PN/PN Coupler 在汽車焊裝線中的應用

石秀娟 郭曉杰 周利飛 洪鐵超

（一汽模具制造有限公司，吉林 長春130013）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對設(shè)備的性能也提出了更高的要求，如何快速響應、實時通信成為關(guān)鍵。同時，車間內(nèi)的人身安全也是必須關(guān)注的焦點，且要求簡化設(shè)計、節(jié)約項目成本。現(xiàn)階段的汽車焊裝生產(chǎn)線上，Profinet 網(wǎng)絡(luò)應用已成為主流方式，焊裝線體與線體之間在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通訊上都全方位被Profinet 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而PN/PN Coupler 在Profinet 網(wǎng)絡(luò)通訊中發(fā)揮了巨大的作用。

PROFINET 由 PROFIBUS 國 際 組 織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。作為一項戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET 為自動化通信領(lǐng)域提供了一個完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等當前自動化領(lǐng)域的熱點話題，并且作為跨供應商的技術(shù)，可以完全兼容工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)有的現(xiàn)場總線（如PROFIBUS）技術(shù)，保護現(xiàn)有投資。

PROFINET 是適用于不同需求的完整解決方案，其功能包括8 個主要的模塊，依次為實時通信、分布式現(xiàn)場設(shè)備、運動控制、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安裝、IT 標準和信息安全、故障安全和過程自動化。

隨著現(xiàn)場設(shè)備智能程度的不斷提高，自動化控制系統(tǒng)的分散程度也越來越高。工業(yè)控制系統(tǒng)正由分散式自動化向分布式自動化演進，因此，基于組件的自動化（Component Based Automation，CBA）成為新興的趨勢。工廠中的相關(guān)的機械部件、電氣/電子部件和應用軟件等具有獨立工作能力的工藝模塊抽象成為一個封裝好的組件，各組件間使用PROFINET 連接。

通過模塊化這一理念，可以顯著降低機器和工廠建設(shè)中的組態(tài)與上線調(diào)試時間。在使用分布式智能系統(tǒng)或可編程現(xiàn)場設(shè)備、驅(qū)動系統(tǒng)和I/O 時，還可以擴展使用模塊化理念，從機械應用擴展到自動化解決方案。

1 PN/PN Coupler 模塊的優(yōu)勢

PN/PN Coupler 的優(yōu)點是使用簡單，功能強大；只需要兩根PN 網(wǎng)絡(luò)線就可將兩個Profinet 網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)了PLC 的同步和通信。在焊裝生產(chǎn)線中，主要設(shè)備有焊接機器人、MOVIPRO、MOVIFIT、上位機、K 箱、SV 柜、BV 柜、焊接控制器、固定修模器等如圖1 所示，設(shè)備種類繁多、布局分散。每臺控制柜內(nèi)的PLC 與遠程模塊ET200SP、工控機、變頻器等形成一個單獨的Profinet 網(wǎng)絡(luò),每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的過程設(shè)備、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備在各自的網(wǎng)絡(luò)里獨立運行。不同總線里的設(shè)備有時需要進行信號數(shù)據(jù)交換，在傳統(tǒng)總線系統(tǒng)里，信號交換往往用繼電器實現(xiàn)，數(shù)據(jù)交換量僅停留在位的層面。一臺PLC 的輸出驅(qū)動繼電器線圈，繼電器的觸點作為另一臺PLC 的輸入。這種方式在信號少、數(shù)據(jù)量小時可以輕易實現(xiàn)，但是在信號多、數(shù)據(jù)量大時，繼電器體積大、機械觸點多，需要足夠空間容納且觸點容易損壞，不利于安全運行與維護。例如所以我們在Profinet 總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里大量使用PN/PN Coupler 模塊來解決信號交互多、數(shù)據(jù)量大的問題。PN/PN Coupler 因為其所交換的數(shù)據(jù)量大，不但可以交互開關(guān)量，也可以交互模擬量的特點，使其廣泛的應用在工藝復雜的大型控制系統(tǒng)中。

