西門(mén)子S7-1500 PLC 在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線中的應(yīng)用

李向文

（北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206）

0 引言

歐康發(fā)動(dòng)機(jī)工廠位于濰坊市高新區(qū)，是北汽福田汽車股份有限公司以“工業(yè)4.0”和《中國(guó)制造“2025”》戰(zhàn)略建成的年產(chǎn)30 萬(wàn)臺(tái)的現(xiàn)代化發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線。包括發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋柔性加工線、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配及測(cè)試線，主要生產(chǎn)2.0 升及2.5 升的渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)西門(mén)子S7-1500 系列的PLC，配合分布式I/O 在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配線的實(shí)際應(yīng)用。包括ET200SP、ET200MP 以及SINAMICS G120C 變頻器。實(shí)現(xiàn)整機(jī)智能裝配線控制工藝要求。

1 布局規(guī)劃與總體設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)智能裝配線

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)智能裝配線由一條環(huán)形總裝線（冷試與裝配共線，共用托盤(pán)）和缸蓋分裝線組成，大量采用機(jī)器人、擰緊機(jī)、模塊化設(shè)計(jì)，提高柔性，滿足不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)共線生產(chǎn)要求。裝配線規(guī)劃長(zhǎng)度128 m，寬度22 m，共計(jì)109 個(gè)工位，工位結(jié)構(gòu)采用空中吊掛方式，提高車間通透度，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)智能裝配線如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)智能裝配線

整線聯(lián)動(dòng)全部采用S7-1500 PLC 控制，全線分為自動(dòng)工位和手動(dòng)工位，自動(dòng)工位分別由CPU1517 獨(dú)立控制，手動(dòng)工位分別由CPU1512SP 獨(dú)立控制；全線配置MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理，ANDON 板生產(chǎn)拉動(dòng)，設(shè)備的在線質(zhì)量信息全部通過(guò)PLC 上傳到MES 系統(tǒng)，擰緊工作站全部采用可編程控制電動(dòng)扳手或擰緊機(jī)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制；托盤(pán)裝配Moby 載體，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程生產(chǎn)信息存儲(chǔ)及質(zhì)量追溯；手動(dòng)工位獨(dú)立鋼結(jié)構(gòu)布置，每個(gè)工位配置HMI；工藝流程如圖2所示，工藝特點(diǎn)如圖3 所示。

圖2 工藝流程

圖3 工藝特點(diǎn)

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于數(shù)據(jù)智能采集技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)制造全過(guò)程質(zhì)量控制和追溯，從零部件入庫(kù)和揀選配送的條碼掃描，到生產(chǎn)線上RFID（Radio Frequency Identification，無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)）技術(shù)的應(yīng)用（機(jī)加工線載碼體，裝配線MOBY），結(jié)合信息系統(tǒng)LES（Logistics Execution System，物流執(zhí)行系統(tǒng)）、MES、設(shè)備管理系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，確保了從采購(gòu)到生產(chǎn)再到銷售、從供應(yīng)商到工廠再到市場(chǎng)的全過(guò)程質(zhì)量控制和追溯，數(shù)字化車間管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化車間管控一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

依據(jù)裝配和試驗(yàn)工藝需求將整個(gè)裝配過(guò)程分成主裝配線、缸蓋分裝線、測(cè)試線等。在主裝配線與缸蓋分裝上線處配置上線PC，負(fù)責(zé)接收工廠的信息系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的裝配計(jì)劃信息。在發(fā)動(dòng)機(jī)的下線工位處配置裝配數(shù)據(jù)下線PC，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的下線數(shù)據(jù)下載。生產(chǎn)線控制方式采用PROFINET 總線，工位采用區(qū)域控制方式，共設(shè)8 個(gè)區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5 所示，自動(dòng)/手動(dòng)工位控制邏輯如圖6 所示。

圖6 自動(dòng)/手動(dòng)工位控制邏輯

圖5 中，淺色實(shí)線表示PROFINET 通信網(wǎng)絡(luò)，分布式I/O 站的接口模塊ET200SP、ET200MP 通過(guò)PROFINET 通信協(xié)議與CPU1517 集成PN 口交換數(shù)據(jù)。

