西門子S7-1500 PLC 在汽車發(fā)動機生產(chǎn)線中的應用

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)動機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《中國制造“2025”》戰(zhàn)略建成的年產(chǎn)30 萬臺的現(xiàn)代化發(fā)動機生產(chǎn)線。包括發(fā)動機缸體、缸蓋柔性加工線、發(fā)動機整機裝配及測試線，主要生產(chǎn)2.0 升及2.5 升的渦輪增壓柴油發(fā)動機。通過西門子S7-1500 系列的PLC，配合分布式I/O 在發(fā)動機整機裝配線的實際應用。包括ET200SP、ET200MP 以及SINAMICS G120C 變頻器。實現(xiàn)整機智能裝配線控制工藝要求。

1 布局規(guī)劃與總體設計

1.1 發(fā)動機整機智能裝配線

發(fā)動機整機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）和缸蓋分裝線組成，大量采用機器人、擰緊機、模塊化設計，提高柔性，滿足不同型號發(fā)動機共線生產(chǎn)要求。裝配線規(guī)劃長度128 m，寬度22 m，共計109 個工位，工位結構采用空中吊掛方式，提高車間通透度，發(fā)動機整機智能裝配線如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機整機智能裝配線

整線聯(lián)動全部采用S7-1500 PLC 控制，全線分為自動工位和手動工位，自動工位分別由CPU1517 獨立控制，手動工位分別由CPU1512SP 獨立控制；全線配置MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）進行現(xiàn)場管理，ANDON 板生產(chǎn)拉動，設備的在線質量信息全部通過PLC 上傳到MES 系統(tǒng)，擰緊工作站全部采用可編程控制電動扳手或擰緊機，實現(xiàn)聯(lián)動控制；托盤裝配Moby 載體，實現(xiàn)全過程生產(chǎn)信息存儲及質量追溯；手動工位獨立鋼結構布置，每個工位配置HMI；工藝流程如圖2所示，工藝特點如圖3 所示。

圖2 工藝流程

圖3 工藝特點

1.2 通信網(wǎng)絡架構

基于數(shù)據(jù)智能采集技術在發(fā)動機制造全過程質量控制和追溯，從零部件入庫和揀選配送的條碼掃描，到生產(chǎn)線上RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別技術）技術的應用（機加工線載碼體，裝配線MOBY），結合信息系統(tǒng)LES（Logistics Execution System，物流執(zhí)行系統(tǒng)）、MES、設備管理系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，確保了從采購到生產(chǎn)再到銷售、從供應商到工廠再到市場的全過程質量控制和追溯，數(shù)字化車間管控一體化網(wǎng)絡架構如圖4 所示。

圖4 數(shù)字化車間管控一體化網(wǎng)絡架構

依據(jù)裝配和試驗工藝需求將整個裝配過程分成主裝配線、缸蓋分裝線、測試線等。在主裝配線與缸蓋分裝上線處配置上線PC，負責接收工廠的信息系統(tǒng)發(fā)送過來的裝配計劃信息。在發(fā)動機的下線工位處配置裝配數(shù)據(jù)下線PC，進行發(fā)動機的下線數(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8 個區(qū)域，發(fā)動機裝配線總的網(wǎng)絡拓撲如圖5 所示，自動/手動工位控制邏輯如圖6 所示。

圖6 自動/手動工位控制邏輯

圖5 中，淺色實線表示PROFINET 通信網(wǎng)絡，分布式I/O 站的接口模塊ET200SP、ET200MP 通過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)絡拓撲

基于車間管控一體化系統(tǒng)的無紙化，裝配工位配備HMI 觸摸屏，把整機的數(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)場工藝文件等集成在其中，實現(xiàn)了車間的無紙化生產(chǎn)。

CPU1517 集成1 個PROFIBUS DP 通信口，1 個以太網(wǎng)口和2 個PROFINET 通信口，通信能力強大，不需要任何擴展通信板卡即可滿足全線的通信要求。每個CPU1517 通過以太網(wǎng)連接1 個安裝有WinCC Professional 軟件的上位機站做畫面監(jiān)控，每個工位的操作臺上各有1 個KTP600 按鍵觸摸屏獨立完成該工位的畫面監(jiān)控。

