全以太網(wǎng)在整車廠自動(dòng)化的應(yīng)用與研究

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，整車廠生產(chǎn)線自動(dòng)化率不斷提升，對(duì)于總線長(zhǎng)度和速度的依賴越來越高，生產(chǎn)線的長(zhǎng)度增加，傳統(tǒng)總線的長(zhǎng)度瓶頸突顯；機(jī)器人工位增加、激光焊接、EMS控制、檢測(cè)、設(shè)備安全等對(duì)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(shí)施，因此對(duì)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(yīng)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(yīng)用的EMS（電單軌小車）、高密度機(jī)器人工位、視覺檢測(cè)等對(duì)于傳輸速率的依賴很高，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和安全性的要求很高，因此Profibus在這些設(shè)備上的應(yīng)用已經(jīng)捉襟見肘。同時(shí)，隨著設(shè)備數(shù)量增多、生產(chǎn)控制和維護(hù)更傾向于實(shí)時(shí)監(jiān)控和上位控制，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的要求隨之提高。廣義上來說，發(fā)展計(jì)算機(jī)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(yíng)與自動(dòng)化的一種新模式，代表了一種新的生產(chǎn)力。綜上，對(duì)于以太網(wǎng)的呼聲隨之而來，在克服了傳送實(shí)時(shí)性問題后，以太網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)了整車廠自動(dòng)化系統(tǒng)的通明度和簡(jiǎn)易度

其實(shí)兩大自動(dòng)化巨頭對(duì)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(duì)于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合的響應(yīng)時(shí)間而言，特別是安全信號(hào)，一般最少需要5-10ms，對(duì)于高性能的同步運(yùn)動(dòng)控制，特別是在100個(gè)節(jié)點(diǎn)以上的伺服運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用場(chǎng)合，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求低于1ms?？紤]到這種實(shí)時(shí)性的要求，必須對(duì)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)才可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。以Rockwell的Ethernet/IP為例，在TCP/IP之上附加CIP協(xié)議，在應(yīng)用層進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和運(yùn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用，CIP的控制部分使用實(shí)時(shí)I/O報(bào)文或隱性報(bào)文。CIP的信息部分使用報(bào)文交換，也稱作線性報(bào)文。Ethernet/IP能夠用于處理多達(dá)每個(gè)包1500個(gè)字節(jié)的大批量數(shù)據(jù)，它可以預(yù)報(bào)方式管理大批量數(shù)據(jù)，芯片制造商增加一個(gè)“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(shí)時(shí)性，工業(yè)以太網(wǎng)得以滿足自動(dòng)化應(yīng)用場(chǎng)合。

以太網(wǎng)總線的優(yōu)勢(shì)

由此可見，實(shí)時(shí)高效正是以太網(wǎng)帶來的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)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(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的實(shí)時(shí)性、安全總線以外，相比于其他類型的現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>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(luò)和總線型網(wǎng)絡(luò)以外，帶有數(shù)據(jù)交換功能的網(wǎng)絡(luò)適配器還使得整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)可以組成設(shè)備級(jí)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，這樣，即使網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)發(fā)生斷路，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)仍然可以通過更改路由方向經(jīng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)上任一其他節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。我們從任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，訪問整個(gè)控制系統(tǒng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間，請(qǐng)參考圖2。

典型以太網(wǎng)總線的應(yīng)用探討

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

1、機(jī)器人工位：以焊裝車間一個(gè)高自動(dòng)化工位（包含兩個(gè)機(jī)器人工位，每個(gè)工位6臺(tái)機(jī)器人）為例（見圖3），PLC通過總線與現(xiàn)場(chǎng)I/O、變頻器以及機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)機(jī)安全通訊，同時(shí)機(jī)器人、焊機(jī)、Watersaver、涂膠機(jī)等需要進(jìn)行以以太網(wǎng)通訊?，F(xiàn)場(chǎng)通訊種類多，需要PLC、機(jī)器人進(jìn)行中轉(zhuǎn)，信號(hào)傳輸速率受到影響，布線、編程也相對(duì)復(fù)雜，在應(yīng)用了以太網(wǎng)總線之后，上述所有設(shè)備都可以直接以以太網(wǎng)連接到交換機(jī)進(jìn)行無縫通訊（見圖4）。

