基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的整車生產(chǎn)線電氣架構

程辰，張展鴻，鄧汝炬

基于工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET的整車生產(chǎn)線電氣架構

程辰，張展鴻，鄧汝炬

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

自主汽車企業(yè)在標準化方面仍有進步空間，而電氣硬件架構是所有電氣規(guī)范建立的基礎，因此，建立標準的電氣硬件架構，有助于自主車企在此基礎上逐步形成和完善自己的標準體系。文章搭建了一種基于PROFINET的生產(chǎn)線電氣硬件架構，并以此為基礎，進行智能制造相關功能的拓展，對類似生產(chǎn)線電氣設計有一定的參考價值。

電氣規(guī)范；硬件架構；PROFINET；智能制造

1 電氣硬件架構的意義

1.1 相關背景

近幾年，一批自主汽車品牌取得了突飛猛進的發(fā)展，市場占有率持續(xù)增長，生產(chǎn)基地迅速在各地擴張。但與傳統(tǒng)外資車企相比，自主車企在標準化方面仍有一定的進步空間。同時，由于智能制造概念的不斷普及和深入，在生產(chǎn)線設計初期就應充分考慮各種功能拓展，留出必要的硬件接口。在這樣的背景下，建立更為標準化的生產(chǎn)線電氣硬件架構，顯得尤為重要。

本文以西門子S7-1500系列PLC為基礎，搭建一套完整的可用于整車生產(chǎn)線的電氣硬件架構，為生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)的規(guī)范化提供行之有效的參考。

1.2 硬件架構的概念和意義

自動化生產(chǎn)線由多種設備組成，通過PLC控制，設備協(xié)同按一定規(guī)則作業(yè)。不同設備之間通過網(wǎng)絡、接線等方式連接起來，共同構成生產(chǎn)線的硬件架構。

硬件架構反映出了生產(chǎn)線設備之間的組成關系，搭建完整、細致的硬件架構，是生產(chǎn)線設計的重要基礎環(huán)節(jié)，對標準執(zhí)行、穩(wěn)定運營、成本節(jié)約都具有很大的指導意義[1-2]。

2 控制架構搭建

2.1 通信協(xié)議選定

PROFINET是基于工業(yè)以太網(wǎng)技術的自動化總線標準，為自動化通信領域提供了一個完整的工業(yè)網(wǎng)絡解決方案[1]。近年來，越來越多的終端產(chǎn)品推出兼容PROFINET的版本，PROFINET也隨之得到更為廣闊的推廣應用。

西門子S7-1500系列PLC是在S7-300系列的基礎上推出的全新系列工控產(chǎn)品。新一代產(chǎn)品與西門子博途平臺緊密結合，其智能化、自動化的特點，逐步替代了原先的S7-300系列產(chǎn)品[3]。

2.2 四層控制架構框架

生產(chǎn)線控制架構框架分為四層，如圖1。

圖1 四層控制架構示意

第一層為匯總/決策層級，主要包括公司級服務器等，用于全公司生產(chǎn)信息的監(jiān)控、存儲和查詢。目前，業(yè)內一些整車廠也會借助工業(yè)云實現(xiàn)這類功能。

第二層為數(shù)據(jù)匯總層級，包括生產(chǎn)線上位系統(tǒng)、交換機、車間級服務器等。此層級數(shù)據(jù)交換主要通過以太網(wǎng)進行。通過上位系統(tǒng)與生產(chǎn)線PLC的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、信息化[1]。

第三層為現(xiàn)場控制層級，主要包括PLC及交換機等設備。此層級的數(shù)據(jù)交換主要通過PROFINET進行。作為現(xiàn)場控制的核心，PLC控制著整個區(qū)域內的設備協(xié)同作業(yè)。

第四層為應用/執(zhí)行層級，包括系統(tǒng)內所有顯示、操作、驅動、執(zhí)行、檢測元件，實現(xiàn)生產(chǎn)線體的各種工藝功能。

2.3 典型生產(chǎn)線的控制架構搭建

一個典型的焊裝車間生產(chǎn)線電氣硬件架構如圖2所示。對于其中的部件，有以下說明：

系統(tǒng)內大部分設備通過交換機進行網(wǎng)絡連接。人機交互界面（HMI）、輸入/輸出模塊、機器人控制器、柔性定位裝置、變頻器等設備均通過交換機連接PLC。

