基于工业以太网PROFINET的整车生产线电气架构

程辰，张展鸿，邓汝炬

基于工业以太网PROFINET的整车生产线电气架构

程辰，张展鸿，邓汝炬

（广汽乘用车有限公司，广东 广州 511434）

自主汽车企业在标准化方面仍有进步空间，而电气硬件架构是所有电气规范建立的基础，因此，建立标准的电气硬件架构，有助于自主车企在此基础上逐步形成和完善自己的标准体系。文章搭建了一种基于PROFINET的生产线电气硬件架构，并以此为基础，进行智能制造相关功能的拓展，对类似生产线电气设计有一定的参考价值。

电气规范；硬件架构；PROFINET；智能制造

1 电气硬件架构的意义

1.1 相关背景

近几年，一批自主汽车品牌取得了突飞猛进的发展，市场占有率持续增长，生产基地迅速在各地扩张。但与传统外资车企相比，自主车企在标准化方面仍有一定的进步空间。同时，由于智能制造概念的不断普及和深入，在生产线设计初期就应充分考虑各种功能拓展，留出必要的硬件接口。在这样的背景下，建立更为标准化的生产线电气硬件架构，显得尤为重要。

本文以西门子S7-1500系列PLC为基础，搭建一套完整的可用于整车生产线的电气硬件架构，为生产线电气控制系统的规范化提供行之有效的参考。

1.2 硬件架构的概念和意义

自动化生产线由多种设备组成，通过PLC控制，设备协同按一定规则作业。不同设备之间通过网络、接线等方式连接起来，共同构成生产线的硬件架构。

硬件架构反映出了生产线设备之间的组成关系，搭建完整、细致的硬件架构，是生产线设计的重要基础环节，对标准执行、稳定运营、成本节约都具有很大的指导意义[1-2]。

2 控制架构搭建

2.1 通信协议选定

PROFINET是基于工业以太网技术的自动化总线标准，为自动化通信领域提供了一个完整的工业网络解决方案[1]。近年来，越来越多的终端产品推出兼容PROFINET的版本，PROFINET也随之得到更为广阔的推广应用。

西门子S7-1500系列PLC是在S7-300系列的基础上推出的全新系列工控产品。新一代产品与西门子博途平台紧密结合，其智能化、自动化的特点，逐步替代了原先的S7-300系列产品[3]。

2.2 四层控制架构框架

生产线控制架构框架分为四层，如图1。

图1 四层控制架构示意

第一层为汇总/决策层级，主要包括公司级服务器等，用于全公司生产信息的监控、存储和查询。目前，业内一些整车厂也会借助工业云实现这类功能。

第二层为数据汇总层级，包括生产线上位系统、交换机、车间级服务器等。此层级数据交换主要通过以太网进行。通过上位系统与生产线PLC的数据交互，实现生产过程的数字化、信息化[1]。

第三层为现场控制层级，主要包括PLC及交换机等设备。此层级的数据交换主要通过PROFINET进行。作为现场控制的核心，PLC控制着整个区域内的设备协同作业。

第四层为应用/执行层级，包括系统内所有显示、操作、驱动、执行、检测元件，实现生产线体的各种工艺功能。

2.3 典型生产线的控制架构搭建

一个典型的焊装车间生产线电气硬件架构如图2所示。对于其中的部件，有以下说明：

系统内大部分设备通过交换机进行网络连接。人机交互界面（HMI）、输入/输出模块、机器人控制器、柔性定位装置、变频器等设备均通过交换机连接PLC。

系统中所有交换机均使用管理型交换机，且形成环网，以实现通信的冗余，保证系统通信的稳定[4]。

PLC配置以太网连接模块，与上位系统进行通信，实时交互生产信息、设备运行状态等信息。

显示/操作元器件如操作按钮、柱灯等的信号接入普通I/O模块；急停、安全光栅、区域扫描仪等安全器件的信号接入安全I/O模块。

机器人控制柜通过独立的交换机形成子网，机器人控制器、焊接控制器、I/O模块、阀岛等设备通过此交换机连接，由对应机器人的控制器单独控制，实现自动点焊、搬运等工艺。

对于特殊的工艺应用，如机器人在线视觉测量等，除需通过机器人控制器与PLC进行通信外，还需配备以太网通信板卡及接口，用于直接向上位系统上传部分数据（如在线测量精度数据等），以实现生产数据与车辆信息的一一绑定与追溯。

图2 典型的生产线控制架构

2.4 智能制造相关硬件架构

2.4.1焊接品质管理

对于机器人自动点焊等焊接工艺，系统需配置工控联网系统对焊接控制器进行组网监控。

图3 工控联网系统架构

工控联网系统组成如图3所示，主要硬件包括工控机、显示器、交换机等。工控联网系统通信协议常用Ethernet/IP，与主控系统部分相互区隔。焊接控制器配置PROFINET、Ethernet/IP两种独立网卡，可实现不同通信协议之间的隔离[2]。

各焊接控制器以星形结构接入以太网交换机，再接入安装有相关监控软件的工控机，以实现焊接参数的监控。工控机留有上位系统接口，可将焊接过程的实时参量（如输出电流值、通电时间、焊接曲线等）通过以太网上传至上位系统进行存储、处理和绑定。这将对实现焊装过程智能追溯、保证车身焊接强度有很大的促进作用。

根据实际项目经验，一般同一个工控联网系统中，同时监控的焊接控制器的数量不超过24台。

2.4.2能源监控与管理

在系统配电柜中设置智能电表，并通过PLC，定期向上位系统传送电能数据（参见图2）。系统积累大量能耗数据后，可以利用大数据分析技术，帮助找到系统中可能存在的能源浪费，为制订相应对策进行节能减排提供参考依据[3]。

3 结束语

制定清晰明确的硬件架构，是设备规范化的基础，也是设备智能化的必然要求。本文基于西门子S7-1500系列PLC及用于焊接车间的常用设备，搭建了较为完整的硬件架构体系，并已在实际生产线上得到了充分验证，具有一定的参考借鉴作用。

[1] 张琦,尹嘉娃.PROFIBUS与PROFINET现场总线比较与应用[J].湖南工业大学学报,2014(5):60-64.

[2] 蓝丽,李红星.PROFINET与现场总线的集成应用[J].微计算机信息（测控自动化）,1008-0570(2007)08-1-0023-02.

[3] 西门子（中国）有限公司.基于组件技术的自动化[J].仪器仪表标准化与计量,2003(5):23-25.

[4] 董伟,李正,赵瑜,等. PROFINET CBA在烟草制丝线控制系统中的应用[J].工业控制计算机,2013,26(8):81-82.

Electrical Architecture of Vehicle Production Line Based on PROFINET

Cheng Chen, Zhang Zhanhong, Deng Ruju

( Guangzhou Automobile Passenger Vehicle Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

The electrical hardware architecture is the basis for the establishment of all electrical specifications. The establishment and continuous improvement of the electrical hardware architecture will help improve the standardization system of independent auto companies. This article builds a production line electrical hardware architecture based on PROFINET. Moreover, the expansion of functions related to intelligent manufacturing is reserved, which has certain reference value for the electrical design of similar production lines.

Electrical standards; Hardware architecture; PROFINET; Smart manufacturing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.047

TP278; TP249; T-19

A

1671-7988(2021)03-154-03

TP278；TP249；T-19

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1671-7988(2021)03-154-03

程辰，大学本科，就职于广汽乘用车有限公司，从事电气技术、标准化工作。