2、EMS電單軌小車以太網(wǎng)應(yīng)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(gè)小車都有一個(gè)控制器，且一個(gè)系統(tǒng)中一般都有上百個(gè)小車，這么多控制器同時(shí)進(jìn)行通訊，傳統(tǒng)總線會(huì)存在延時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的安全響應(yīng)存在較大的隱患。在采用以太網(wǎng)傳輸之后，EMS系統(tǒng)的長(zhǎng)度不受限制、小車運(yùn)動(dòng)的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸不受影響，定位數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，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(hù)控制人員的監(jiān)控。

整車廠以太網(wǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化探討

為了確保工廠自動(dòng)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(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，下文將舉例說明（其中cell交換機(jī)表示工位層的2層交換機(jī)，Zone交換機(jī)表示3層交換機(jī)）

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

2、 單個(gè)Cell中的Cell交換機(jī)層組成環(huán)網(wǎng)連接，Cell之間通過Zone交換機(jī)或者PNPN coupler（僅Siemens系統(tǒng)）進(jìn)行連接通訊，Zone交換機(jī)采用三層管理型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，可以為每個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理維護(hù)；

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

5、 控制應(yīng)用需要100%的時(shí)間連接到網(wǎng)絡(luò)。被連入控制網(wǎng)絡(luò)的其他網(wǎng)絡(luò)干擾會(huì)引起過程延時(shí)和控制信號(hào)丟失。出于這個(gè)原因考慮，控制網(wǎng)絡(luò)必須與辦公環(huán)境與因特網(wǎng)隔離。通過運(yùn)用網(wǎng)關(guān)，防火墻，路由或者恰當(dāng)?shù)陌踩浖硖峁┣‘?dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全；

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

7、 Cell交換機(jī)到zone交換機(jī)的連接必須使用2個(gè)上位口連接（冗余）；

8、 交換機(jī)與交換機(jī)之間的連接必須使用交叉電纜除非交換機(jī)具有自適應(yīng)功能；

9、 PLCHMI機(jī)器人焊機(jī)都采用單獨(dú)網(wǎng)線與cell switch星型連接，其余雙以太網(wǎng)口設(shè)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(gè)端口至多接10個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備；

10、 快速連接的應(yīng)用需要設(shè)置獨(dú)立的PLC以太網(wǎng)模塊，（如Opengate、壓機(jī)換模等）。一個(gè)以太網(wǎng)卡在線快速連接的節(jié)點(diǎn)不能超過20個(gè)。

當(dāng)然，以太網(wǎng)實(shí)施中的規(guī)范遠(yuǎn)不止這些，需要更多標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的支持，相信隨著該方案的推進(jìn)，各整車廠會(huì)形成適合自身的全以太網(wǎng)標(biāo)。

以太網(wǎng)應(yīng)用前景及展望

由于競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求膨脹，國(guó)內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家正在不斷地?cái)U(kuò)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(yīng)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(diǎn)數(shù)量正在迅速增長(zhǎng)。

以太網(wǎng)的應(yīng)用不僅限于此，諸如無線以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)、IP67交換機(jī)等都可以作為新技術(shù)、新方案引入到現(xiàn)場(chǎng)，從而改善甚至完全改變自動(dòng)化的柔性生產(chǎn)設(shè)備的形式。作為國(guó)內(nèi)的整車廠企業(yè)，應(yīng)該抓住這個(gè)機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)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(yīng)用中入手，加強(qiáng)本地化應(yīng)用和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，優(yōu)化乃至標(biāo)準(zhǔn)化全以太網(wǎng)在系統(tǒng)的應(yīng)用，以便進(jìn)一步降本增效，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益的最大化。(end)