圖5 總裝線總的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

基于車間管控一體化系統(tǒng)的無(wú)紙化，裝配工位配備HMI 觸摸屏，把整機(jī)的數(shù)字化模型數(shù)據(jù)、輸送線整體控制系統(tǒng)、Andon系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)工藝文件等集成在其中，實(shí)現(xiàn)了車間的無(wú)紙化生產(chǎn)。

CPU1517 集成1 個(gè)PROFIBUS DP 通信口，1 個(gè)以太網(wǎng)口和2 個(gè)PROFINET 通信口，通信能力強(qiáng)大，不需要任何擴(kuò)展通信板卡即可滿足全線的通信要求。每個(gè)CPU1517 通過(guò)以太網(wǎng)連接1 個(gè)安裝有WinCC Professional 軟件的上位機(jī)站做畫(huà)面監(jiān)控，每個(gè)工位的操作臺(tái)上各有1 個(gè)KTP600 按鍵觸摸屏獨(dú)立完成該工位的畫(huà)面監(jiān)控。

2 裝配線控制設(shè)計(jì)

2.1 TIA 軟件平臺(tái)

項(xiàng)目使用TIA Portal 軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程和組態(tài)配置，以及上位機(jī)畫(huà)面的監(jiān)控，TIA Portal 軟件又稱TIA 博圖軟件，由STEP7 和WinCC 兩大部分組成，項(xiàng)目使用STEP 7 Professional V15版本對(duì)S7-1500 進(jìn)行硬件、網(wǎng)絡(luò)配置和編程組態(tài)，軟件界面如圖7 所示。

圖7 TIA 軟件平臺(tái)

2.2 MES 和現(xiàn)場(chǎng)PLC 之間通信

S7-1500 集成標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)控制器與MES 系統(tǒng)和企業(yè)級(jí)ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全高效通信。項(xiàng)目中每個(gè)工位都是采用S7-1500 系列PLC 獨(dú)立控制，要想實(shí)現(xiàn)整線聯(lián)動(dòng)，必須2 個(gè)工位之間進(jìn)行信號(hào)交互。每個(gè)工位的過(guò)點(diǎn)信息、壓力、位移等結(jié)果值需要上傳MES，這樣就需要1 個(gè)主控PLC，作為MES 和現(xiàn)場(chǎng)PLC 之間的橋梁。

當(dāng)前S7-1500 CPU 基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式有“S7 Communication”、“ISO-on-TCP”、“UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）”、“TCP”、“PROFINET IO I-Device Communication”、“PROFINET IO”等。項(xiàng)目中選用了S7 Communication、PROFINET IO I-Device communication、UDP 的混合連接方式，工位PLC 之間通過(guò)S7 Communication 通信，主控和每個(gè)工位PLC 之間通過(guò)PROFINET IO I-Device Communication 通信，主控PLC 和MES 之間通過(guò)UDP 通信，如圖8 所示，下面簡(jiǎn)單介紹一下這種連接的編程方法。

圖8 MES 和現(xiàn)場(chǎng)PLC 之間通信

2.2.1 S7 Communication 通信

項(xiàng)目采用在2 個(gè)S7-1500 CPU 之間組態(tài)1 個(gè)S7 連接，并使用PUT 和GET 通信指令實(shí)現(xiàn)2 個(gè)工位之間的數(shù)據(jù)交換。"PUT"指令寫(xiě)數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程連接伙伴，"GET"指令讀取遠(yuǎn)程連接伙伴的數(shù)據(jù)?；赑UT 和GET 指令創(chuàng)建的FC 功能功能模塊應(yīng)用案例如圖9 所示。

圖9 PUT 和GET 指令設(shè)置編程

2.2.2 I Device 通信

PROFINET 的CPU 支持I-Device 功能，即智能I/O 設(shè)備功能，該功能支持控制器之間通過(guò)I/O 區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，項(xiàng)目中現(xiàn)場(chǎng)工位PLC 做為智能設(shè)備。將智能設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)I/O 設(shè)備運(yùn)行，務(wù)必通過(guò)GSD 文件對(duì)智能設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，首先在STEP7 中將每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)CPU 組態(tài)為智能設(shè)備，配置好它們的數(shù)據(jù)交換信息，再導(dǎo)出為GSD 文件，然后在主控PLC 中導(dǎo)入該GSD 文件并將智能設(shè)備指定為I/O 控制器。如果想對(duì)配置的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，則需要重新生成GSD 文件。

