因为在全球范围内人们旅行的需求都越来越多，汽车工业现在依然是一个关键性的产业。如果你想要从长期强化在汽车生产中的地位，你就必须要紧跟最新的发展。融合质量、安全和可持续性是这个行业成功的关键，而用户友好、性能和设计也同样必不可少。所有的这些还都要建立在合理的成本基础之上。

制造业无时无刻不在利用手中的技术和资源提高质量、降低成本。与此同时，流程和生产过程也必须要理顺，这样才能保证人员、设备和材料都处于安全当中。

很多汽车制造商已经很快认识到，引入同样的质量、安全、流程和生产顺序标准，以及高水平的自动化，这样才能保证高度灵活的高效的生产。

在各种技术中引入统一的标准，一直以来都是绝大多数制造商的梦想，而现在它已经在知名的德国汽车制造商那里通过Profinet的标准化和深入开发成为了现实。

在宝马公司，很显然现代化生产系统必须要得到高效的控制、监督和优化，同时基于标准化和集成通讯进行诊断。从2008年6月以来，宝马公司位于Dingolfing的白车身工厂开始在宝马7系的整体焊接作业中使用Profinet IO（PN IO）。这家公司（在四大洲拥有二十余家工厂，旗下品牌包括宝马、Mini和劳斯莱斯），是汽车行业的领跑者也是Profinet的先行者。

位于Dingolfing 的宝马公司车身制造工厂，部署了多个焊接机器单元，总计拥有超过1000台机器人。

公司的基本需求是为所有的应用使用单一一个总线系统（网络），它还应该能够处理各种通讯任务，比如各种工作数据的交接、安全和控制信号。应该尽量避免接口，还应该尽量减少使用专业知识和工具（比如试车和工程工具）的数量。

因为有实时通讯，对Profinet的下一个要求是实现在500毫秒内进行工具切换。当然，还需要达到最高的安全需求。除此之外，按照单一一个形式进行生产系统分析可以让生产和整个网络上的诊断变得更加透明。

生产汽车

汽车生产流程主要包括五个步骤：冲压、白车身、喷漆、发动机和变速箱制造以及总装。在所谓的白车身环节，主要是将冲压得到的各种精确形状的金属件组合成一个包括大约3000个零件的车体。

然而，宝马公司在Dingolfing工厂的车身生产并不是在一条生产线上完成的，而是采用了若干焊接机器人单元分布式生产。在生产过程中，每一个元件都要在多个机器人那里进行加工，然后再组合在一起形成一个更大的单元进一步加工。

在完成车体拼装之前，几乎所有的零件都需要经过多个焊接单元。不同的加工站通过一个连接传送系统联网。

为了保证生产流程和装配线一致，在工厂的计划和设计阶段就应该注意缩短传送路程。每一件汽车上的大型部件，比如前部结构、中央部分和侧面板，都有自己的工作区。实际的车体拼装有三个起点：底盘、前部结构和尾部结构。来自冲压车间的不同面板会在这里分配给不同的焊接工作站。

在前部机构之后，是要将左，右车轮的阱和舱壁焊接到底盘上，这样一辆汽车就初具雏形了。接下来就到了车身骨架，在这个环节要加装侧面板和车顶。在这里要进行连接工作，需要连接的零件沿着一个固定的连接区域移动。

只有一些主要的外部零件，比如发动机罩、后备箱和侧板等铝制部件是需要单独制造在总装的时候就已经完全加工好的。在总装阶段，无论什么类型的汽车，都需要经过相同的打磨和焊接工作，组装侧板、后挡板和车门。在包括车门和其他附件安装完成之后，汽车就会进入喷涂车间。

按单生产

宝马Dingolfing工厂制造的每一辆汽车都是定制化的产品。通过基于TCP的通讯，每一个客户订单都会由高层的控制系统发送到负责控制全部生产的订单管理系统。

通过以太网连接每一台加工机床上的控制器，生产的状况会及时报告给控制系统。机床操作员会通过为一个生产步骤设计的操作员面板了解相关的情况，因此可以知晓哪些单元在什么时候进行加工。

零件传送到焊接工作站进行加工的作业一部分是由机床操作员完成的，他们会亲自把零件安放在机器当中，因为一名操作员需要为多个加工中心供应零件，必须要制定他的路线和时间图进行优化，保证可以在指定的时间内完成必要的任务。

