西门子S7-1500 PLC 在汽车发动机生产线中的应用

李向文

（北汽福田汽车股份有限公司，北京 102206）

0 引言

欧康发动机工厂位于潍坊市高新区，是北汽福田汽车股份有限公司以“工业4.0”和《中国制造“2025”》战略建成的年产30 万台的现代化发动机生产线。包括发动机缸体、缸盖柔性加工线、发动机整机装配及测试线，主要生产2.0 升及2.5 升的涡轮增压柴油发动机。通过西门子S7-1500 系列的PLC，配合分布式I/O 在发动机整机装配线的实际应用。包括ET200SP、ET200MP 以及SINAMICS G120C 变频器。实现整机智能装配线控制工艺要求。

1 布局规划与总体设计

1.1 发动机整机智能装配线

发动机整机智能装配线由一条环形总装线（冷试与装配共线，共用托盘）和缸盖分装线组成，大量采用机器人、拧紧机、模块化设计，提高柔性，满足不同型号发动机共线生产要求。装配线规划长度128 m，宽度22 m，共计109 个工位，工位结构采用空中吊挂方式，提高车间通透度，发动机整机智能装配线如图1 所示。

图1 发动机整机智能装配线

整线联动全部采用S7-1500 PLC 控制，全线分为自动工位和手动工位，自动工位分别由CPU1517 独立控制，手动工位分别由CPU1512SP 独立控制；全线配置MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）进行现场管理，ANDON 板生产拉动，设备的在线质量信息全部通过PLC 上传到MES 系统，拧紧工作站全部采用可编程控制电动扳手或拧紧机，实现联动控制；托盘装配Moby 载体，实现全过程生产信息存储及质量追溯；手动工位独立钢结构布置，每个工位配置HMI；工艺流程如图2所示，工艺特点如图3 所示。

图2 工艺流程

图3 工艺特点

1.2 通信网络架构

基于数据智能采集技术在发动机制造全过程质量控制和追溯，从零部件入库和拣选配送的条码扫描，到生产线上RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别技术）技术的应用（机加工线载码体，装配线MOBY），结合信息系统LES（Logistics Execution System，物流执行系统）、MES、设备管理系统、车联网系统，确保了从采购到生产再到销售、从供应商到工厂再到市场的全过程质量控制和追溯，数字化车间管控一体化网络架构如图4 所示。

图4 数字化车间管控一体化网络架构

依据装配和试验工艺需求将整个装配过程分成主装配线、缸盖分装线、测试线等。在主装配线与缸盖分装上线处配置上线PC，负责接收工厂的信息系统发送过来的装配计划信息。在发动机的下线工位处配置装配数据下线PC，进行发动机的下线数据下载。生产线控制方式采用PROFINET 总线，工位采用区域控制方式，共设8 个区域，发动机装配线总的网络拓扑如图5 所示，自动/手动工位控制逻辑如图6 所示。

图6 自动/手动工位控制逻辑

图5 中，浅色实线表示PROFINET 通信网络，分布式I/O 站的接口模块ET200SP、ET200MP 通过PROFINET 通信协议与CPU1517 集成PN 口交换数据。

图5 总装线总的网络拓扑

基于车间管控一体化系统的无纸化，装配工位配备HMI 触摸屏，把整机的数字化模型数据、输送线整体控制系统、Andon系统、现场工艺文件等集成在其中，实现了车间的无纸化生产。

CPU1517 集成1 个PROFIBUS DP 通信口，1 个以太网口和2 个PROFINET 通信口，通信能力强大，不需要任何扩展通信板卡即可满足全线的通信要求。每个CPU1517 通过以太网连接1 个安装有WinCC Professional 软件的上位机站做画面监控，每个工位的操作台上各有1 个KTP600 按键触摸屏独立完成该工位的画面监控。

2 装配线控制设计

2.1 TIA 软件平台

项目使用TIA Portal 软件对PLC进行编程和组态配置，以及上位机画面的监控，TIA Portal 软件又称TIA 博图软件，由STEP7 和WinCC 两大部分组成，项目使用STEP 7 Professional V15版本对S7-1500 进行硬件、网络配置和编程组态，软件界面如图7 所示。

图7 TIA 软件平台

2.2 MES 和现场PLC 之间通信

S7-1500 集成标准化的OPC UA通信协议，可实现控制器与MES 系统和企业级ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）系统间的数据安全高效通信。项目中每个工位都是采用S7-1500 系列PLC 独立控制，要想实现整线联动，必须2 个工位之间进行信号交互。每个工位的过点信息、压力、位移等结果值需要上传MES，这样就需要1 个主控PLC，作为MES 和现场PLC 之间的桥梁。