圖1 平面布置示意圖

2 PN/PN Coupler 模塊介紹

PNPN 耦合器（PNPN Coupler）用來連接兩個Profinet 網(wǎng)絡(luò)并進行數(shù)據(jù)交換，最多可以交換1024 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)交換使用兩個相互對應的緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)都有發(fā)送區(qū)域（Output）和接收區(qū)域（Input）。一個Profinet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送區(qū)對應另一個Profinet 網(wǎng)絡(luò)的接收區(qū)，反之亦然。發(fā)送和接收區(qū)域需要使用組態(tài)工具進行設(shè)置。

3 PN/PNCoupler 模塊數(shù)據(jù)交換

3.1 PN/PNCoupler 耦合的兩個Profinet 網(wǎng)絡(luò)是相互獨立的，兩個網(wǎng)絡(luò)電氣隔離，一個網(wǎng)段故障不影響另一個網(wǎng)段運行；站地址可以不同；最多可以建立16 個I/O 數(shù)據(jù)交換區(qū)，它的每個Profinet 接口作為一個獨立的IO Device 在網(wǎng)絡(luò)中有單獨的Device name。

3.2 冗余電源設(shè)計

PNPN 耦合器采用冗余電源設(shè)計，可以連接兩個獨立的24V 電源（PS1 和PS2），但在同一時刻只有一個電源處于激活狀態(tài)，當前電源故障時，會立刻切換到另一個電源。

4 PN/PN Coupler 的使用

4.1 使用西門子博圖編程軟件，現(xiàn)場交換機通過Profinet 銅纜連接到W1FFFB 區(qū)域 PN/PNCoupler 網(wǎng)口X1P1 上，同時W1FFFB 區(qū)域 PN/PNCoupler X1P2 網(wǎng)口連接到W1FEER 區(qū)域PN/PNCoupler 的X2P1 上實現(xiàn)兩個區(qū)域的硬件連接，如下圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)組態(tài)在一汽轎車HS5 項目已投產(chǎn)使用。

圖2 一汽轎車HS5 項目博圖中組網(wǎng)實例

4.2 PN/PN Coupler 網(wǎng)絡(luò)配置

在網(wǎng)絡(luò)圖2 中雙擊W1FFFB1 , 為Coupler 分配網(wǎng)絡(luò)地192.168.21.17 , 信號交互W1FEER 區(qū)域PN/PNCoupler 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，IP 地址192.168.21.18.這樣在編程軟件中兩個交互信號區(qū)域的IP 地址我們就設(shè)置完畢。

4.3 PLC 編程。PN/PN Coupler 為了實現(xiàn)兩個區(qū)域的信號傳遞，在西門子博圖中我們通過定義“發(fā)送”、“接受”DB 塊來實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)存儲。圖3 中所定義的是W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的DB 數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)塊定義好之后，我們就開始應用這些數(shù)據(jù)編程，圖4 中的這些程序段實現(xiàn)了這些交互信號在實際控制中的應用。

圖3 W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的DB 塊數(shù)據(jù)

圖4 在程序中，W1FFFB 區(qū)域“發(fā)送”給W1FEER 區(qū)域的信號

4.4 同理，W1FFFB 區(qū)域"接受"W1FEER 區(qū)域的信號在程序中也同樣配置。

這樣，我們通過上述對Coupler 的設(shè)置及編程，成功實現(xiàn)了信號傳遞。

5 結(jié)論

PN/PN Coupler 的應用使Profinet 網(wǎng)絡(luò)從深度和廣度上發(fā)揮了更加強大的作用。PN/PN Coupler 是焊裝線中各個分支系統(tǒng)中不同網(wǎng)段的系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的橋梁，在實踐中節(jié)省了大量的線纜、橋架、連接件；減少了系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護時間；降低人工成本、降低故障率、提高生產(chǎn)可靠性；有利于保證生產(chǎn)質(zhì)量，方便生產(chǎn)線維護；可作為標準應用在各種焊裝生產(chǎn)線上。