为了保证人员和机器的安全，只有在机器停顿的时候才能进入操作员工作站，也就说门打开或者没有锁上的时候。在这种情况下，机器人会自动停止工作，互锁防止重新启动。再加入必要的金属薄板之后，加工过程才会开始或者继续。而更大型薄板的插入工作是由机器人完成，它们还会自动提供更小的零件，使用小型缓冲，机器人可以将操作员安放的薄板移除。理想清下，使用这种方法，可以尽可能减少浪费，并保证需要的零件就位。

因为使用机器人自动摆放元件，工厂在一定程度并不受制于操作员，但是另外一方面，因为几何形状不同以及由其导致的试车成本问题，工厂还是需要一系列专门的机械解决方案。在每一个自动生产环节的开始，机器都会检查相关薄板的位置是否正确。

机器单元间的传送系统包括有悬浮式单轨铁路、辊道输送机和电梯等等。此外，在各个加工步骤之间还存在有去耦缓冲带和积累辊道输送机。出于经济上的原因，在整个生产线当中很少会有任何中间缓冲带。

机器人控制

工厂开工的时间是每周五天，分三班倒。只有在午休的时候，装配线才会停止。宝马7系和宝马5系的车身制造基本都大约需要1200台机器人，这些机器人主要用于点焊接工艺，同时也负责黏结、铆接等工作。

Simatic S7-416F安全相关控制器是每一台生产单元的核心，每一个车间区域大约需要10台到15台控制器。比如说，底盘的工作区就由四台Simatic S7-416F-3PN/DP控制，每一台控制器负责大约10台机器人焊接小型金属薄板、固定螺栓、电缆和附加元件。每款车的总体车身制造需要大约60到100台控制器。

仅仅是宝马7系轿车的外部框架，就包括94个元件，需要1267平方米的面积。工作周期是2.1分钟，有46台机器人参与工作，总计有60个焊钳、52个触手，焊接631个点，将2.3平方米的材料连接在一起。所有的抓取操作，比如将一个零件从一个工具移动到另外一个，都需要触手。

对于局部操作而言，在大多数控制仪表箱当中都有使用Simatic PC627B面板型PC。现在Microbox PC可以当做远程操作员终端方案。然而，作为远程操作员终端方案的Simatic Microbox PC自身并没有必要的软件包（比如Step 7、S7-Graph、Distributed Safety或者P-Diag），它们需要使用终端服务器架构连接具有完整功能的主终端。

总共需要保证大概14500个以太网节点彼此之间顺畅连接，交换数据。此前，这样的一个结构使用了多个总线系统。而现在通过Profinet IO，用单一一个总线系统就可以完成。

像焊接、黏结、铆接、夹紧（一种使用冷成型的机械组装方法）这些车身组装技术，对于每一款车的要求都是一致的。与之相反，由于技术进步的原因，I/O的连接对每款车型都不尽相同，包括并行输入/输出模块（I/O）、Interbus乃至 PN IO都是如此。

单一总线结构

之前，机器人控制仪表箱必须要使用三种不同的安装技术和不同的试车工具进行配置和编程。连接的方式包括点对点连接（Interbus）、安全相关I/O总线（Safetybus）甚至是面向机器人控制PC的以太网。因为每一种总线系统的故障表示方法不同，故障分析是非常困难的。

使用实时Profinet IO，所有的通讯服务、PC、控制器、I/O模块、机器人现在都可以在一个单一标准化的总线系统中（工业以太网/ Profinet）运行。这样，就只需要一个基于以太网的安装技术和相应的更少的配置工具，比如Step 7编程环境。

借助实时Profinet IO，所有的通讯服务、PC、控制器、I/O模块和机器人都可以在同一个标准化以太网总线系统中运行。

机器人的控制中心采用的是一个基于PC的解决方案，其中带有集成开关的CP1616以太网卡可以实现与Profinet IO和IO设备的同步功能。这就意味着，机器人可以通过高级PN IO控制器作为一台PN IO设备，但是PN IO控制器自身就可以进行输入输出。

还可以使用Profinet进一步减少工程量。举例来说，可以通过Step 7将安全相关模块与标准模块放在一起进行配置、编程和诊断，因此用户就不再需要应付不同的硬件系统。物理以太网总线的点对点连接也方便进行故障定位，因为可以通过特殊的诊断硬件迅速界定故障源。这样做还减少了网络管理的负担。

