PROFINET在汽车制造的应用研究

甘守武 陈志君 李蕊

摘 要：PROFINET作为工业4.0主干网，充分融合了现场总线和以太网优势，极大提升了汽车制造系统的柔性化、高效性和高性能，是汽车制造业实现智能制造的关键技术。论文以PROFINET在汽车制造中的应用，对其进行了详细的研究。关键词：PROFINET;汽车制造;具体应用中图分类号：U466  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）01-145-03

Application of PROFINET in automobile manufacturing

Gan Shouwu， Chen Zhijun， Li Rui

（Intelligent manufacturing and automotive engineering of Chongqing College of electronicEngineering， Chongqing 401331）

Abstract： PROFINET， as the backbone network of industrial 4.0， fully integrates the advantages of field-bus and Ethernet， greatly improving the flexibility， efficiency and high performance of automotive manufacturing system. And it is the key technology to realize the intelligent manufacturing in the automobile industry. In this context， this paper focused on the detailed study of the application of PROFINET in automobile manufacturing.Keywords： PROFINET; Automobile manufacturing; The specific applicationCLC NO.： U466  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）01-145-03

前言

经过几十年的发展，我国的汽车行业已经进入到一个高速发展的阶段，且面临的竞争越来越大。在这种情况下，汽车制造业一方面要降低生产成本，另一方面还要不断提高汽车生产的质量标准。在具体的汽车生产过程中，其自动化程度相对比较高，对生产过程中的流程控制和信息控制要求也相对比较高。因此，必须要采用有效的技术措施，以提高汽车生产效率，并实现汽车生产线的柔性化。

1 PROFINET相关概述

1.1 ROFINET

PROFINET是一种新型的自动化总线标准，是由西门子公司主导开发，并经国际组织推出。PROFINET给自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，在该系统中充分融合了多种技术，包括以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全和网络安全等技术，并且以新的以太网通讯技术为基础，将场总线和以太网优势充分地融合到一起。

同時，PROFINET还具有最常用的实时通讯技术支持、CP/IP标准通讯技术、等时同步实时通讯技术，在自动化控制中具有明显的优势^[1]。

1.2 ROFINET 的应用优势

PROFINET 是世界上唯一一种可以将工厂和过程自动化完全覆盖的现场总线标准，在使用的过程中，PROFINET完全继承了PRIFIBUS在工业应用中的性能要求，并将以太网优势充分融入其中，具有显著的优势。具体来说，集中表现在以下四方面：

1.2.1 活性

PROFINET在工业自动化的应用过程中，具有较强的灵活性。主要体现在工业环境下，PROFINET可对无线局域网进行良好的控制，并且形成一种具有总线型、星型、环型等多种拓扑结构，以加强对安全控制系统、安全总线控制。在PROFINET形势下，通过快速浏览的网页，即便是在没有编程软件的情况下，也可以进行快速访问，并对系统的状态信息进行诊断。

1.2.2 效性

在具体应用的过程中，PROFINET可将所有的控制需求集成，使其于一根线缆之上，从而只要通过PROFINET的总线，即可实现对所有的控制，如：实时通讯、标准IT通讯、特殊通讯控制等;同时，利用PROFINET技术，可以在不利用STEP7编程软件的情况系啊，对网络、网络内的设备状态进行快速、准确的诊断;利用PROFINET中的PROFIenergy技术，无需通过额外硬件控制字节的形式，就可以进行能源管理，具有极高的节能作用;最后，利用PROFINET技术，可以对系统中的所存储的参数进行快速更换，并对其进行充分利用，以提高资源利用率^[2-3]。

1.2.3 高性能

在具体应用的过程中，PROFINET技术缩短了循环扫描的周期，提高了传输速率。在PROFINET技术中，即便是利用普通的铜制线缆，其等时同步实时通讯的循环扫描周期为31.25μs，且传输速率高达100MB/s，这就为提高设备加工精度提供了一个强有力的保障;另一方面，与PROFIBUS相比，在PROFINET技术中，网络内的节点数量出现了大幅度增加的趋势，这就为实现故障安全控制于一根电缆提供了基础和可能性。同时，PROFINET技术还具有明显的安装方便优势，并大大提升了整个控制系统的抗干扰能力，为整个控制系统的的正常、稳定运行提供了有力的保障。

1.2.4 安全性

在具体应用的过程中，PROFINET无需再进行额外的电缆布线，其应用程序、故障安全解决方案之间也无需进行特定的设计，实现了集成的安全。并且通过PROFINET，可实现数据在汽车生产网络中进行安全传输^[4]。

2 PROFINET在汽车制造中的具体应用

2004年11月，在SPS展览会上，奥迪、宝马、梅勒-克莱斯勒、大众四家汽车行业共同宣布，支持工业以太网标准的PROFINET在汽车生产中的应用。这表明，PROFINET技术已经开始汽车制造过程中进行应用。经过多年的实践经验，结果显示：在汽车制造行业中，充分利用PROFINET技术，有助于帮助汽车制造领域的用户建立起一个统一的网络构建，不仅实现了中央控制结构到本地的分布式智能控制，在生产领域内充分发挥了信息技术的优势，提升了其生产的自动化，同时并进一步简化了汽车制造业系统的升级、改造^[5]。

目前，PROFINET技术已经在汽车制造领域中，实现了广泛的应用，具体主要体现在三个方面：

2.1 PROFINET在集成类控制系统中的应用

汽车的集成类控制系统是指一条线体、一套设备的控制系统，该系统主要包括两个、两个以上的子系统共同组成。该系统具有显著的特点，主要表现为：控制点数多、区域集中，并且各个子系统之间还存在大量的信号连锁，如：自动化冲压线、多工位冲压线、激光拼焊线、自动化开卷线等。

