馬天才，宋壘陽，林維康

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

基于Profinet的安全氣囊自動(dòng)裝配產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬天才，宋壘陽，林維康

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

為了提高汽車安全氣囊自動(dòng)裝配產(chǎn)線設(shè)備可靠性，提高生產(chǎn)效率和合格率，設(shè)計(jì)了基于Profinet的自動(dòng)裝配產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實(shí)踐表明，Profinet應(yīng)用于產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)，大大簡化了電氣系統(tǒng)，降低了故障率，提高設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性；將現(xiàn)場總線設(shè)備連接到以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線集成化控制與數(shù)據(jù)高速傳輸，降低了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了生產(chǎn)效率；接入質(zhì)量追溯系統(tǒng)，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了工廠信息化管理，為產(chǎn)品全生命周期內(nèi)質(zhì)量追溯提供了保證。

安全氣囊；自動(dòng)裝配產(chǎn)線；Profinet；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；質(zhì)量追溯

0 引言

在汽車碰撞事故中，安全氣囊作為被動(dòng)安全的重要部件，能對乘員起到很好的保護(hù)作用，已逐漸成為汽車標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。隨著全球汽車保有量的增加，對安全氣囊的需求也在逐步攀升。為了能夠適應(yīng)市場變化，各大汽車零部件廠商紛紛引進(jìn)自動(dòng)化裝配產(chǎn)線來提高生產(chǎn)效率。但近期因高田氣囊安全隱患，汽車廠商將在全球召回超過5000萬輛裝備有隱患?xì)饽业钠?。高田氣囊召回事件表明，安全氣囊質(zhì)量缺陷也會(huì)給乘員帶來人身傷害，甚至生命威脅。汽車廠商對安全氣囊的產(chǎn)品質(zhì)量把控越來越嚴(yán)格，因此對自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性也提出了更高的要求。安全氣囊產(chǎn)品的質(zhì)量與其零部件相關(guān)聯(lián)，在裝配時(shí)還將產(chǎn)生與產(chǎn)品惟一對應(yīng)的過程數(shù)據(jù)，工廠需要記錄并存儲(chǔ)過程數(shù)據(jù)。一旦在使用過程中出現(xiàn)問題，可以向上追溯生產(chǎn)信息，查找問題原因，并幫助廠商定位同批次生產(chǎn)的氣囊，組織汽車召回，消除安全隱患[2]。

Profinet是基于工業(yè)以太網(wǎng)的開放的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，能夠連接從現(xiàn)場層到管理層的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)公司管理層對現(xiàn)場層的直接透明訪問。Profnet以其高實(shí)時(shí)性、豐富的診斷功能、兼容TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、物流等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

本文設(shè)計(jì)一種基于Profinet的安全氣囊自動(dòng)裝配產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠簡化設(shè)備的電氣系統(tǒng)，提高生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性，便于前期調(diào)試和后期維修；并且過程數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)和傳輸，結(jié)合條碼技術(shù)，將裝配產(chǎn)線接入質(zhì)量追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠信息化。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[4]：1）現(xiàn)場設(shè)備層。車間內(nèi)設(shè)置有多條安全氣囊裝配產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線都根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)置有多個(gè)工位，工位之間通過Profinet總線相連，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線內(nèi)的設(shè)備互聯(lián)；2）車間監(jiān)控層。不同生產(chǎn)線都通過工業(yè)以太網(wǎng)接到工業(yè)交換機(jī)，每個(gè)車間都設(shè)置有質(zhì)量追溯系統(tǒng)服務(wù)器，通過工業(yè)交換機(jī)與該車間的生產(chǎn)線進(jìn)行互聯(lián)，對產(chǎn)線進(jìn)行集中管理，生產(chǎn)規(guī)劃，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)；3）工廠管理層。質(zhì)量追溯系統(tǒng)向上與工廠級(jí)服務(wù)器進(jìn)行通信，接收工廠服務(wù)器下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，上傳記錄的生產(chǎn)信息。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 工藝流程