2 裝配線控制設計

2.1 TIA 軟件平臺

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

圖7 TIA 軟件平臺

2.2 MES 和現(xiàn)場PLC 之間通信

S7-1500 集成標準化的OPC UA通信協(xié)議，可實現(xiàn)控制器與MES 系統(tǒng)和企業(yè)級ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)安全高效通信。項目中每個工位都是采用S7-1500 系列PLC 獨立控制，要想實現(xiàn)整線聯(lián)動，必須2 個工位之間進行信號交互。每個工位的過點信息、壓力、位移等結果值需要上傳MES，這樣就需要1 個主控PLC，作為MES 和現(xiàn)場PLC 之間的橋梁。

當前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)報協(xié)議）”、“TCP”、“PROFINET IO I-Device Communication”、“PROFINET IO”等。項目中選用了S7 Communication、PROFINET IO I-Device communication、UDP 的混合連接方式，工位PLC 之間通過S7 Communication 通信，主控和每個工位PLC 之間通過PROFINET IO I-Device Communication 通信，主控PLC 和MES 之間通過UDP 通信，如圖8 所示，下面簡單介紹一下這種連接的編程方法。

圖8 MES 和現(xiàn)場PLC 之間通信

2.2.1 S7 Communication 通信

項目采用在2 個S7-1500 CPU 之間組態(tài)1 個S7 連接，并使用PUT 和GET 通信指令實現(xiàn)2 個工位之間的數(shù)據(jù)交換。"PUT"指令寫數(shù)據(jù)至遠程連接伙伴，"GET"指令讀取遠程連接伙伴的數(shù)據(jù)。基于PUT 和GET 指令創(chuàng)建的FC 功能功能模塊應用案例如圖9 所示。

圖9 PUT 和GET 指令設置編程

2.2.2 I Device 通信

PROFINET 的CPU 支持I-Device 功能，即智能I/O 設備功能，該功能支持控制器之間通過I/O 區(qū)域進行數(shù)據(jù)交換，項目中現(xiàn)場工位PLC 做為智能設備。將智能設備作為標準I/O 設備運行，務必通過GSD 文件對智能設備進行組態(tài)，首先在STEP7 中將每個現(xiàn)場CPU 組態(tài)為智能設備，配置好它們的數(shù)據(jù)交換信息，再導出為GSD 文件，然后在主控PLC 中導入該GSD 文件并將智能設備指定為I/O 控制器。如果想對配置的數(shù)據(jù)進行修改，則需要重新生成GSD 文件。

在配置好需要組態(tài)設備的IP 地址和設備名稱后，需要編寫I-Device 的通信程序。項目采用在程序中調用“DPRD_DAT（用于讀取從站的過程數(shù)據(jù)）”和“DPWR_DAT（用于給從站寫入過程數(shù)據(jù)）”來進行通信，應用案例如圖10 所示。圖10 中，“LADDR”：參數(shù)選擇從站報文；“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)行指令時出錯，則返回值中會包含一個錯誤代碼。

圖10 “DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”指令設置編程

2.2.3 UDP 通信

UDP 是面向非連接的協(xié)議，在2 個節(jié)點之間進行相關數(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)送過去。它適用于快速簡單數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，會對接收到的數(shù)據(jù)段進行重新排序等優(yōu)點，因此在項目中主控PLC 和MES 之間通信采用UDP 方式進行，如圖11 所示。

圖11 主控PLC 和MES 之間通信

在主控PLC 側通過集成的精簡指令“TSEND_C”和“TRCV_C”來實現(xiàn)連接關系的建立、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)程序中調用功能塊“TSEND_C”編寫集成發(fā)送程序，為其分配背景數(shù)據(jù)塊，該塊在REQ 上升沿時觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送，如圖12 所示。

圖12 調用“TSEND_C”管理連接并發(fā)送數(shù)據(jù)

其接口參數(shù)可通過組態(tài)進行配置，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)。

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

圖13 調用“TRCV_C”管理連接并接收數(shù)據(jù)

2.3 S7-GRAPH 編程

相對于西門子PLC 的LAD、FBD 和STL 高級編程語言，S7-GRAPH 與其有著非常相近的特性，為滿足制造業(yè)要求而設計，針對順序控制程序作了相應優(yōu)化處理，以圖形方式把流程細分為步和轉換條件，步包含動作，轉換條件檢驗步的激活條件，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，安裝即可使用。項目中的每個自動邏輯程序都是使用S7-GRAPH 編寫的FB 塊，如圖14 所示。

圖14 自動邏輯GRAPH 編程

3 結束語

西門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、診斷能力和安全性更高，100%滿足了汽車行業(yè)的應用需要。全集成自動化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，極大地縮短了工程師的故障診斷和調試時間。