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(wǎng)，充分融合了現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)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(xiàn)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(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的汽車行業(yè)已經(jīng)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(chǎn)成本，另一方面還要不斷提高汽車生產(chǎn)的質(zhì)量標準。在具體的汽車生產(chǎn)過程中，其自動化程度相對比較高，對生產(chǎn)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(chǎn)效率，并實現(xiàn)汽車生產(chǎn)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(jīng)國際組織推出。PROFINET給自動化通信領域提供了一個完整的網(wǎng)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(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全和網(wǎng)絡安全等技術，并且以新的以太網(wǎng)通訊技術為基礎，將場總線和以太網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)在工業(yè)環(huán)境下，PROFINET可對無線局域網(wǎng)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(jié)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡、網(wǎng)絡內(nèi)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(shù)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(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點數(shù)量出現(xiàn)了大幅度增加的趨勢，這就為實現(xiàn)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(xiàn)了集成的安全。并且通過PROFINET，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在汽車生產(chǎn)網(wǎng)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(wǎng)標準的PROFINET在汽車生產(chǎn)中的應用。這表明，PROFINET技術已經(jīng)開始汽車制造過程中進行應用。經(jīng)過多年的實踐經(jīng)驗，結(jié)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(wǎng)絡構建，不僅實現(xiàn)了中央控制結(jié)構到本地的分布式智能控制，在生產(chǎn)領域內(nèi)充分發(fā)揮了信息技術的優(yōu)勢，提升了其生產(chǎn)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(jīng)在汽車制造領域中，實現(xiàn)了廣泛的應用，具體主要體現(xiàn)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(xiàn)為：控制點數(shù)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(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，還可以利用網(wǎng)段劃分的方式，將信息網(wǎng)和控制網(wǎng)進行有效的隔離，實現(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(wǎng)絡進行控制^[6]?？梢哉f，通過PROFINET的應用，利用監(jiān)控層、控制層和設備層，實現(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(chǎn)效率、降低勞動人員的工作強度，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(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(shù)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(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(shù)據(jù)傳輸量較大^[7]。

3 PROFINET應用現(xiàn)狀分析

目前而言，我國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應用。而長城、奇瑞、吉利等國內(nèi)自主品牌的汽車制造商，在發(fā)展的過程中，均紛紛借鑒外國的先進經(jīng)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(xiàn)了沖壓階段之間的進給裝置自動化，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(xiàn)故障方面的信息提示，要對這些出現(xiàn)故障網(wǎng)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(wǎng)絡接口出現(xiàn)了故障，可以將其移至到總線的末端，并在軟件系統(tǒng)中對硬件配置進行修改即可^[8]。

4 結(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)現(xiàn)場主干控制網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對汽車生產(chǎn)進行數(shù)字化、智能化和柔性化管理，從而達到縮短汽車生產(chǎn)周期、提高汽車生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

參考文獻

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