全以太网在整车厂自动化的应用与研究

作者：上海通用汽车有限公司 郑少愚

欢迎访问e展厅 展厅 5 现场总线/工业以太网展厅 主站板卡, 现场总线适配器, ... 随着国内汽车工业的高速发展，整车厂生产线自动化率不断提升，对于总线长度和速度的依赖越来越高，生产线的长度增加，传统总线的长度瓶颈突显；机器人工位增加、激光焊接、EMS控制、检测、设备安全等对于总线速率和容量的依赖加大，传统总线已经无法完全满足这类新技术的实施，因此对于高速安全的总线需求量随之而来。 以太网总线介绍 目前整车厂应用最广泛的总线就是P r o f i b u s（Siemens系统）以及Devicenet（Rockwell系统）。以Profibus为例，理论最大传输速率为12MB/s，常用传输速率在1.5MB/s, 主缆传输距离在200米，超过该距离就要增加中继器。目前整车厂越来越多应用的EMS（电单轨小车）、高密度机器人工位、视觉检测等对于传输速率的依赖很高，对数据实时性和安全性的要求很高，因此Profibus在这些设备上的应用已经捉襟见肘。同时，随着设备数量增多、生产控制和维护更倾向于实时监控和上位控制，设备联网的要求随之提高。广义上来说，发展计算机综合管理和控制系统显得越来重要，其代表了“智能工厂”生产经营与自动化的一种新模式，代表了一种新的生产力。综上，对于以太网的呼声随之而来，在克服了传送实时性问题后，以太网用于现场控制已经没有障碍。结合ERP和MES的传统商用以太网，真正做到了一网到底，增强了整车厂自动化系统的通明度和简易度 其实两大自动化巨头对于以太网工业总线的推广很早就开始了，Profinet以及Ethernet/IP 就是以太网总线的代表。对于工业自动化应用场合的响应时间而言，特别是安全信号，一般最少需要5-10ms，对于高性能的同步运动控制，特别是在100个节点以上的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求低于1ms。考虑到这种实时性的要求，必须对传统的以太网协议进行改进才可以满足现场要求。以Rockwell的Ethernet/IP为例，在TCP/IP之上附加CIP协议，在应用层进行实时数据交换和运行实时应用，CIP的控制部分使用实时I/O报文或隐性报文。CIP的信息部分使用报文交换，也称作线性报文。Ethernet/IP能够用于处理多达每个包1500个字节的大批量数据，它可以预报方式管理大批量数据，芯片制造商增加一个“加速”线路到以太网芯片，从而将性能改善到500mus的精度。正是基于这种实时性，工业以太网得以满足自动化应用场合。 以太网总线的优势 由此可见，实时高效正是以太网带来的优势，简单来说就是我们希望在一根网线上解决所有问题。工业以太网除了可以满足汽车厂对于现场总线的实时性、安全总线以外，相比于其他类型的现场总线，工业以太网在网络拓扑上更加灵活、方便。工业以太网除了可以组成星形网络和总线型网络以外，带有数据交换功能的网络适配器还使得整个工业以太网可以组成设备级环形网络，这样，即使网络中的某一点发生断路，网络上的节点数据仍然可以通过更改路由方向经环形网络与网络上任一其他节点交换数据。我们从任意一个节点，访问整个控制系统多个网络之间，请参考图2。 典型以太网总线的应用探讨 根据整车厂应用中的特点，我们选取一些典型的设备来探讨一下以太网总线的方案对比传统总线方案的优势。 1、机器人工位：以焊装车间一个高自动化工位（包含两个机器人工位，每个工位6台机器人）为例（见图3），PLC通过总线与现场I/O、变频器以及机器人进行信号机安全通讯，同时机器人、焊机、Watersaver、涂胶机等需要进行以以太网通讯。现场通讯种类多，需要PLC、机器人进行中转，信号传输速率受到影响，布线、编程也相对复杂，在应用了以太网总线之后，上述所有设备都可以直接以以太网连接到交换机进行无缝通讯（见图4）。 2、EMS电单轨小车以太网应用：在高速可调、灵活柔性的输送系统中，EMS是不二的选择。由于每个小车都有一个控制器，且一个系统中一般都有上百个小车，这么多控制器同时进行通讯，传统总线会存在延时，对系统的安全响应存在较大的隐患。在采用以太网传输之后，EMS系统的长度不受限制、小车运动的信号实时传输不受影响，定位数据可以实时响应，甚至可以额外增加小车视频高清数据的传输，极大的方便了维护控制人员的监控。 整车厂以太网总线标准化探讨 为了确保工厂自动化系统下全以太网方案的无缝连接，需要规范以太网的实施标准，下文将举例说明（其中cell交换机表示工位层的2层交换机，Zone交换机表示3层交换机） 1、 PLC至少具备两块以太网卡，一块连接上位机系统，一块连接自动化系统，设备层采用星形或者总线形拓扑结构与Cell交换机相连，为确保安全，一套PLC下所有设备与交换机为同一个VLAN，IP地址不路由到Plant交换机； 2、 单个Cell中的Cell交换机层组成环网连接，Cell之间通过Zone交换机或者PNPN coupler（仅Siemens系统）进行连接通讯，Zone交换机采用三层管理型网络交换机，可以为每个Cell划分不同的VLAN； 3、 如果配备维修工作站，则须安装以太网管理软件、PLC编程软件等。通过使用以太网管理软件，对网络进行管理维护； 4、 为确保安全，以太网IP地址设置使用B类地址，例如172. DD.AAB.CCC； 5、 控制应用需要100%的时间连接到网络。被连入控制网络的其他网络干扰会引起过程延时和控制信号丢失。出于这个原因考虑，控制网络必须与办公环境与因特网隔离。通过运用网关，防火墙，路由或者恰当的安全软件来提供恰当的网络安全； 6、 以太网电缆结构、长度等要求可以参考ODVA、PI组织的白皮书； 7、 Cell交换机到zone交换机的连接必须使用2个上位口连接（冗余）； 8、 交换机与交换机之间的连接必须使用交叉电缆除非交换机具有自适应功能； 9、 PLC\HMI\机器人\焊机都采用单独网线与cell switch星型连接，其余双以太网口设备（如IP67模块\阀岛\IP20模块等）可采用菊花链形式与cell switch连接，但cell switch一个端口至多接10个以太网设备； 10、 快速连接的应用需要设置独立的PLC以太网模块，（如Opengate、压机换模等）。一个以太网卡在线快速连接的节点不能超过20个。 当然，以太网实施中的规范远不止这些，需要更多标准和实施经验的支持，相信随着该方案的推进，各整车厂会形成适合自身的全以太网标。 以太网应用前景及展望 由于竞争激烈，国内市场的需求膨胀，国内的汽车生产厂家正在不断地扩大生产规模，车型也必将不断地推陈出新，以太网总线的应用也在迅速发展，图6非常明确的说明了以太网节点数量正在迅速增长。 以太网的应用不仅限于此，诸如无线以太网、光纤以太网、IP67交换机等都可以作为新技术、新方案引入到现场，从而改善甚至完全改变自动化的柔性生产设备的形式。作为国内的整车厂企业，应该抓住这个机会学习国外的先进技术与管理，不断地提高自身的技术水平。不仅从以太网本身，也从各类外部应用中入手，加强本地化应用和自主知识产权的保护，优化乃至标准化全以太网在系统的应用，以便进一步降本增效，实现企业利益的最大化。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/7/2014)