Profinet 網絡通信產品在高速沖壓線的應用

涂 平

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北武漢 430200）

0 引言

目前，連續沖壓線設備廣泛應用于汽車制造和零部件加工等領域，激烈的市場競爭對作為汽車四大工藝之一的沖壓工藝的生產效率提出新的要求，高速、高效的高速沖壓線已經成為沖壓裝備發展的主流。

1 項目簡介

1.1 背景

上汽通用汽車有限公司武漢分公司沖壓車間于2012 年10 月開工建設，2015 年1 月正式投產，二期于2015 年1 月開始建設，2017 年1 月投產，沖壓車間包括4 條機械高速沖壓線、1 條伺服沖壓線、2 條落料線及1 條廢料線。項目建成后主要承擔上汽通用汽車武漢基地整車沖壓的生產，包括側圍外板、翼子板、門內外板、前蓋內外板、后蓋內外板、儀表板、地板、側圍內板、提升門內外板、車頂板等共24 種零件。目前落料線規劃產能1400 萬沖次，沖壓線規劃年產能1250 萬沖次。

1.2 沖壓簡要工藝

沖壓工藝通過專業的沖壓設備，使金屬板料在模具中運動變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的零件的加工過程。高速沖壓線主要由拆垛單元、清洗機、壓機、自動化（機械手或機器人）系統、收料單元等構成，通過4～5 臺壓機完成零件所需要的拉伸、翻邊、沖孔、整形等四序工藝，將一塊鋼板沖成所需的模樣，在通過AGC（Automated Guided Car，自動導引運輸車）系統輸送到車身裝配成白車身。沖壓生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 沖壓生產工藝流程

2 控制系統構成

沖壓車間包括5 條沖壓線、2 條落料線、1 條廢料線等設備，每一條生產線又包括四序壓機和壓機間板料傳輸自動化系統，而每臺壓機由1 臺Step7-300 CPU 控制，外加1 臺拉伸墊控制Step7-300 CPU 和Line Master（整線總控） Step7-300 CPU 對整個沖壓工藝流程實現步序和邏輯控制。控制上需要4 臺壓機以壓機1 為主軸，通過間隔一定的相位角實現同步運動，自動化系統利用相位角之間的時間間隔實現板料在壓機間的傳輸從而實現壓機線的整線連續控制。這就要求通信具有很強的時效、準確且抗干擾。Profinet 兼具Profibus 與etherNet 的優點，由于Profinet 是基于以太網的，所以在網絡結構上可以多種類型，且能與多種控制系統兼容，具有實時性高、準備率高等優點，因為沖壓整線控制采用Profinet 作為通信網絡工具。

2.1 整個項目中的硬件配置、系統結構（圖2）

單條高速沖壓線包含西門子、倍福、Pilz、MAC8 等多種PLC（Program Logic Controller 可編程邏輯控制器），以及S150 系列變頻器、Simotion-D445 同步控制器、力士樂驅動、SEW 等多種變頻器，整個控制網絡由Profinet、實時以太網、TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸互聯協議/因特網互聯協議）等多種通信協議組成，Profinet 網絡實現現場IO（輸入/輸出模塊）與壓機CPU 之間的通信、壓機與壓機之間的通信以及整線與自動化控制系統的通信，通過Profibus-DP，實現西門子與Pilz 之間的數據交互。

整套壓機系統選用SIEMENS 公司 S7-300 PN/DP-2 的CPU 作為各壓機子系統的主控單元、使用ET200S 對遠程IO 進行信號采集及反饋。拆垛單元和自動化總控單元作為從站和壓機LINE MASTER（整線總控CPU）進行通信。液壓墊沒有PN 接口通過Profibus-DP 與壓機進行通信。現場放置HMI，通過以太網與CPU 通信。

圖2 沖壓整線網絡拓撲

圖3 單臺壓機網絡拓撲1

圖4 單臺壓機網絡拓撲2

LINE MASTER（整線總控CPU）是整個網絡的核心，主要用于各壓機控制單元間的網絡通信和自動化控制系統的網絡通信和數據交互，對實時性、穩定性、抗干擾能力及通信帶寬都有很高的要求，采用SIEMENS 的SCALANCE 系列交換機組建樹形網絡，以保證網絡暢通。每個工藝壓機按照控制系統的控制范圍和控制功能，采用工業以太網交換機為各控制系統構建星形控制子網絡，以提供各控制段主控器件和IO 站點間的網絡通信。各壓機可通過交換機作為分站接入LM。遠程分布式IO 采用SCALANCE 系列交換機進行鏈接，單臺壓機拓撲結構如圖3 和圖4 所示。

壓機與壓機之間的同步控制是決定沖壓線能否實現高速運行的關鍵因素，如何做到高速、穩定的同步控制是控制系統的關鍵，考慮到設備因素，高速沖壓線是4 臺壓機、每一臺壓機控制一個主電機，電機采用變頻控制，由于工藝不同，所以電機的功率有所區別，因此需要按照設備工藝通過D445運動同步控制器和CPU 根據運行的每分鐘沖次數運算出每臺電機的實際輸出功率，在實際控制中，后3 臺壓機與第一臺壓機存在固定的相位差，他們之間的變化規律要求同步變化。通過PLC 編程運算，使壓機之間的動態變化達到實際運行要求，如果采用變頻器端子控制，中間環節較多對控制精度的影響較大，因此，選用Profinet網絡通信方式來實現壓機與S150的通信控制。

圖5 診斷畫面

CPU 和CPU之間的通信采用西門子功能塊SFC14 和 SFC15實現實時數據交互。CPU 和上位機之間的通信數據主要是設備運行狀態監控、生產工單的下發、生產數據的采集等，其特點是數據量大，但實時性要求不高，所以采用TCP/IP 通信協議，通過TIA 軟件進行顯示控制。

2.2 故障診斷

Profinet 工控網絡雖具有較高的穩定性，但故障不可避免，為了減少故障或快速處理縮短故障時間，故障診斷功能必不可少。通過SIMATIC 的TIA 工控軟件和Step7 的SFC51 功能塊，可以實現整線網絡狀態的監控和診斷。觸摸屏軟件通過與Step7 的數據交互，可以從Step7 獲取相關的站點實時狀態信息，通過配置SFC51，在觸摸屏上實時顯示當前網絡狀態。實現故障的快速診斷和處理。診斷畫面如圖5 所示，功能塊程序如圖6 所示。

圖6 功能塊程序

3 結束語

武漢通用高速沖壓線的順利投產，引起國內業界的高度關注。鑒于其的成功，隨后長安福特、吉利、一汽大眾相繼采用Profinet 通信產品作為主通信協議。在項目實際使用過程基于Profinet 的控制網絡具有網絡結構方式多樣、兼容性高等優點，運行穩定、維護方便使其大受歡迎。高速沖壓線自投入使用以來，已歷經三年多的時間，其運行穩定可靠，維護簡單方便，為提高整線生產速率，滿足整車制造要求打下堅實的基礎。