需求，且控制點(diǎn)相對(duì)較少，數(shù)據(jù)傳輸量較大^[7]。

3 PROFINET應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前而言，我國(guó)的合資品牌汽車制造商均是已經(jīng)采用了全球統(tǒng)一規(guī)范的PROFINET應(yīng)用。而長(zhǎng)城、奇瑞、吉利等國(guó)內(nèi)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(guó)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，開始進(jìn)行PROFINET應(yīng)用。例如，奇瑞汽車將PROFINET中的PRoFIsafe安裝技術(shù)應(yīng)用到增加沖壓線的系統(tǒng)中，不僅實(shí)現(xiàn)了沖壓階段之間的進(jìn)給裝置自動(dòng)化，也為其生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省了較大的成本投入，贏得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

需要注意的是，汽車制造在應(yīng)用PROFINET的時(shí)候，必須要采取有效的措施，從軟硬件不同的角度，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定。在利用的過程中，一旦出現(xiàn)故障方面的信息提示，要對(duì)這些出現(xiàn)故障網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，之后在硬件上將該設(shè)備進(jìn)行拆除。如果僅僅是該設(shè)備中的某一個(gè)PROFI -NET網(wǎng)絡(luò)接口出現(xiàn)了故障，可以將其移至到總線的末端，并在軟件系統(tǒng)中對(duì)硬件配置進(jìn)行修改即可^[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，伴隨著汽車市場(chǎng)需求量的激增，汽車行業(yè)面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)。在新的形勢(shì)下，可充分利用PROFINET技術(shù)，積極構(gòu)建出一個(gè)功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、配置靈活的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主干控制網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化、智能化和柔性化管理，從而達(dá)到縮短汽車生產(chǎn)周期、提高汽車生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

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