PROFINET總線技術在汽車生產線上的應用

郝志強

【摘 要】隨著汽車產業的迅猛發展，對設備的電氣性能也提出了更高的要求，例如不僅要求快速響應、實時通信，還要簡化生產線設計、節約項目成本。PROFINET總線控制技術很大程度上滿足這些要求，本文就以某汽車廠焊裝車間的滑橇輸送系統為例，根據滑橇輸送線安裝調試及使用中的經驗，介紹了PROFINET工業以太網總線的控制原理及應用。

【關鍵詞】PROFINET、PLC、分布式I/O、變頻器

1 前言

滑橇輸送系統是汽車工廠生產線上重要的工藝組成部分，本文依托的是國內某知名品牌汽車焊裝車間的滑橇輸送線，該線集成有普通滾床、旋轉滾床、升降機、移行機、側頂機等設備，技術先進且集成度高。白車身通過焊裝車間內的滑橇輸送系統在各個工藝區之間進行輸送焊接，以此保證各工藝過程節拍的協調一致，它的運行穩定性直接關系到整車的生產效率。該線的電控系統中底層控制采用的是西門子公司300系列的PLC和PROFINET總線控制技術。

2 基本介紹

PROFINET是一種新的以太網通訊技術，是由西門子公司主導開發，PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。

PROFINET = PROFIBUS + 具備PROFIBUS 和IT 標準Ethernet 的開放、一致的通信+獨立于制造商的工程模型+通過開放對象模型的分散自動化。

PROFIBUS是世界范圍內唯一可覆蓋從工廠自動化場合到過程自動化應用的現場總線標準，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術，保留現有投資。

3 滑橇輸送系統的生產工藝

本滑橇輸送系統共包含有三部分，即地板輸送線、車調線和空橇返回線。工藝示意圖如圖3.1、圖3.2、圖3.3所示。

圖3.1中將焊接好的地板總成通過地板輸送線輸送至主焊工藝區，此地板輸送線由1臺過渡滾床、2臺升降機、3臺旋轉滾床和11臺普通滾床組成。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送。

圖3.2中將焊接好的白車身通過車調線輸送至空橇返回系統，在此車調線上完成"四門一蓋"的安裝及車身補焊打磨等調整。此車調線由1臺移行機、1臺過渡滾床、2臺旋轉滾床、3臺升降機和23臺普通滾床組成，其中移行機用于存儲轉運。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送，工位節拍手動可調。

圖3.3中將完整的白車身通過空橇返回線輸送至焊涂車間轉運的摩擦輪輸送系統，此空橇返回線由1臺側頂機、1臺升降機、2臺過渡滾床、3臺旋轉滾床和7臺普通滾床組成，其中側頂機用于車橇分離。輸送方式分為自動和手動兩種方式，自動方式下采用同步輸送。

4 滑橇輸送系統的PROFINET網絡架構及總線硬件配置

滑橇輸送系統上的電氣元件眾多，其中以PLC、ET200S分布式I/O、分布式變頻器等核心器件為主，屬于典型的集散控制系統，同時又包括大量數據的實時動態交互。PROFINET的技術性能很好地滿足了這些要求。

本滑橇輸送系統采用CP343-1以太網通訊模塊與上位系統通信，系統內部通過PROFINET網絡采集現場的I/O信號和設備狀態，并控制設備的正常運行。

本系統的PROFINET網絡分為二層，第一層由網絡交換機連接主柜和分控柜，主柜中包含西門子S7-317F PLC負責控制整個系統，西門子MP377人機界面負責監視現場設備，當設備出現故障或需要進行維護時，可以通過終端操作來完成模式切換、故障處理等操作。分控柜中包含西門子ET200S分布式I/O；第二層由網絡交換機連接分控柜和該控制區域的操作站及分布式現場變頻器，變頻器支持PROFINET總線級聯方式，每臺變頻器帶有五個輸入點，用于采集現場的傳感器信號（如光電開關、接近開關、限位開關等）和按鈕指示燈信號。

整個滑橇輸送系統存在設備多、布局散的特點，因此采用了PROFINET工業以太網網絡控制架構來組態系統，使用PLC控制系統控制這些設備自動柔性運行。

5 PROFINET工業以太網總線應用的特點

PROFINET總線技術的應用使電控系統在安裝調試中節省了大量的線纜及槽架，減少了系統的設計、調試時間，不僅方便地實現了現場控制設備部件子系統之間、設備與設備之間以及設備與控制管理層之間的聯系，也為控制信息進入公司MES數據網絡創造了條件。

PROFINET基于現有成熟IT標準，其模塊化結構可以非常容易地擴展和包含其他功能，方便地把各個制造商的設備和組件集成到單一系統中，實現高速通信、可互操作性和開放性等高級功能。

6 系統設計及調試需要注意的問題

理論上帶屏蔽層的PROFINET總線最大傳輸距離可達100米，但在實際工程中受到各種外界環境及電磁干擾等因素影響，各交換機及PN節點之間的距離以最大不超過85米為宜。同時，針對移動設備要采用柔性的PROFINET電纜。

調試及生產運行過程中，由于現場分布式I/O及變頻器采用級聯方式連接，一旦某個中間節點設備出現故障，就會導致該節點以后的所有設備掉網停機。本系統從軟硬件不同角度采取了相應的安全措施保障輸送過程中設備的安全穩定，同時出現故障時也有多方面的狀態指示和信息提示，如紅色柱燈閃爍、HMI觸摸屏提示報警信息等。

出現PROFINET 網絡故障后首先通過這些狀態指示確定出現故障的網絡節點，然后先在硬件上拆除該設備，如果僅僅是該設備的某一個PROFINET網絡接口有故障，則可以把它移至總線末端，最后在軟件系統中修改硬件配置即可?？傊?，通過依托PROFINET網絡本身強大的自診斷功能，能夠很準確的對故障源進行定位，提高了設備維護的效率。

7 總結

本系統自2015年年初投產以來，運行穩定。這種基于PROFINET 總線技術的生產線系統可靠性高，停機排查時間短，大大降低了系統運行、維護費用。它成功地實現了工業以太網和實時以太網技術的統一，通過使用PROFINET就可以在整個工廠內實現統一的網絡架構，為公司的信息化提供了堅實的通訊平臺，為未來柔性生產系統的構建打下了良好的基礎。