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“即插即用”?汽车行业中的模块化 自动化技术
作者:pijing 发布日期:2021-08-16 16:20

随着PROFINET在杜尔公司技术培训设备上的成功试验,德国大众的沃尔夫斯堡工厂于2002年3月投入运行了首条生产系统。此项目涉及的网络通过PROFIBUS和以太网连接了60多个独立的智能设备。其通信关系完全通过图形进行规划。模块化方法可以在工程和调试中实现实质性的节约。


由于信息技术的发展和持续上涨的成本压力,当今的自动化技术正在经历根本性的变革。这种变革正在定义新的自动化结构和原理,以在物品生产中打开方便的潜在能力。在这方面至关重要的是进一步开发自动化技术,形成开放的、分布式的自动化系统。这种进一步的开发是基于用户频频提出对开放性和普遍性的要求,以及对越来越复杂的技术能够易于使用的希望。为用户带来的利益是,在准备和操作机器和系统时能够缩短时间和节约成本。
机器和系统通常可以容易地分解成若干自治运行的子单元,这些子单元能通过可管控数量的握手信号彼此协调。这种子单元被认为是由机械系统、电气/电子系统和用户软件构成的技术模块。
PROFINET是基于面向对象的技术模块的建模。在对象模型的基础上,机器和系统及其部件被认为是技术模块,其功能以PROFINET组件的形式来封装。在外观上,这些PROFINET组件可以通过统一定义的接口来访问,因此,可以按需要来连接这些组件。这样设计的分布式自动化系统能够实现系统和机器的模块化,并且这样的技术模块可以被重复使用。
以此为基础,PROFINET明确提出了一个开放的、面向对象的通信概念,此概念基于诸如在以太网领域中惯用的TCP/IP机制。使用此基本机制,可以实现DCOM Wire协议,从而允许基于对象的应用的通信。
PROFINET定义了跨供应商的工程概念,用于界面友好的工程和系统的项目规划。它基于工程对象模型,该模型不仅允许开发可使用不同制造商组件的工程和项目规划工具,而且也允许使用所谓的“方面”(facets)来定义制造商或用户特定的功能扩展。

项目背景:杜尔,引领技术趋势
杜尔技术集团是全球领先的汽车工业的生产系统和生产服务供应商及其零部件供应商之一。其喷涂系统部门为世界各地的汽车制造商设计和安装了整个喷涂车间。喷涂技术的产品、过程和项目设计技术诀窍、应用、材料处理和数十年来一直在发展的环境工程,已经被杜尔集成形成定制化的整体解决方案,并已经成功的基于模块化的概念多年了。“杜尔EcoDIM”是面向21世纪的分布式智能模块控制系统,在PROFINET和分布式自动化的基础上已经应用于大众工厂。

    模块化的优势在于能够缩短设计时间、持续降低成本,保证质量(杜尔追求的是零缺陷的理念)及简化复杂的结构。
在模块化的工厂结构中,每个工厂部分都形成一个自治的模块,包括机械系统、电气/电子系统、系统本身的智能控制和系统自身的用户程序。通过智能现场单元或拥有自身CPU的外围设备是可以做到这一点的。
模块化带来的灵活性
由于易管理的功能,模块化结构的系统拓展更容易,维护也更容易。更新特定模块的软件,也不会对系统其他部分造成不良影响。
例如,由于模块化,杜尔公司的“EcoCure”干燥系统是灵活的,维护友好的。可灵活组合的干燥模块可以根据过程-工程的目标来组合,并被完全预装配后提供到结构现场。模块化的设计不仅能加速安装过程,而且能加速系统调试。尤其是,模块化的概念简化了质量管理,能更加容易地保证统一的高质量。
基于PROFINET的分布式自动化,使得实现一致性的模块化成为可能,并降低了系统的复杂性。新的工程工具,如Simatic iMap,在这里扮演了一个重要角色。这些工具意味着智能单元之间的通信关系不再需要明显地编程了,而可以简单地用图形来规划。
 