系統(tǒng)中所有交換機均使用管理型交換機，且形成環(huán)網(wǎng)，以實現(xiàn)通信的冗余，保證系統(tǒng)通信的穩(wěn)定[4]。

PLC配置以太網(wǎng)連接模塊，與上位系統(tǒng)進行通信，實時交互生產(chǎn)信息、設備運行狀態(tài)等信息。

顯示/操作元器件如操作按鈕、柱燈等的信號接入普通I/O模塊；急停、安全光柵、區(qū)域掃描儀等安全器件的信號接入安全I/O模塊。

機器人控制柜通過獨立的交換機形成子網(wǎng)，機器人控制器、焊接控制器、I/O模塊、閥島等設備通過此交換機連接，由對應機器人的控制器單獨控制，實現(xiàn)自動點焊、搬運等工藝。

對于特殊的工藝應用，如機器人在線視覺測量等，除需通過機器人控制器與PLC進行通信外，還需配備以太網(wǎng)通信板卡及接口，用于直接向上位系統(tǒng)上傳部分數(shù)據(jù)（如在線測量精度數(shù)據(jù)等），以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與車輛信息的一一綁定與追溯。

圖2 典型的生產(chǎn)線控制架構

2.4 智能制造相關硬件架構

2.4.1焊接品質管理

對于機器人自動點焊等焊接工藝，系統(tǒng)需配置工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對焊接控制器進行組網(wǎng)監(jiān)控。

圖3 工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖3所示，主要硬件包括工控機、顯示器、交換機等。工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信協(xié)議常用Ethernet/IP，與主控系統(tǒng)部分相互區(qū)隔。焊接控制器配置PROFINET、Ethernet/IP兩種獨立網(wǎng)卡，可實現(xiàn)不同通信協(xié)議之間的隔離[2]。

各焊接控制器以星形結構接入以太網(wǎng)交換機，再接入安裝有相關監(jiān)控軟件的工控機，以實現(xiàn)焊接參數(shù)的監(jiān)控。工控機留有上位系統(tǒng)接口，可將焊接過程的實時參量（如輸出電流值、通電時間、焊接曲線等）通過以太網(wǎng)上傳至上位系統(tǒng)進行存儲、處理和綁定。這將對實現(xiàn)焊裝過程智能追溯、保證車身焊接強度有很大的促進作用。

根據(jù)實際項目經(jīng)驗，一般同一個工控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，同時監(jiān)控的焊接控制器的數(shù)量不超過24臺。

2.4.2能源監(jiān)控與管理

在系統(tǒng)配電柜中設置智能電表，并通過PLC，定期向上位系統(tǒng)傳送電能數(shù)據(jù)（參見圖2）。系統(tǒng)積累大量能耗數(shù)據(jù)后，可以利用大數(shù)據(jù)分析技術，幫助找到系統(tǒng)中可能存在的能源浪費，為制訂相應對策進行節(jié)能減排提供參考依據(jù)[3]。

3 結束語

制定清晰明確的硬件架構，是設備規(guī)范化的基礎，也是設備智能化的必然要求。本文基于西門子S7-1500系列PLC及用于焊接車間的常用設備，搭建了較為完整的硬件架構體系，并已在實際生產(chǎn)線上得到了充分驗證，具有一定的參考借鑒作用。

[1] 張琦,尹嘉娃.PROFIBUS與PROFINET現(xiàn)場總線比較與應用[J].湖南工業(yè)大學學報,2014(5):60-64.

[2] 藍麗,李紅星.PROFINET與現(xiàn)場總線的集成應用[J].微計算機信息（測控自動化）,1008-0570(2007)08-1-0023-02.

[3] 西門子（中國）有限公司.基于組件技術的自動化[J].儀器儀表標準化與計量,2003(5):23-25.

[4] 董偉,李正,趙瑜,等. PROFINET CBA在煙草制絲線控制系統(tǒng)中的應用[J].工業(yè)控制計算機,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，大學本科，就職于廣汽乘用車有限公司，從事電氣技術、標準化工作。