工业以太网在涂装车间生产设备的应用

娄声扬

（一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130000）

1　系统的构建

工业以太网Profinet被广泛应用于一汽-大众新建涂装车间，为涂装车间提供一个完整的自动化通信网络解决方案，包括分布自动化、实时以太网及网络安全等。作为工业以太网协议，在车间环境下实现局域网的控制，集成了安全控制系统及安全总线控制，具有星型、环形、总线型等多种拓扑结构，可在无编程软件的情况下快速访问、诊断系统功能组。

每个生产区域，对应于平面图要求，在两个分开的空间中使用两个路由器，作为生产网络路由器，设备网络的网络柜须冗余的连接到生产网络-路由器上。

设备网络汇总功能上属于同一个整体的生产区域（例如，面漆线），并包括最多16个下级BS网络（16个子网）。为了新设备的首次调试，设备网络最多铺设14个BS-网络，为了保证后续改造和扩展的预留。通过冗余方式来限制设备层网络。配置2个网络柜做空间上的冗余，且网络技术上也做冗余，空间上分开铺设2个电柜的光纤，然后连接到一起。冗余的2个网络柜对于下层的网络设备来说，其实就是1个电柜。每个PLC区域都规划一个子网。所有连接到BS网络中的参与者从I/O-控制器（PLC）的IP地址范围中得到必须的IP地址。为显示线性结构，在每个Profinet设备最少集成一个两口Profinet交换机。Profinet设备的端口须装备诊断型光纤收发器。为实现简单的总线参数配置，包括设备通讯时，Profinet设备须在不使用 MMC卡时也可配置参数并运转。Profient设备的总线参数配置须使用DDLP自动执行。为简化设备参数的管理，须能连接至iPAR服务器。

2　网络系统在涂装车间中的应用

Profinet总线系统应用在涂装车间中的所有功能组（即每个PLC控制的区域），可分为机械化输送设备、工艺设备及机器人设备。所有功能组均使用S7-319F作为CPU，通过PN/PN耦合器进行实时通讯；使用触摸屏用于设备操作、状态查看及参数录入；设备层使用传感器、执行器以及输入输出模块，通过交换机组成星型或环形拓扑结构，从监控层、控制层到设备层均采用一致的网络接口和网络连接。

图1　涂装车间网络结构

机械化输送设备。随着生产对节拍要求的越来越高，同时降低人员的劳动强度，在涂装车间内需要使用机械化输送设备实现车身的自动化输送。使用Profinet工业以太网技术使得这一需求更好的实现，最具代表性的就是升降机的输送控制，使得车身能在不同高度实现车身的自动化输送。在输送系统中，使用PLC的以太网通讯模块，与布置在现场的读写装置进行通讯，每个车身都是放置在滑橇上，滑橇上配有数据载体记录所带车身的各项数据，通过读写站读出数据载体内的数据或向载体内写入数据。PLC使用Profinet与现场的变频器通讯，控制相应电机的启停，向前输送滑橇。变频器通常用于控制电机的正反转，自带I/O模块，可接入现场的行程开关、限位开关等传感器。修饰线等长距离的输送线，可使用拉绳开关及编码器控制车身精确控制位置。在机械化输送的操作台至少要安装8口交换机。 这个端口分配在整个机械化输送区域是按照同样标准组建的。（网络入口，网络出口，左边操作台区域出口，右边操作台区域出口，读写站，I/O，特殊设备，诊断） 在机械化输送区域不允许把读写站、I/O，扫描仪在线性结构上有叠加，它们必须做为末端和操作台上的交换机进行连接。

图2　涂装车间输送设备设备网络示意

工艺设备。涂装车间工艺设备是通过执行器、仪表和传感器等监控液位、温度、湿度、压力、风量等参数，主要包括前处理电泳设备、工艺空调、厂房空调等设备。以前处理电泳设备为例，控制系统使用与输送设备一样的PLC及耦合器，在设备层使用大量的传感器及仪表进行实时监控，反馈生产状态。传输的数据较大，而执行器相对较少，使用Profinet能够满足数据传输的要求，传输速率达到100Mb/s，降低了系统的扫描周期，保证PLC快速处理数据，执行相应程序满足生产工艺要求。

机器人设备。所有机器人控制器和喷涂控制器直接用Profinet和Profisafe与设备控制器相连。联结机器人的机器人控制器或设备控制器，从相关输送设备控制柜获取车身信息和位置信息。如果正在进行喷涂轨迹，机器人除获得一般性信息之外，还要获取为此所需的输送设备的路程增量。机器人的控制及显示借助设备PLC和设备目视化，并能通过目视化系统更改、模拟程序，所有机器人状态信号（手臂、自动、故障、维护、运行、等待位置、原始位置等）包括节拍结束时停止显示，均可在目视化显示。

涂装车间的网络以以太网技术为基础，按IEEE 802.x标准实施。设备网络将设备与中控室相连接。控制器与分包模块之间的信号交换通过 I/O（输入、输出）-层面或者Gateways/Coupler（网关/耦合器）来实现。并与焊装、总装、废水设备、冷冻机、中压供电设备、消防中控室相连接。每个PLC设备都要设置一个局域网，做到安全的网络管理。所有用户都设固定IP地址。每个局域网都可以按动态主机配置协议(DHCP)临时给出有数量限定和时间限定的动态IP地址，管理通过车间网络分配器的Layer3。

每个控制区域使用一个C级网络（255IP地址），在现场PLC使用L2级交换机来连接所有的Profinet的参与者。这些借助星型的光纤和上一级连接，在每一个网络柜里是使用L3级的交换机进行连接，每个网络负载不能超过50%。每个故障、某部分网络或者某个bus用户不能工作，都要在中控室于一分钟内自动显示并记录。给出并处理相应的活动电码，这一过程必须是自动的、无需使用者干预的。

用于处理的所有数据，所有模块的设备控制器均需提供，包括总产量，每种车型，每个生产区段及任意时间段的产量，质量数据等，通过Profinet网络将数据传递给PLC进行处理后，发送到中控室保存。

在涂装须在中央的位置安装一个基于 PC的 LCD大屏幕，显示涂装概览图。显示信息通过中控室的计算机硬件执行。显示的数据在中控室进行参数配置，中控室通过 LAN的直接与大屏幕通讯，显示相关生产信息，有助于人工指导。

3　结束语

工业以太网profinet依靠其灵活、高效和高性能的特点，提高了生产效率，降低了投资，缩短了车间的建设周期，提高了设备数据传输的稳定性，实现了中控室与现场PLC的通讯和控制，满足车间对自动化生产的要求，为实现工业 4.0奠定了基础。

[1]（德）博尔曼. 工业以太网的原理与应用,国防工业出版社.2010.

[2] 徐甫荣. PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异.中国工控网.