当前S7-1500 CPU 基于工业以太网的通信方式有“S7 Communication”、“ISO-on-TCP”、“UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）”、“TCP”、“PROFINET IO I-Device Communication”、“PROFINET IO”等。项目中选用了S7 Communication、PROFINET IO I-Device communication、UDP 的混合连接方式，工位PLC 之间通过S7 Communication 通信，主控和每个工位PLC 之间通过PROFINET IO I-Device Communication 通信，主控PLC 和MES 之间通过UDP 通信，如图8 所示，下面简单介绍一下这种连接的编程方法。

图8 MES 和现场PLC 之间通信

2.2.1 S7 Communication 通信

项目采用在2 个S7-1500 CPU 之间组态1 个S7 连接，并使用PUT 和GET 通信指令实现2 个工位之间的数据交换。"PUT"指令写数据至远程连接伙伴，"GET"指令读取远程连接伙伴的数据。基于PUT 和GET 指令创建的FC 功能功能模块应用案例如图9 所示。

图9 PUT 和GET 指令设置编程

2.2.2 I Device 通信

PROFINET 的CPU 支持I-Device 功能，即智能I/O 设备功能，该功能支持控制器之间通过I/O 区域进行数据交换，项目中现场工位PLC 做为智能设备。将智能设备作为标准I/O 设备运行，务必通过GSD 文件对智能设备进行组态，首先在STEP7 中将每个现场CPU 组态为智能设备，配置好它们的数据交换信息，再导出为GSD 文件，然后在主控PLC 中导入该GSD 文件并将智能设备指定为I/O 控制器。如果想对配置的数据进行修改，则需要重新生成GSD 文件。

在配置好需要组态设备的IP 地址和设备名称后，需要编写I-Device 的通信程序。项目采用在程序中调用“DPRD_DAT（用于读取从站的过程数据）”和“DPWR_DAT（用于给从站写入过程数据）”来进行通信，应用案例如图10 所示。图10 中，“LADDR”：参数选择从站报文；“RECORD”：参数定义要发送/接收数据的首地址；“RET_VAL”：参数定义如果执行指令时出错，则返回值中会包含一个错误代码。

图10 “DPRD_DAT”和“DPWR_DAT”指令设置编程

2.2.3 UDP 通信

UDP 是面向非连接的协议，在2 个节点之间进行相关数据域传输，它不与通信伙伴建立传输连接，而是直接把数据包发送过去。它适用于快速简单数据传输的通信协议，会对接收到的数据段进行重新排序等优点，因此在项目中主控PLC 和MES 之间通信采用UDP 方式进行，如图11 所示。

图11 主控PLC 和MES 之间通信

在主控PLC 侧通过集成的精简指令“TSEND_C”和“TRCV_C”来实现连接关系的建立、终止以及数据的发送、接收。先在S7-1500 CPU 的组态中为集成PN 口分配IP 地址和子网掩码，在循环程序中调用功能块“TSEND_C”编写集成发送程序，为其分配背景数据块，该块在REQ 上升沿时触发数据发送，如图12 所示。

图12 调用“TSEND_C”管理连接并发送数据

其接口参数可通过组态进行配置，选中“TSEND_C”块，在属性组态菜单的块参数中，按功能块“TSEND_C”的定义分别为CONNECT、DATA、DONE、BUSY、ERROR、STATUS 组态连接参数。

同样调用功能块“TRCV_C”编写集成接收程序，接收MES数据并判断是否是想要的，如图13 所示。

图13 调用“TRCV_C”管理连接并接收数据

2.3 S7-GRAPH 编程

相对于西门子PLC 的LAD、FBD 和STL 高级编程语言，S7-GRAPH 与其有着非常相近的特性，为满足制造业要求而设计，针对顺序控制程序作了相应优化处理，以图形方式把流程细分为步和转换条件，步包含动作，转换条件检验步的激活条件，更适用于车间流水线的顺序控制程序。博图软件已经集成了GRAPH 的软件包及授权，安装即可使用。项目中的每个自动逻辑程序都是使用S7-GRAPH 编写的FB 块，如图14 所示。

图14 自动逻辑GRAPH 编程

3 结束语

西门子新一代高性能模块化控制器S7-1500，处理速度更快、联网能力更强、诊断能力和安全性更高，100%满足了汽车行业的应用需要。全集成自动化Portal V15 编程软件，整合了STEP7、WinCC、StartDrive 等，提高了兼容性，借助该软件平台，极大地缩短了工程师的故障诊断和调试时间。