在配置好需要組態(tài)設(shè)備的IP 地址和設(shè)備名稱后，需要編寫(xiě)I-Device 的通信程序。項(xiàng)目采用在程序中調(diào)用“DPRD_DAT（用于讀取從站的過(guò)程數(shù)據(jù)）”和“DPWR_DAT（用于給從站寫(xiě)入過(guò)程數(shù)據(jù)）”來(lái)進(jìn)行通信，應(yīng)用案例如圖10 所示。圖10 中，“LADDR”：參數(shù)選擇從站報(bào)文；“RECORD”：參數(shù)定義要發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的首地址；“RET_VAL”：參數(shù)定義如果執(zhí)行指令時(shí)出錯(cuò)，則返回值中會(huì)包含一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

圖10 “DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”指令設(shè)置編程

2.2.3 UDP 通信

UDP 是面向非連接的協(xié)議，在2 個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)域傳輸，它不與通信伙伴建立傳輸連接，而是直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去。它適用于快速簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)段進(jìn)行重新排序等優(yōu)點(diǎn)，因此在項(xiàng)目中主控PLC 和MES 之間通信采用UDP 方式進(jìn)行，如圖11 所示。

圖11 主控PLC 和MES 之間通信

在主控PLC 側(cè)通過(guò)集成的精簡(jiǎn)指令“TSEND_C”和“TRCV_C”來(lái)實(shí)現(xiàn)連接關(guān)系的建立、終止以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收。先在S7-1500 CPU 的組態(tài)中為集成PN 口分配IP 地址和子網(wǎng)掩碼，在循環(huán)程序中調(diào)用功能塊“TSEND_C”編寫(xiě)集成發(fā)送程序，為其分配背景數(shù)據(jù)塊，該塊在REQ 上升沿時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送，如圖12 所示。

圖12 調(diào)用“TSEND_C”管理連接并發(fā)送數(shù)據(jù)

其接口參數(shù)可通過(guò)組態(tài)進(jìn)行配置，選中“TSEND_C”塊，在屬性組態(tài)菜單的塊參數(shù)中，按功能塊“TSEND_C”的定義分別為CONNECT、DATA、DONE、BUSY、ERROR、STATUS 組態(tài)連接參數(shù)。

同樣調(diào)用功能塊“TRCV_C”編寫(xiě)集成接收程序，接收MES數(shù)據(jù)并判斷是否是想要的，如圖13 所示。

圖13 調(diào)用“TRCV_C”管理連接并接收數(shù)據(jù)

2.3 S7-GRAPH 編程

相對(duì)于西門(mén)子PLC 的LAD、FBD 和STL 高級(jí)編程語(yǔ)言，S7-GRAPH 與其有著非常相近的特性，為滿足制造業(yè)要求而設(shè)計(jì)，針對(duì)順序控制程序作了相應(yīng)優(yōu)化處理，以圖形方式把流程細(xì)分為步和轉(zhuǎn)換條件，步包含動(dòng)作，轉(zhuǎn)換條件檢驗(yàn)步的激活條件，更適用于車間流水線的順序控制程序。博圖軟件已經(jīng)集成了GRAPH 的軟件包及授權(quán)，安裝即可使用。項(xiàng)目中的每個(gè)自動(dòng)邏輯程序都是使用S7-GRAPH 編寫(xiě)的FB 塊，如圖14 所示。

圖14 自動(dòng)邏輯GRAPH 編程

3 結(jié)束語(yǔ)

西門(mén)子新一代高性能模塊化控制器S7-1500，處理速度更快、聯(lián)網(wǎng)能力更強(qiáng)、診斷能力和安全性更高，100%滿足了汽車行業(yè)的應(yīng)用需要。全集成自動(dòng)化Portal V15 編程軟件，整合了STEP7、WinCC、StartDrive 等，提高了兼容性，借助該軟件平臺(tái)，極大地縮短了工程師的故障診斷和調(diào)試時(shí)間。