全以太網(wǎng)在整車(chē)廠(chǎng)自動(dòng)化的應用與研究

隨著(zhù)國內汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，整車(chē)廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化率不斷提升，對于總線(xiàn)長(cháng)度和速度的依賴(lài)越來(lái)越高，生產(chǎn)線(xiàn)的長(cháng)度增加，傳統總線(xiàn)的長(cháng)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(xiàn)速率和容量的依賴(lài)加大，傳統總線(xiàn)已經(jīng)無(wú)法完全滿(mǎn)足這類(lèi)新技術(shù)的實(shí)施，因此對于高速安全的總線(xiàn)需求量隨之而來(lái)。

以太網(wǎng)總線(xiàn)介紹

目前整車(chē)廠(chǎng)應用最廣泛的總線(xiàn)就是P r o f i b u s（Siemens系統）以及Devicenet（Rockwell系統）。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(guò)該距離就要增加中繼器。目前整車(chē)廠(chǎng)越來(lái)越多應用的EMS（電單軌小車(chē)）、高密度機器人工位、視覺(jué)檢測等對于傳輸速率的依賴(lài)很高，對數據實(shí)時(shí)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(jiàn)肘。同時(shí)，隨著(zhù)設備數量增多、生產(chǎn)控制和維護更傾向于實(shí)時(shí)監控和上位控制，設備聯(lián)網(wǎng)的要求隨之提高。廣義上來(lái)說(shuō)，發(fā)展計算機綜合管理和控制系統顯得越來(lái)重要，其代表了“智能工廠(chǎng)”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，對于以太網(wǎng)的呼聲隨之而來(lái)，在克服了傳送實(shí)時(shí)性問(wèn)題后，以太網(wǎng)用于現場(chǎng)控制已經(jīng)沒(méi)有障礙。結合ERP和MES的傳統商用以太網(wǎng)，真正做到了一網(wǎng)到底，增強了整車(chē)廠(chǎng)自動(dòng)化系統的通明度和簡(jiǎn)易度

其實(shí)兩大自動(dòng)化巨頭對于以太網(wǎng)工業(yè)總線(xiàn)的推廣很早就開(kāi)始了，Profinet以及Ethernet/IP 就是以太網(wǎng)總線(xiàn)的代表。對于工業(yè)自動(dòng)化應用場(chǎng)合的響應時(shí)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(dòng)控制，特別是在100個(gè)節點(diǎn)以上的伺服運動(dòng)控制應用場(chǎng)合，實(shí)時(shí)響應時(shí)間要求低于1ms?？紤]到這種實(shí)時(shí)性的要求，必須對傳統的以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)才可以滿(mǎn)足現場(chǎng)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(jìn)行實(shí)時(shí)數據交換和運行實(shí)時(shí)應用，CIP的控制部分使用實(shí)時(shí)I/O報文或隱性報文。CIP的信息部分使用報文交換，也稱(chēng)作線(xiàn)性報文。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個(gè)包1500個(gè)字節的大批量數據，它可以預報方式管理大批量數據，芯片制造商增加一個(gè)“加速”線(xiàn)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(mǎn)足自動(dòng)化應用場(chǎng)合。

以太網(wǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢

由此可見(jiàn)，實(shí)時(shí)高效正是以太網(wǎng)帶來(lái)的優(yōu)勢，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是我們希望在一根網(wǎng)線(xiàn)上解決所有問(wèn)題。工業(yè)以太網(wǎng)除了可以滿(mǎn)足汽車(chē)廠(chǎng)對于現場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性、安全總線(xiàn)以外，相比于其他類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò )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(luò )和總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )以外，帶有數據交換功能的網(wǎng)絡(luò )適配器還使得整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)可以組成設備級環(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 )上的節點(diǎn)數據仍然可以通過(guò)更改路由方向經(jīng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)絡(luò )上任一其他節點(diǎn)交換數據。我們從任意一個(gè)節點(diǎn)，訪(fǎng)問(wèn)整個(gè)控制系統多個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間，請參考圖2。

典型以太網(wǎng)總線(xiàn)的應用探討

根據整車(chē)廠(chǎng)應用中的特點(diǎn)，我們選取一些典型的設備來(lái)探討一下以太網(wǎng)總線(xiàn)的方案對比傳統總線(xiàn)方案的優(yōu)勢。

