全以太網(wǎng)在整車廠自動化的應用與研究

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，整車廠生產(chǎn)線自動化率不斷提升，對于總線長度和速度的依賴越來越高，生產(chǎn)線的長度增加，傳統(tǒng)總線的長度瓶頸突顯；機器人工位增加、激光焊接、EMS控制、檢測、設備安全等對于總線速率和容量的依賴加大，傳統(tǒng)總線已經(jīng)無法完全滿足這類新技術(shù)的實施，因此對于高速安全的總線需求量隨之而來。

以太網(wǎng)總線介紹

目前整車廠應用最廣泛的總線就是P r o f i b u s（Siemens系統(tǒng)）以及Devicenet（Rockwell系統(tǒng)）。以Profibus為例，理論最大傳輸速率為12MB/s，常用傳輸速率在1.5MB/s, 主纜傳輸距離在200米，超過該距離就要增加中繼器。目前整車廠越來越多應用的EMS（電單軌小車）、高密度機器人工位、視覺檢測等對于傳輸速率的依賴很高，對數(shù)據(jù)實時性和安全性的要求很高，因此Profibus在這些設備上的應用已經(jīng)捉襟見肘。同時，隨著設備數(shù)量增多、生產(chǎn)控制和維護更傾向于實時監(jiān)控和上位控制，設備聯(lián)網(wǎng)的要求隨之提高。廣義上來說，發(fā)展計算機綜合管理和控制系統(tǒng)顯得越來重要，其代表了“智能工廠”生產(chǎn)經(jīng)營與自動化的一種新模式，代表了一種新的生產(chǎn)力。綜上，對于以太網(wǎng)的呼聲隨之而來，在克服了傳送實時性問題后，以太網(wǎng)用于現(xiàn)場控制已經(jīng)沒有障礙。結(jié)合ERP和MES的傳統(tǒng)商用以太網(wǎng)，真正做到了一網(wǎng)到底，增強了整車廠自動化系統(tǒng)的通明度和簡易度

其實兩大自動化巨頭對于以太網(wǎng)工業(yè)總線的推廣很早就開始了，Profinet以及Ethernet/IP 就是以太網(wǎng)總線的代表。對于工業(yè)自動化應用場合的響應時間而言，特別是安全信號，一般最少需要5-10ms，對于高性能的同步運動控制，特別是在100個節(jié)點以上的伺服運動控制應用場合，實時響應時間要求低于1ms。考慮到這種實時性的要求，必須對傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議進行改進才可以滿足現(xiàn)場要求。以Rockwell的Ethernet/IP為例，在TCP/IP之上附加CIP協(xié)議，在應用層進行實時數(shù)據(jù)交換和運行實時應用，CIP的控制部分使用實時I/O報文或隱性報文。CIP的信息部分使用報文交換，也稱作線性報文。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個包1500個字節(jié)的大批量數(shù)據(jù)，它可以預報方式管理大批量數(shù)據(jù)，芯片制造商增加一個“加速”線路到以太網(wǎng)芯片，從而將性能改善到500mus的精度。正是基于這種實時性，工業(yè)以太網(wǎng)得以滿足自動化應用場合。

以太網(wǎng)總線的優(yōu)勢

由此可見，實時高效正是以太網(wǎng)帶來的優(yōu)勢，簡單來說就是我們希望在一根網(wǎng)線上解決所有問題。工業(yè)以太網(wǎng)除了可以滿足汽車廠對于現(xiàn)場總線的實時性、安全總線以外，相比于其他類型的現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡拓撲上更加靈活、方便。工業(yè)以太網(wǎng)除了可以組成星形網(wǎng)絡和總線型網(wǎng)絡以外，帶有數(shù)據(jù)交換功能的網(wǎng)絡適配器還使得整個工業(yè)以太網(wǎng)可以組成設備級環(huán)形網(wǎng)絡，這樣，即使網(wǎng)絡中的某一點發(fā)生斷路，網(wǎng)絡上的節(jié)點數(shù)據(jù)仍然可以通過更改路由方向經(jīng)環(huán)形網(wǎng)絡與網(wǎng)絡上任一其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)。我們從任意一個節(jié)點，訪問整個控制系統(tǒng)多個網(wǎng)絡之間，請參考圖2。

典型以太網(wǎng)總線的應用探討

根據(jù)整車廠應用中的特點，我們選取一些典型的設備來探討一下以太網(wǎng)總線的方案對比傳統(tǒng)總線方案的優(yōu)勢。

1、機器人工位：以焊裝車間一個高自動化工位（包含兩個機器人工位，每個工位6臺機器人）為例（見圖3），PLC通過總線與現(xiàn)場I/O、變頻器以及機器人進行信號機安全通訊，同時機器人、焊機、Watersaver、涂膠機等需要進行以以太網(wǎng)通訊。現(xiàn)場通訊種類多，需要PLC、機器人進行中轉(zhuǎn)，信號傳輸速率受到影響，布線、編程也相對復雜，在應用了以太網(wǎng)總線之后，上述所有設備都可以直接以以太網(wǎng)連接到交換機進行無縫通訊（見圖4）。