自治单元的分布式智能
在沃尔夫斯堡的大众9号车间,使用杜尔EcoDIM的新底涂层区已经实现了基于分布式自动化。底涂层区由预处理、阴极浸渍涂层(CDC)和底涂层主体逐渐干燥的干燥机组成。
各个系统部分被实现为自治运行的技术单元。比如,连续流的干燥机(例如)包括如下模块:
·       6个EcoCureHotBox对流回风单元
·       1个EcoCureHotBoxFreshAir新风单元
·       1个EcoPureTAR热废气净化单元
·       1个EcoCureFanOvenExhaustAir排气单元
·       1个 EcoCureCoolBox冷却区
·       2个EcoCureDoor卷帘门
每个EcoDIM模块都包含一个自带CPU的分布式Simatic ET 200S外围单元。它们都用Step 7编程,并通过PROFIBUS连接成网络。
 
PROFINET组件代表技术模块
PROFINET使用在IT环境中已经验证的软件组件技术。单个技术模块的内部功能编程与通信的工程和项目规划是分开的。技术模块的全部功能被映射和封装在相关的软件组件中,即PROFINET组件。
由PROFINET统一定义访问该组件的接口。正好,在工程通信的组件接口上提供了用于可视化和管理层网络与其他组件相互作用所需的这些变量
 
创建PROFINET组件
在大众沃尔夫斯堡工厂的系统上,首先,每个Simatic ET 200S外围单元使用Step 7来编程。然后,从技术的观点,将组件接口的输入和输出变量定义在一个数据块中,如“打开卷帘门”、“卷帘门已开”和”“停止进入”等。最后,使用“创建PROFINET组件”的Step7功能,在此信息的基础上依据PROFINET约定生成一个标准形式的描述整个组件(包括对有关Step7项目的引用)的XML文件。
 
图形规划通信
所有ECODIM模块的组件均被导入到Simatic iMap工程工具中,该工具提供整个系统的技术视图。组件之间的通信关系通过工程工具用图形来定义。
为了实现这一点,必须从库中通过拖和放将这些组件安排到连接规划上,在该连接规划中,这些组件以总线系统所用的它们的独立工业技术接口来代表。然后,再用拖线来定义这些组件的技术接口之间的通信关系。与复杂的通信编程相比,这种用图像连接组件的输入和输出的方式,大大减少了实施阶段和调试阶段所需的时间。总的来说,在这个项目中,相互连接了超过60个智能组件。
在PC上的Simatic Net PROFINET OPC服务器用于整个系统的可视化,大约有30,000个变量。与通信关系一样,可视化的变量用Simatic iMap来规划(在这种情况下变量列表是OPC标签文件)。

以太网和PROFIBUS
在各个系统区域都通过PROFIBUS连接了10到20个Simatic ET200S站。而不同的系统区域之间通过更高层的以太网网络相互连接。可视化和工程也通过以太网网络执行。
PROFIBUS段和以太网网络之间的交互工作通过具有PROFINET代理服务器功能(Simatic Net IE/PB链路)的以太网/PROFIBUS链接器来执行。这些IE/PB链接器在运行中可以作为智能PROFIBUS单元对于以太网单元的代理服务器。这个概念的优势在于现有的大量智能PROFIBUS单元,比如系统中的ET 200S,无需调整即可使用。未变化的DP协议用于PROFIBUS,而新的PROFINET通讯机制(TCP/IP和DCOM)用于以太网。

结论:节省了工程和调试的时间
对于作为一个工厂和系统商的杜尔公司来说,PROFINET向一致的模块化和分散式又迈进了一步。技术模块的可重用性,由于复制效果使工程、设计和调试都节约了时间和金钱。对杜尔公司和系统运营者大众公司来说,使用经验证的PROFIBUS产品都是至关重要的。
自2002年3月以来,高尔夫(Golf)、路波(Lupo)和途安(Touran)车身已经使用该系统生产了。目前,该系统在三班制运营模式下的可用性,在任何时候都已经得到了保证。