安全氣囊主要由氣體發(fā)生器、導(dǎo)流環(huán)、氣袋和面蓋組成。使用時(shí)，氣體發(fā)生器在碰撞瞬間產(chǎn)生大量高壓氣體，在導(dǎo)流環(huán)作用下將氣體充入氣袋，氣袋膨脹撐開面蓋保護(hù)乘員。根據(jù)對安全氣囊結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，合理分解裝配步驟，設(shè)計(jì)安全氣囊裝配工藝流程為：發(fā)生器與導(dǎo)流環(huán)鉚接，發(fā)生器組件與氣袋裝配，氣袋折疊，面蓋壓合和產(chǎn)品終檢。根據(jù)工藝流程對安全氣囊裝配產(chǎn)線進(jìn)行工位設(shè)置，每個(gè)工位完成工藝流程中的一道工序。因此本文所述氣囊裝配產(chǎn)線共設(shè)置5個(gè)工位，分別命名為OP10、OP20、OP30、OP40、OP50。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安全氣囊自動(dòng)裝配產(chǎn)線即系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)場設(shè)備層。產(chǎn)線由多個(gè)工位組成，各工位均設(shè)置有獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)，各工位控制系統(tǒng)由傳感器、電磁閥、氣缸、HMI和PLC等組成，實(shí)現(xiàn)單工位的自動(dòng)裝配控制；工位之間通過Profi net互聯(lián)，便于產(chǎn)線內(nèi)部集中管理。安全氣囊產(chǎn)線向上通過工業(yè)交換機(jī)接入質(zhì)量追溯系統(tǒng)。安全氣囊產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 安全氣囊產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

各工位控制系統(tǒng)均采用帶有Profinet通信接口的西門子PLC為控制單元，支持Profi net通信的觸摸屏為人機(jī)交互界面，采用磁性開關(guān)、接近傳感器、激光傳感器和位移傳感器等采集信號(hào)形成反饋控制，采用電磁閥和氣缸作為執(zhí)行器。為了實(shí)現(xiàn)條碼錄入與打印，工位配備有條碼掃描器和打印機(jī)。工位需要的執(zhí)行器件數(shù)量較多，若均采用分立的電磁閥來驅(qū)動(dòng)氣缸，會(huì)大大增加接線難度，遺留大量的故障點(diǎn)，不利于后期維護(hù)。

本文采用支持Profinet通信功能的總線閥島來集中控制電磁閥的開閉，并配備輸入模塊采集氣缸位置信息。在終檢工位，需要20個(gè)位移傳感器檢測產(chǎn)品高度，均為模擬量信號(hào)，若選用單個(gè)傳感器配放大器的組合方式，控制器需要額外配置20個(gè)通道的模擬量輸入模塊，電氣安裝也會(huì)耗費(fèi)大量人工時(shí)間。本文選擇支持Profi net的傳感器模組，可以將位移數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸給PLC，大大降低了電氣接線難度，簡化了電氣系統(tǒng)。為了與僅有串行通信功能的第三方零部件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通常用協(xié)議轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行信息映射，例如支持RS232C通信的條碼掃描槍和拉鉚槍，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換可以接入交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與其他零部件的組網(wǎng)。單個(gè)工位的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單工位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 安全氣囊產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1 通信接線

本文使用專業(yè)電氣設(shè)計(jì)軟件Eplan進(jìn)行安全氣囊裝配產(chǎn)線各工位電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]。每個(gè)電氣柜中以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，通過RJ45連接器和以太網(wǎng)線將PLC的集成PN接口、HMI、閥島、位移傳感器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器等連接組網(wǎng)。為了方便調(diào)試和維修，通常在電氣柜門上留有網(wǎng)絡(luò)接口。工位之間也通過交換機(jī)組網(wǎng)，接線方式是用網(wǎng)線將各站點(diǎn)的交換機(jī)連接，再與質(zhì)量追溯系統(tǒng)服務(wù)器相連，因此整條產(chǎn)線設(shè)備都能與服務(wù)器通信。站點(diǎn)通信接線如圖4所示。

圖4 站點(diǎn)通信接線圖

2.2 硬件組態(tài)

通信接線完成以后，還需要在PLC編程環(huán)境中進(jìn)行配置，即硬件組態(tài)[6]。根據(jù)選用的CPU型號(hào)及IO模塊，在STEP7硬件組態(tài)工具中按槽號(hào)依次插入模塊，并作相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。組態(tài)時(shí)要把閥島、傳感器等現(xiàn)場總線設(shè)備添加到通信網(wǎng)絡(luò)中，需要添加與之對應(yīng)的GSD文件。GSD文件是對現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)據(jù)類型和傳輸格式詳細(xì)描述的文件[7]。本文設(shè)計(jì)的安全氣囊裝配產(chǎn)線OP50工位硬件組態(tài)如圖5所示。

圖5 硬件組態(tài)

