基于Profinet的安全氣囊自動裝配產線網絡結構設計與實現

馬天才，宋壘陽，林維康

（同濟大學，上海 201804）

基于Profinet的安全氣囊自動裝配產線網絡結構設計與實現

馬天才，宋壘陽，林維康

（同濟大學，上海 201804）

為了提高汽車安全氣囊自動裝配產線設備可靠性，提高生產效率和合格率，設計了基于Profinet的自動裝配產線網絡結構。實踐表明，Profinet應用于產線網絡，大大簡化了電氣系統，降低了故障率，提高設備穩定性和可靠性；將現場總線設備連接到以太網，實現了產線集成化控制與數據高速傳輸，降低了生產節拍，提高了生產效率；接入質量追溯系統，將生產過程數據上傳至系統服務器，實現了工廠信息化管理，為產品全生命周期內質量追溯提供了保證。

安全氣囊；自動裝配產線；Profinet；網絡結構；質量追溯

0 引言

在汽車碰撞事故中，安全氣囊作為被動安全的重要部件，能對乘員起到很好的保護作用，已逐漸成為汽車標準配置[1]。隨著全球汽車保有量的增加，對安全氣囊的需求也在逐步攀升。為了能夠適應市場變化，各大汽車零部件廠商紛紛引進自動化裝配產線來提高生產效率。但近期因高田氣囊安全隱患，汽車廠商將在全球召回超過5000萬輛裝備有隱患氣囊的汽車。高田氣囊召回事件表明，安全氣囊質量缺陷也會給乘員帶來人身傷害，甚至生命威脅。汽車廠商對安全氣囊的產品質量把控越來越嚴格，因此對自動生產設備的穩定性和可靠性也提出了更高的要求。安全氣囊產品的質量與其零部件相關聯，在裝配時還將產生與產品惟一對應的過程數據，工廠需要記錄并存儲過程數據。一旦在使用過程中出現問題，可以向上追溯生產信息，查找問題原因，并幫助廠商定位同批次生產的氣囊，組織汽車召回，消除安全隱患[2]。

Profinet是基于工業以太網的開放的現場總線標準，能夠連接從現場層到管理層的設備，實現公司管理層對現場層的直接透明訪問。Profnet以其高實時性、豐富的診斷功能、兼容TCP/IP標準等優點，已經在汽車、物流等行業得到了廣泛的應用[3]。

本文設計一種基于Profinet的安全氣囊自動裝配產線網絡結構，能夠簡化設備的電氣系統，提高生產設備的穩定性、可靠性，便于前期調試和后期維修；并且過程數據能夠實時存儲和傳輸，結合條碼技術，將裝配產線接入質量追溯系統，實現工廠信息化。

1 系統網絡結構設計

工廠自動化網絡系統采用三級網絡結構[4]：1）現場設備層。車間內設置有多條安全氣囊裝配產線，每條生產線都根據生產工藝設置有多個工位，工位之間通過Profinet總線相連，實現了產線內的設備互聯；2）車間監控層。不同生產線都通過工業以太網接到工業交換機，每個車間都設置有質量追溯系統服務器，通過工業交換機與該車間的生產線進行互聯，對產線進行集中管理，生產規劃，記錄生產數據；3）工廠管理層。質量追溯系統向上與工廠級服務器進行通信，接收工廠服務器下發的生產任務，上傳記錄的生產信息。系統網絡結構如圖1所示。

1.1 工藝流程

安全氣囊主要由氣體發生器、導流環、氣袋和面蓋組成。使用時，氣體發生器在碰撞瞬間產生大量高壓氣體，在導流環作用下將氣體充入氣袋，氣袋膨脹撐開面蓋保護乘員。根據對安全氣囊結構和工作原理的分析，合理分解裝配步驟，設計安全氣囊裝配工藝流程為：發生器與導流環鉚接，發生器組件與氣袋裝配，氣袋折疊，面蓋壓合和產品終檢。根據工藝流程對安全氣囊裝配產線進行工位設置，每個工位完成工藝流程中的一道工序。因此本文所述氣囊裝配產線共設置5個工位，分別命名為OP10、OP20、OP30、OP40、OP50。

圖1 系統網絡結構

1.2 產線網絡結構設計

安全氣囊自動裝配產線即系統網絡結構中的現場設備層。產線由多個工位組成，各工位均設置有獨立的電氣控制系統，各工位控制系統由傳感器、電磁閥、氣缸、HMI和PLC等組成，實現單工位的自動裝配控制；工位之間通過Profi net互聯，便于產線內部集中管理。安全氣囊產線向上通過工業交換機接入質量追溯系統。安全氣囊產線網絡結構如圖 2所示。

圖2 安全氣囊產線網絡結構

各工位控制系統均采用帶有Profinet通信接口的西門子PLC為控制單元，支持Profi net通信的觸摸屏為人機交互界面，采用磁性開關、接近傳感器、激光傳感器和位移傳感器等采集信號形成反饋控制，采用電磁閥和氣缸作為執行器。為了實現條碼錄入與打印，工位配備有條碼掃描器和打印機。工位需要的執行器件數量較多，若均采用分立的電磁閥來驅動氣缸，會大大增加接線難度，遺留大量的故障點，不利于后期維護。

本文采用支持Profinet通信功能的總線閥島來集中控制電磁閥的開閉，并配備輸入模塊采集氣缸位置信息。在終檢工位，需要20個位移傳感器檢測產品高度，均為模擬量信號，若選用單個傳感器配放大器的組合方式，控制器需要額外配置20個通道的模擬量輸入模塊，電氣安裝也會耗費大量人工時間。本文選擇支持Profi net的傳感器模組，可以將位移數據通過網絡實時傳輸給PLC，大大降低了電氣接線難度，簡化了電氣系統。為了與僅有串行通信功能的第三方零部件實現數據交互，通常用協議轉換器來進行信息映射，例如支持RS232C通信的條碼掃描槍和拉鉚槍，通過協議轉換可以接入交換機，實現與其他零部件的組網。單個工位的網絡結構如圖3所示。