1、機器人工位：以焊裝車(chē)間一個(gè)高自動(dòng)化工位（包含兩個(gè)機器人工位，每個(gè)工位6臺機器人）為例（見(jiàn)圖3），PLC通過(guò)總線(xiàn)與現場(chǎng)I/O、變頻器以及機器人進(jìn)行信號機安全通訊，同時(shí)機器人、焊機、Watersaver、涂膠機等需要進(jìn)行以以太網(wǎng)通訊?，F場(chǎng)通訊種類(lèi)多，需要PLC、機器人進(jìn)行中轉，信號傳輸速率受到影響，布線(xiàn)、編程也相對復雜，在應用了以太網(wǎng)總線(xiàn)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(jìn)行無(wú)縫通訊（見(jiàn)圖4）。

2、EMS電單軌小車(chē)以太網(wǎng)應用：在高速可調、靈活柔性的輸送系統中，EMS是不二的選擇。由于每個(gè)小車(chē)都有一個(gè)控制器，且一個(gè)系統中一般都有上百個(gè)小車(chē)，這么多控制器同時(shí)進(jìn)行通訊，傳統總線(xiàn)會(huì )存在延時(shí)，對系統的安全響應存在較大的隱患。在采用以太網(wǎng)傳輸之后，EMS系統的長(cháng)度不受限制、小車(chē)運動(dòng)的信號實(shí)時(shí)傳輸不受影響，定位數據可以實(shí)時(shí)響應，甚至可以額外增加小車(chē)視頻高清數據的傳輸，極大的方便了維護控制人員的監控。

整車(chē)廠(chǎng)以太網(wǎng)總線(xiàn)標準化探討

為了確保工廠(chǎng)自動(dòng)化系統下全以太網(wǎng)方案的無(wú)縫連接，需要規范以太網(wǎng)的實(shí)施標準，下文將舉例說(shuō)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，一塊連接自動(dòng)化系統，設備層采用星形或者總線(xiàn)形拓撲結構與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(gè)VLAN，IP地址不路由到Plant交換機；

2、 單個(gè)Cell中的Cell交換機層組成環(huán)網(wǎng)連接，Cell之間通過(guò)Zone交換機或者PNPN coupler（僅Siemens系統）進(jìn)行連接通訊，Zone交換機采用三層管理型網(wǎng)絡(luò )交換機，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(guò)使用以太網(wǎng)管理軟件，對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理維護；

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

5、 控制應用需要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(guò)程延時(shí)和控制信號丟失。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(guò)運用網(wǎng)關(guān)，防火墻，路由或者恰當的安全軟件來(lái)提供恰當的網(wǎng)絡(luò )安全；

6、 以太網(wǎng)電纜結構、長(cháng)度等要求可以參考ODVA、PI組織的白皮書(shū)；

7、 Cell交換機到zone交換機的連接必須使用2個(gè)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(xiàn)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(gè)端口至多接10個(gè)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(gè)以太網(wǎng)卡在線(xiàn)快速連接的節點(diǎn)不能超過(guò)20個(gè)。

當然，以太網(wǎng)實(shí)施中的規范遠不止這些，需要更多標準和實(shí)施經(jīng)驗的支持，相信隨著(zhù)該方案的推進(jìn)，各整車(chē)廠(chǎng)會(huì )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，國內市場(chǎng)的需求膨脹，國內的汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家正在不斷地擴大生產(chǎn)規模，車(chē)型也必將不斷地推陳出新，以太網(wǎng)總線(xiàn)的應用也在迅速發(fā)展，圖6非常明確的說(shuō)明了以太網(wǎng)節點(diǎn)數量正在迅速增長(cháng)。

以太網(wǎng)的應用不僅限于此，諸如無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)、IP67交換機等都可以作為新技術(shù)、新方案引入到現場(chǎng)，從而改善甚至完全改變自動(dòng)化的柔性生產(chǎn)設備的形式。作為國內的整車(chē)廠(chǎng)企業(yè)，應該抓住這個(gè)機會(huì )學(xué)習國外的先進(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(lèi)外部應用中入手，加強本地化應用和自主知識產(chǎn)權的保護，優(yōu)化乃至標準化全以太網(wǎng)在系統的應用，以便進(jìn)一步降本增效，實(shí)現企業(yè)利益的最大化。(end)