隨著國內汽車工業的高速發展，整車廠生產線自動化率不斷提升，對于總線長度和速度的依賴越來越高，生產線的長度增加，傳統總線的長度瓶頸突顯；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速率和容量的依賴加大，傳統總線已經無法完全滿足這類新技術的實施，因此對于高速安全的總線需求量隨之而來。

以太網總線介紹

目前整車廠應用最廣泛的總線就是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，超過該距離就要增加中繼器。目前整車廠越來越多應用的EMS（電單軌小車）、高密度機器人工位、視覺檢測等對于傳輸速率的依賴很高，對數據實時性和安全性的要求很高，因此Profibus在這些設備上的應用已經捉襟見肘。同時，隨著設備數量增多、生產控制和維護更傾向于實時監控和上位控制，設備聯網的要求隨之提高。廣義上來說，發展計算機綜合管理和控制系統顯得越來重要，其代表了“智能工廠”生產經營與自動化的一種新模式，代表了一種新的生產力。綜上，對于以太網的呼聲隨之而來，在克服了傳送實時性問題后，以太網用于現場控制已經沒有障礙。結合ERP和MES的傳統商用以太網，真正做到了一網到底，增強了整車廠自動化系統的通明度和簡易度

其實兩大自動化巨頭對于以太網工業總線的推廣很早就開始了，Profinet以及Ethernet/IP 就是以太網總線的代表。對于工業自動化應用場合的響應時間而言，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控制，特別是在100個節點以上的伺服運動控制應用場合，實時響應時間要求低于1ms?？紤]到這種實時性的要求，必須對傳統的以太網協議進行改進才可以滿足現場要求。以Rockwell的Ethernet/IP為例，在TCP/IP之上附加CIP協議，在應用層進行實時數據交換和運行實時應用，CIP的控制部分使用實時I/O報文或隱性報文。CIP的信息部分使用報文交換，也稱作線性報文。Ethernet/IP能夠用于處理多達每個包1500個字節的大批量數據，它可以預報方式管理大批量數據，芯片制造商增加一個“加速”線路到以太網芯片，從而將性能改善到500mus的精度。正是基于這種實時性，工業以太網得以滿足自動化應用場合。

以太網總線的優勢

由此可見，實時高效正是以太網帶來的優勢，簡單來說就是我們希望在一根網線上解決所有問題。工業以太網除了可以滿足汽車廠對于現場總線的實時性、安全總線以外，相比于其他類型的現場總線，工業以太網在網絡拓撲上更加靈活、方便。工業以太網除了可以組成星形網絡和總線型網絡以外，帶有數據交換功能的網絡適配器還使得整個工業以太網可以組成設備級環形網絡，這樣，即使網絡中的某一點發生斷路，網絡上的節點數據仍然可以通過更改路由方向經環形網絡與網絡上任一其他節點交換數據。我們從任意一個節點，訪問整個控制系統多個網絡之間，請參考圖2。

典型以太網總線的應用探討

根據整車廠應用中的特點，我們選取一些典型的設備來探討一下以太網總線的方案對比傳統總線方案的優勢。

1、機器人工位：以焊裝車間一個高自動化工位（包含兩個機器人工位，每個工位6臺機器人）為例（見圖3），PLC通過總線與現場I/O、變頻器以及機器人進行信號機安全通訊，同時機器人、焊機、Watersaver、涂膠機等需要進行以以太網通訊?，F場通訊種類多，需要PLC、機器人進行中轉，信號傳輸速率受到影響，布線、編程也相對復雜，在應用了以太網總線之后，上述所有設備都可以直接以以太網連接到交換機進行無縫通訊（見圖4）。

2、EMS電單軌小車以太網應用：在高速可調、靈活柔性的輸送系統中，EMS是不二的選擇。由于每個小車都有一個控制器，且一個系統中一般都有上百個小車，這么多控制器同時進行通訊，傳統總線會存在延時，對系統的安全響應存在較大的隱患。在采用以太網傳輸之后，EMS系統的長度不受限制、小車運動的信號實時傳輸不受影響，定位數據可以實時響應，甚至可以額外增加小車視頻高清數據的傳輸，極大的方便了維護控制人員的監控。

整車廠以太網總線標準化探討

為了確保工廠自動化系統下全以太網方案的無縫連接，需要規范以太網的實施標準，下文將舉例說明（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卡，一塊連接上位機系統，一塊連接自動化系統，設備層采用星形或者總線形拓撲結構與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VLAN，IP地址不路由到Plant交換機；

2、 單個Cell中的Cell交換機層組成環網連接，Cell之間通過Zone交換機或者PNPN coupler（僅Siemens系統）進行連接通訊，Zone交換機采用三層管理型網絡交換機，可以為每個Cell劃分不同的VLAN；

3、 如果配備維修工作站，則須安裝以太網管理軟件、PLC編程軟件等。通過使用以太網管理軟件，對網絡進行管理維護；

4、 為確保安全，以太網IP地址設置使用B類地址，例如172. DD.AAB.CCC；

5、 控制應用需要100%的時間連接到網絡。被連入控制網絡的其他網絡干擾會引起過程延時和控制信號丟失。出于這個原因考慮，控制網絡必須與辦公環境與因特網隔離。通過運用網關，防火墻，路由或者恰當的安全軟件來提供恰當的網絡安全；

6、 以太網電纜結構、長度等要求可以參考ODVA、PI組織的白皮書；

7、 Cell交換機到zone交換機的連接必須使用2個上位口連接（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線與cell switch星型連接，其余雙以太網口設備（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一個端口至多接10個以太網設備；

10、 快速連接的應用需要設置獨立的PLC以太網模塊，（如Opengate、壓機換模等）。一個以太網卡在線快速連接的節點不能超過20個。

當然，以太網實施中的規范遠不止這些，需要更多標準和實施經驗的支持，相信隨著該方案的推進，各整車廠會形成適合自身的全以太網標。

以太網應用前景及展望

由于競爭激烈，國內市場的需求膨脹，國內的汽車生產廠家正在不斷地擴大生產規模，車型也必將不斷地推陳出新，以太網總線的應用也在迅速發展，圖6非常明確的說明了以太網節點數量正在迅速增長。

以太網的應用不僅限于此，諸如無線以太網、光纖以太網、IP67交換機等都可以作為新技術、新方案引入到現場，從而改善甚至完全改變自動化的柔性生產設備的形式。作為國內的整車廠企業，應該抓住這個機會學習國外的先進技術與管理，不斷地提高自身的技術水平。不僅從以太網本身，也從各類外部應用中入手，加強本地化應用和自主知識產權的保護，優化乃至標準化全以太網在系統的應用，以便進一步降本增效，實現企業利益的最大化。(end)