圖3 單工位網絡結構

2 安全氣囊產線網絡結構實現

2.1 通信接線

本文使用專業電氣設計軟件Eplan進行安全氣囊裝配產線各工位電氣系統設計[5]。每個電氣柜中以工業以太網交換機為網絡結點，通過RJ45連接器和以太網線將PLC的集成PN接口、HMI、閥島、位移傳感器、協議轉換器等連接組網。為了方便調試和維修，通常在電氣柜門上留有網絡接口。工位之間也通過交換機組網，接線方式是用網線將各站點的交換機連接，再與質量追溯系統服務器相連，因此整條產線設備都能與服務器通信。站點通信接線如圖4所示。

圖4 站點通信接線圖

2.2 硬件組態

通信接線完成以后，還需要在PLC編程環境中進行配置，即硬件組態[6]。根據選用的CPU型號及IO模塊，在STEP7硬件組態工具中按槽號依次插入模塊，并作相應參數設置。組態時要把閥島、傳感器等現場總線設備添加到通信網絡中，需要添加與之對應的GSD文件。GSD文件是對現場總線設備的數據類型和傳輸格式詳細描述的文件[7]。本文設計的安全氣囊裝配產線OP50工位硬件組態如圖5所示。

圖5 硬件組態

2.3 產線網絡設置

系統網絡體系中，每個車間、每條生產線、每臺在網設備都需要設置惟一的網絡地址，便于在聯網狀態與服務器通信。按照系統網絡架構設計，本文所述的安全氣囊生產線所在IP段為172.16.163.xxx。安全氣囊生產線共有5個工位，每個工位有3～8個現場總線設備。為了方便調試和統一管理，各站點均按順序為PLC、HMI、閥島等進行編址。在前期調試時還需要設置PG/PC接口參數，用于編程的計算機網卡地址應與產線IP地址在同一網段內。從接入產線網絡的計算機上瀏覽網絡節點，可以發現所有在網設備，無需移動計算機就可以對產線上各工位的智能設備進行編程和故障診斷。安全氣囊產線聯網節點如圖6所示。

圖6 安全氣囊產線網絡節點

條碼掃描槍僅支持串口通信協議，通過協議轉換器連入產線網絡，無法直接對其編址。為了實現條碼掃描槍上傳數據到PLC，需要在協議轉換器管理頁面設置IP地址及工作模式，并編寫PLC通信配置程序，將IP地址設置與協議轉換器地址相同即可。

完成網絡設置后，安全氣囊裝配產線就可以在工位聯動模式下自動運行。運行過程中若出現通信故障，對應模塊會有報警提示，例如閥島總線節點LED紅燈閃爍，傳感器總線模塊BF指示燈顯示紅色并以1s周期閃爍。Profi net通信故障診斷還可以通過在線監控PLC，在診斷視圖中查看，診斷緩沖區中顯示各模塊的狀態和故障事件的具體信息。

2.4 質量追溯

安全氣囊產線組網并接入質量追溯系統，接收生產規劃信息并上傳生產過程數據。在進行自動生產之前，產線站點下載計劃生產的產品型號和對應的工藝參數。從產線首站開始裝配，先掃描零部件條碼并上傳至質量追溯系統服務器，經校驗條碼規則合格后準許繼續裝配。同一零部件條碼從首站按裝配順序流入下一站，在質量追溯系統控制下，不允許跨站，也不能重復，保證了產品裝配工藝一致，產品與零部件的一一對應。裝配過程中產生的數據如鉚接時的拉力和行程，在該工序完成時，與條碼綁定上傳服務器，實現了與產品的匹配。終檢合格的產品，打印機生成客戶條碼粘貼在產品外殼，經掃碼上傳服務器后，質量追溯系統為該產品建立唯一的可追溯檔案，安全氣囊產品裝配工作完成。

3 結論

汽車安全氣囊自動裝配產線網絡利用Profinet實時性和開放性的優點，將現場總線設備連接到以太網，實現了產線集成化控制和數據高速傳輸。通過條碼技術接

【】【】入質量追溯系統，實現了生產數據記錄和質量可追溯功能。Profinet應用于產線簡化了電氣系統，節約人工成本，提高了自動化產線的效率和可靠性，為安全氣囊產品質量提供了保證。

[1] 張良華.汽車安全氣囊技術應用分析[J].通訊世界,2015(8):215-216.

[2] 朱興宇,趙銀花,宋濤.安全氣囊生產追溯系統的設計與應用[J].制造業自動化,2015(13):86-88.

[3] 廖常初.西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷[M].北京:機械工業出版社,2009.

[4] 王忠,陳明銳.基于PROFINET工業以太網的柔性制造系統的研究[J].制造業自動化,2009,31(3):89-91.

[5] 張福輝.EPLAN Electric P8教育版使用教程[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[6] 崔堅,趙欣,任術才.西門子S7可編程序控制器-STEP7編程指南[M].北京:機械工業出版社,2009.

[7] 葛鎖良,潘燦燦.腈綸生產線控制系統的通信網絡設計[J].化工自動化及儀表.2016(03):317-320.

Design and implement of the safety airbag automatic assembly line network topology based on Profinet

MA Tian-cai, SONG Lei-yang, LIN Wei-kang

TP278

A

1009-0134(2016)12-0118-03

2016-09-06

馬天才（1979 -），男，河南人，副教授，博士，研究方向為燃料電池發動機設計與開發。