2.3 產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系中，每個(gè)車間、每條生產(chǎn)線、每臺(tái)在網(wǎng)設(shè)備都需要設(shè)置惟一的網(wǎng)絡(luò)地址，便于在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)與服務(wù)器通信。按照系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，本文所述的安全氣囊生產(chǎn)線所在IP段為172.16.163.xxx。安全氣囊生產(chǎn)線共有5個(gè)工位，每個(gè)工位有3～8個(gè)現(xiàn)場總線設(shè)備。為了方便調(diào)試和統(tǒng)一管理，各站點(diǎn)均按順序?yàn)镻LC、HMI、閥島等進(jìn)行編址。在前期調(diào)試時(shí)還需要設(shè)置PG/PC接口參數(shù)，用于編程的計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡地址應(yīng)與產(chǎn)線IP地址在同一網(wǎng)段內(nèi)。從接入產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)上瀏覽網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)所有在網(wǎng)設(shè)備，無需移動(dòng)計(jì)算機(jī)就可以對產(chǎn)線上各工位的智能設(shè)備進(jìn)行編程和故障診斷。安全氣囊產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 安全氣囊產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

條碼掃描槍僅支持串口通信協(xié)議，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器連入產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)，無法直接對其編址。為了實(shí)現(xiàn)條碼掃描槍上傳數(shù)據(jù)到PLC，需要在協(xié)議轉(zhuǎn)換器管理頁面設(shè)置IP地址及工作模式，并編寫PLC通信配置程序，將IP地址設(shè)置與協(xié)議轉(zhuǎn)換器地址相同即可。

完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置后，安全氣囊裝配產(chǎn)線就可以在工位聯(lián)動(dòng)模式下自動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行過程中若出現(xiàn)通信故障，對應(yīng)模塊會(huì)有報(bào)警提示，例如閥島總線節(jié)點(diǎn)LED紅燈閃爍，傳感器總線模塊BF指示燈顯示紅色并以1s周期閃爍。Profi net通信故障診斷還可以通過在線監(jiān)控PLC，在診斷視圖中查看，診斷緩沖區(qū)中顯示各模塊的狀態(tài)和故障事件的具體信息。

2.4 質(zhì)量追溯

安全氣囊產(chǎn)線組網(wǎng)并接入質(zhì)量追溯系統(tǒng)，接收生產(chǎn)規(guī)劃信息并上傳生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。在進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)之前，產(chǎn)線站點(diǎn)下載計(jì)劃生產(chǎn)的產(chǎn)品型號(hào)和對應(yīng)的工藝參數(shù)。從產(chǎn)線首站開始裝配，先掃描零部件條碼并上傳至質(zhì)量追溯系統(tǒng)服務(wù)器，經(jīng)校驗(yàn)條碼規(guī)則合格后準(zhǔn)許繼續(xù)裝配。同一零部件條碼從首站按裝配順序流入下一站，在質(zhì)量追溯系統(tǒng)控制下，不允許跨站，也不能重復(fù)，保證了產(chǎn)品裝配工藝一致，產(chǎn)品與零部件的一一對應(yīng)。裝配過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如鉚接時(shí)的拉力和行程，在該工序完成時(shí)，與條碼綁定上傳服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了與產(chǎn)品的匹配。終檢合格的產(chǎn)品，打印機(jī)生成客戶條碼粘貼在產(chǎn)品外殼，經(jīng)掃碼上傳服務(wù)器后，質(zhì)量追溯系統(tǒng)為該產(chǎn)品建立唯一的可追溯檔案，安全氣囊產(chǎn)品裝配工作完成。

3 結(jié)論

汽車安全氣囊自動(dòng)裝配產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)利用Profinet實(shí)時(shí)性和開放性的優(yōu)點(diǎn)，將現(xiàn)場總線設(shè)備連接到以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線集成化控制和數(shù)據(jù)高速傳輸。通過條碼技術(shù)接

【】【】入質(zhì)量追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄和質(zhì)量可追溯功能。Profinet應(yīng)用于產(chǎn)線簡化了電氣系統(tǒng)，節(jié)約人工成本，提高了自動(dòng)化產(chǎn)線的效率和可靠性，為安全氣囊產(chǎn)品質(zhì)量提供了保證。

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Design and implement of the safety airbag automatic assembly line network topology based on Profinet

MA Tian-cai, SONG Lei-yang, LIN Wei-kang

TP278

A

1009-0134(2016)12-0118-03

2016-09-06

馬天才（1979 -），男，河南人，副教授，博士，研究方向?yàn)槿剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)。