公司最初的计划是使用聚合物光纤（POF）线缆来控制受到电磁干扰的区域，比如焊接机器手等等。但是，大量的EMC测量和传输性能测试显示，以太网铜线电缆在不同的电磁环境下也可以无故障工作，同时它的机械载荷非常高。因此，公司整个焊接单元的布线都是使用以太网铜线。

整个焊接单元的布线都使用以太网铜线，它不会受到复杂电磁环境的影响。

因为IE FC RJ45插头使用了特殊的FastConnect系统，工业以太网的更换非常容易，这样就节约了大量的时间和成本。使用FastConnect系统，也就是说插头采用坚固耐用的绝缘位移接触方式，这样做的另一个优点，就是不会出现RJ45塑料连接件卷边时候出现的错误链接，因此也就不再需要对线缆的接受协议进行测试。除此之外，使用最多为100米的线缆直接链接设备，就可以连通加工单元中的各个部分，不需要成本高昂的介质转换。

安全性能

今天的工业标准对于人员和机器的安全性都提出了非常高的要求，这也是企业面对的一项挑战。这家工厂的焊接工作区整个系统的安全完善度（SIL）可以达到3级，甚至电气系统的完善度可以达到4级（当然气动、机械和机器人系统还打不到如此高的要求）。

Profisafe传输协议已经得到了IEC 61508的认证，能够满足EN 954-1在制造行业SIL 3或者SIL 4等级的安全需求。因为使用了停止功能安全停机（紧急关机）和安全停止（紧急停止），操作在保证工厂处于安全状态的同时也具有一定的灵活性。

带有标准和安全输入/输出的分布式I/O：Profisafe传输协议已经得到了IEC 61508的认证，可以满足汽车行业的高等级安全需求。

带有集成安全功能的Simatic S7-416F控制器，既负责传统工厂流程的控制，也负责生产单元的安全。对比之前安全技术必须使用冗余方式或者借助装备相关软件的安全PLC控制开关闭合的方式，这是一个巨大的进步。它可以显著地降低布线成本和对空间的要求。

安全分离

每一台控制仪表箱都有一个办公室网络连接，可以与商业或者高层的IT和自动化进行沟通。出于安全的原因，IT会将工厂作为自己的子网，自动管理它的IP地址，同时使用分离的路由器实施第三层功能。

严格的网络分离，意味着大量减少了与办公室的连接，因此极大地节约了成本。同时，在出现故障的时候，也可以清楚确定责任，这样所有的工厂内部故障都可以在不借助外部专家的基础上由工厂内部维护人员完成。这也节约了时间和生产工厂的成本。

所有的焊接单元都连接高层控制系统，而这些单独系统与高层主干网之间的通讯必然要使用防火墙和路由器进行保护。否则，所有的汽车制造商的以太网节点都会处于无保护状态，收到来自全世界的攻击。

在生产单元内部，公司使用Scalance X-200型开关，因为它可以与Profinet完全集成，这样用户就不需要任何其他特殊的编程工作，就可以对基础架构设置参数化和进行诊断了。在出现故障的时候（比如线缆断裂），会有信息自动化发送给控制系统，或者通过标准渠道（SNMP）发送给高层办公室网络系统。

如果出现了线缆断裂，可以使用Step 7中的拓扑结构查看功能或者CPU的网络接口初步确定断裂的位置，然后再使用集成在开关中的运行时间测量功能确定断裂的精确位置。

为了能够在自动化单元中实现实时数据交换，还需要使用适应整个工厂的PN/PN耦合器进行连接。在两个Profinet网络之间实现确定的I/O数据耦合，也可以对临近单元产生影响，实现紧急停机。

联网的优势

在建立新的车身制造工厂的时候，应该对每一个单独的模块都进行细致的研究。测量的指标包括技术方面的试车和正式运营中的优势和劣势，同时像采购成本和维护费用这些商业因素也在决策中扮演着重要的角色。举例来说，以太网开关的坚固性也是一个必须要考虑的问题，因为存在机械负载，塑料外壳经常会无法使用。

新的通讯技术与之前使用的技术相比，试车时间更短并且更简单，所以在计划阶段就可以让公司获得收益。此外，因为故障可以快速定位和修正，工厂的工作时间也延长了。

在Dingolfing工厂进行了成功实施之后，宝马公司又在Regensburg和慕尼黑的工厂的焊接单元中部署了使用Profinet的解决方案。CEA

Jrg Lochmller是一名售前顾问，而Andreas Mhlthaler则是西门子工业自动化汽车行业的行销人员。