2、EMS電單軌小車以太網(wǎng)應用：在高速可調(diào)、靈活柔性的輸送系統(tǒng)中，EMS是不二的選擇。由于每個小車都有一個控制器，且一個系統(tǒng)中一般都有上百個小車，這么多控制器同時進行通訊，傳統(tǒng)總線會存在延時，對系統(tǒng)的安全響應存在較大的隱患。在采用以太網(wǎng)傳輸之后，EMS系統(tǒng)的長度不受限制、小車運動的信號實時傳輸不受影響，定位數(shù)據(jù)可以實時響應，甚至可以額外增加小車視頻高清數(shù)據(jù)的傳輸，極大的方便了維護控制人員的監(jiān)控。

整車廠以太網(wǎng)總線標準化探討

為了確保工廠自動化系統(tǒng)下全以太網(wǎng)方案的無縫連接，需要規(guī)范以太網(wǎng)的實施標準，下文將舉例說明（其中cell交換機表示工位層的2層交換機，Zone交換機表示3層交換機）

1、 PLC至少具備兩塊以太網(wǎng)卡，一塊連接上位機系統(tǒng)，一塊連接自動化系統(tǒng)，設備層采用星形或者總線形拓撲結(jié)構(gòu)與Cell交換機相連，為確保安全，一套PLC下所有設備與交換機為同一個VLAN，IP地址不路由到Plant交換機；

2、 單個Cell中的Cell交換機層組成環(huán)網(wǎng)連接，Cell之間通過Zone交換機或者PNPN coupler（僅Siemens系統(tǒng)）進行連接通訊，Zone交換機采用三層管理型網(wǎng)絡交換機，可以為每個Cell劃分不同的VLAN；

3、 如果配備維修工作站，則須安裝以太網(wǎng)管理軟件、PLC編程軟件等。通過使用以太網(wǎng)管理軟件，對網(wǎng)絡進行管理維護；

4、 為確保安全，以太網(wǎng)IP地址設置使用B類地址，例如172. DD.AAB.CCC；

5、 控制應用需要100%的時間連接到網(wǎng)絡。被連入控制網(wǎng)絡的其他網(wǎng)絡干擾會引起過程延時和控制信號丟失。出于這個原因考慮，控制網(wǎng)絡必須與辦公環(huán)境與因特網(wǎng)隔離。通過運用網(wǎng)關(guān)，防火墻，路由或者恰當?shù)陌踩浖硖峁┣‘數(shù)木W(wǎng)絡安全；

6、 以太網(wǎng)電纜結(jié)構(gòu)、長度等要求可以參考ODVA、PI組織的白皮書；

7、 Cell交換機到zone交換機的連接必須使用2個上位口連接（冗余）；

8、 交換機與交換機之間的連接必須使用交叉電纜除非交換機具有自適應功能；

9、 PLCHMI機器人焊機都采用單獨網(wǎng)線與cell switch星型連接，其余雙以太網(wǎng)口設備（如IP67模塊閥島IP20模塊等）可采用菊花鏈形式與cell switch連接，但cell switch一個端口至多接10個以太網(wǎng)設備；

10、 快速連接的應用需要設置獨立的PLC以太網(wǎng)模塊，（如Opengate、壓機換模等）。一個以太網(wǎng)卡在線快速連接的節(jié)點不能超過20個。

當然，以太網(wǎng)實施中的規(guī)范遠不止這些，需要更多標準和實施經(jīng)驗的支持，相信隨著該方案的推進，各整車廠會形成適合自身的全以太網(wǎng)標。

以太網(wǎng)應用前景及展望

由于競爭激烈，國內(nèi)市場的需求膨脹，國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家正在不斷地擴大生產(chǎn)規(guī)模，車型也必將不斷地推陳出新，以太網(wǎng)總線的應用也在迅速發(fā)展，圖6非常明確的說明了以太網(wǎng)節(jié)點數(shù)量正在迅速增長。

以太網(wǎng)的應用不僅限于此，諸如無線以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)、IP67交換機等都可以作為新技術(shù)、新方案引入到現(xiàn)場，從而改善甚至完全改變自動化的柔性生產(chǎn)設備的形式。作為國內(nèi)的整車廠企業(yè)，應該抓住這個機會學習國外的先進技術(shù)與管理，不斷地提高自身的技術(shù)水平。不僅從以太網(wǎng)本身，也從各類外部應用中入手，加強本地化應用和自主知識產(chǎn)權(quán)的保護，優(yōu)化乃至標準化全以太網(wǎng)在系統(tǒng)的應用，以便進一步降本增效，實現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。(end)