在研究的过程中，以汽车集成类控制系统中的自动化开卷线为例，对PROFINET技术在其中的具体应用进行了详细的探讨。在汽车的自动化开卷线工艺中，必须要将不同厚度、不同宽度的钢卷进行裁剪，使之成为符合使用规格的钢片。在具体进行裁剪工艺的过程中，由于使用涉及到多个单元，控制较为复杂。而通过PROFINET的应用，可以将自动化开卷线的控制系统进行划分，是指成为监控层、控制层和设备层。其中，监控层主要有上位机和车间的过程监控系统共同组成，主要负责设备状态、故障和运行参数的监控。并将所监控的参数通过该系统中的通讯模块，将其反馈给车间过程的监控系统。同时，还可以利用网段划分的方式，将信息网和控制网进行有效的隔离，实现通讯可靠;控制层作为盖层的核心，由开卷、剪切和堆垛三个子系统共同组成，主要通过耦合器对整个系统进行实时通讯，主要负责对设备的状态、故障信息进行查看等;设备层主要包括相关的检车和执行元件，以及PLC通讯，可通过线性拓扑组成的方式对整个网络进行控制^[6]。可以说，通过PROFINET的应用，利用监控层、控制层和设备层，实现了“一网到底”的控制。

2.2 PROFINET在输送控制类系统中的应用

在汽车生产过程中，输送控制类系统主要包括四大工艺车间、焊装的分总成输送、白车身输送、冲压的废料输送、总装车身以及各个部门装配的输送等。尤其是当前，随着汽车市场需求量日益加大，汽车行业必须要不断提高其生产效率、降低劳动人员的工作强度，以提高汽车的产量。

在这种情况下，通过PROFINET在汽车输送控制类系统中的应用，进一步提高了整个系统的高速运行，大大提高了企业生产行业的生产效率。其中，最具代表性的为PROFINET在EMS输送控制系统中的应用，加快了汽车生产过程中的吊具升降和旋转效率，使得汽车的装配更加方便。

2.3 PROFINET在过程控制类系统中的应用

汽车的过程控制类系统主要包括控制器、仪表、传感器，通过过程控制系统可以对汽车的液位、温度、湿度、压力、流量等参数进行有效的控制。PROFINET在汽车的过程控制类系统中的应用，主要表现在涂装车间前处理电泳控制、流体输送控制、工艺和环境空调控制、三元体换热控制等系统。

电泳设备控制系统和前处理是汽车过程控制类系统中的一个重要组成部分，主要由四个子系统组成，即：前处理控制、阳极管监测系统、电泳控制系统和整流电源控制系统。该系统通过了PROFINET技术的应用，选用了智能设备的形式，既满足了实時通讯的需求，且控制点相对较少，数据传输量较大^[7]。

3 PROFINET应用现状分析

目前而言，我国的合资品牌汽车制造商均是已经采用了全球统一规范的PROFINET应用。而长城、奇瑞、吉利等国内自主品牌的汽车制造商，在发展的过程中，均纷纷借鉴外国的先进经验，开始进行PROFINET应用。例如，奇瑞汽车将PROFINET中的PRoFIsafe安装技术应用到增加冲压线的系统中，不仅实现了冲压阶段之间的进给装置自动化，也为其生产企业节省了较大的成本投入，赢得了一定的经济效益。

需要注意的是，汽车制造在应用PROFINET的时候，必须要采取有效的措施，从软硬件不同的角度，保障设备的安全稳定。在利用的过程中，一旦出现故障方面的信息提示，要对这些出现故障网络节点进行准确的确定，之后在硬件上将该设备进行拆除。如果仅仅是该设备中的某一个PROFI -NET网络接口出现了故障，可以将其移至到总线的末端，并在软件系统中对硬件配置进行修改即可^[8]。

4 结束语

综上所述，伴随着汽车市场需求量的激增，汽车行业面临着转型升级。在新的形势下，可充分利用PROFINET技术，积极构建出一个功能强大、性能稳定、配置灵活的生产现场主干控制网络，以实现对汽车生产进行数字化、智能化和柔性化管理，从而达到缩短汽车生产周期、提高汽车生产效率、降低生产成本的目的。

参考文献

[1] 崔玉朋，张薇，王万峰，王哲，张强. 浅谈PROFINET在汽车制造的应用[J]. 汽车工艺与材料，2016（01）：6-10.

[2] PROFINET开启汽车智能制造4.0时代的金钥匙——PI-China协会技术专家章文俊[J]. 仪器仪表标准化与计量，2016（05）：19-20.

[3] 特邀记者.PROFINET提升制造品质打造中国汽车品牌——访南京泰普森自动化设备有限公司执行副总经理王伟先生[J].中国仪器仪表，2018（08）：35-36.

[4] PROFINET应用于大众途观生产链制造[J].中国仪器仪表，2018 （08）：39.

[5] 王静.汽车制造业——PROFINET让汽车生产变得更简单[J].仪器仪表标准化与计量，2016（06）：4.

[6] 蔡冠军.基于PROFINET的汽车前后梁焊接控制系统设计[D].长春理工大学，2017.

[7] 黄钰婷.基于ProfiNet网络的汽车生产线自动控制系统设计[J]. 現代商贸工业， 2017（14）：185-185.

[8] 冯春山.PROFINET工业以太网技术研究[J].设备管理与维修， 2016（1）：25-26.