一、項(xiàng)目背景

1. 生產(chǎn)線概況

某德系合資車企新建 MEB 電池殼體高速焊裝線，節(jié)拍52s/件，兼容4款電池包柔性生產(chǎn)。

2. 控制層現(xiàn)狀

· 主線控制器：西門子SIMATIC S7-1518F PN/DP，自帶PROFINET IRT接口，負(fù)責(zé)21套分布式 I/O、視覺及安全系統(tǒng)

· 新增設(shè)備：歐姆龍G5系列1.5 kW直線伺服(型號(hào) R88L-EC-FW-1115-ANPC + R88D-KN15F-ECT-L)共 8 軸，用于焊槍浮動(dòng)機(jī)構(gòu)與激光焊頭微進(jìn)給，驅(qū)動(dòng)器僅支持EtherCAT協(xié)議

3. 痛點(diǎn)

兩種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議幀格式、時(shí)鐘機(jī)制、從站描述方式完全不同，PLC 無法直接管理 EtherCAT 軸;若更換主站或增加 EtherCAT PLC，會(huì)造成硬件重復(fù)投資、時(shí)鐘主矛盾與項(xiàng)目延期

二、方案選型

經(jīng)綜合比對(duì)，最終采用“遠(yuǎn)創(chuàng)智控”生產(chǎn)的 YC-ECTM-PN 工業(yè)級(jí)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

· 網(wǎng)關(guān)功能：PROFINET IRT從站?EtherCAT主站，單設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)雙協(xié)議棧

· 性能指標(biāo)：≤1ms周期抖動(dòng);支持DC分布式時(shí)鐘;最大1440 Byte IN/1440 Byte OUT;工作溫度 -40 ~ 85 ℃，滿足焊裝車間強(qiáng)電磁、高粉塵環(huán)境

· 認(rèn)證：CE、UL、PROFINET v2.4、EtherCAT Conformance Test 認(rèn)證，可直接導(dǎo)入西門子 TIA Portal GSDML 與歐姆龍 ESI

三、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c硬件連接

1. 拓?fù)?/p>

S7-1518F←→(PROFINET IRT 環(huán)網(wǎng))←→ YC-ECTM-PN 議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)←→(EtherCAT 線型拓?fù)?←→ 8×R88D-KN15F-ECT-L

2. 接口與線纜

· PROFINET側(cè)：網(wǎng)關(guān) Port1 接入西門子SCALANCE XC208工業(yè)交換機(jī)，Port2閉環(huán)回主站，CAT5e 屏蔽雙絞線，M12-D 編碼

· EtherCAT側(cè)：網(wǎng)關(guān)內(nèi)置 100 Ω 終端電阻，RJ45 級(jí)聯(lián)伺服;末端驅(qū)動(dòng)器啟用 Terminator

3. 供電

24 VDC/200 mA，取自同一冗余電源(Phoenix QUINT 20A)，與 PLC 共地，抑制地環(huán)流

四、軟件組態(tài)流程(關(guān)鍵步驟)

A. TIA Portal 側(cè)

1. 導(dǎo)入GSDML文件“JM_ECTM_PN_V2.3.xml”，拖拽至設(shè)備視圖，分配設(shè)備名“Gateway_ECTM”

2. 設(shè)置IRT周期2 ms，Input 120 Byte、Output 120 Byte，映射 8 軸控制字、狀態(tài)字、位置、速度、扭矩

3. 在“設(shè)備診斷”中勾選“同步域”，確保 PLC 作為 PROFINET 時(shí)鐘主，網(wǎng)關(guān)作為同步從站

B. EtherCAT 側(cè)

1. 打開 ECSP 配置工具(隨網(wǎng)關(guān)提供)，掃描自動(dòng)識(shí)別 8 臺(tái) R88D-KN15F-ECT-L

2. 設(shè)置循環(huán)周期 1 ms，DC 模式 125 μs 抖動(dòng)窗口;PDO 映射選用 CSP(循環(huán)同步位置)模式，每軸 4×32 bit 目標(biāo)位置/速度/扭矩/附加指令

3. 啟用“分布時(shí)鐘輸出補(bǔ)償”，讓伺服插補(bǔ)脈沖與 PROFINET 時(shí)鐘同步，減少位置超調(diào)

4. 一鍵下載配置至網(wǎng)關(guān)并保存為 .xml，重啟后進(jìn)入 OP 狀態(tài)

C. 數(shù)據(jù)映射表(節(jié)選)

PLC → 網(wǎng)關(guān)：

Byte 0~1 Axis1 Control Word

Byte 4~7 Axis1 Target Position (INT32)

...

Byte 60~63 Axis8 Target Torque (INT16)

網(wǎng)關(guān) → PLC：

Byte 0~1 Axis1 Status Word

Byte 4~7 Axis1 Actual Position (INT32)

...

Byte 60~63 Axis8 Actual Current (INT16)

五、調(diào)試與優(yōu)化

1. 時(shí)鐘同步測試

使用 Wireshark 抓取 PROFINET & EtherCAT 同一鏡像端口，觀察 DC 時(shí)間戳差值 < 50 ns，滿足激光焊 ≤ 0.1 mm 軌跡精度要求

2. 伺服整定

在歐姆龍 Sysmac Studio 中導(dǎo)入直線電機(jī)參數(shù)，自動(dòng)推算負(fù)載慣量比 0.8，位置環(huán)增益 Kp 80 (1/s)，前饋 60 %;通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)讀取實(shí)際扭矩，峰值限制在額定 300 %，避免電池殼體壓傷

3. 故障冗余

開啟網(wǎng)關(guān)“快速站釋放”功能，任意一軸驅(qū)動(dòng)器掉線，PLC 在 4 ms 內(nèi)收到診斷報(bào)警，立即啟動(dòng)回退程序，防止焊槍撞件

4. 產(chǎn)能驗(yàn)證

連續(xù)空跑 2 h，節(jié)拍穩(wěn)定在 50.8 s;帶載 8 h，焊縫一次合格率由 97.2 % 提升至 99.6 %，節(jié)拍損失 0.3 s，完全滿足 52 s 目標(biāo)

六、實(shí)施效果

· 工程周期短：從到貨、布線、組態(tài)到試生產(chǎn)僅 3 天，比原計(jì)劃“新增 EtherCAT PLC”方案提前 12 天

· 柔性擴(kuò)展：網(wǎng)關(guān)支持最多 16 個(gè)槽位，后續(xù)新增視覺或擰緊軸無需再購協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，僅需在 ECSP 中掃描下載即可

· 運(yùn)維簡化：通過 TIA Portal 統(tǒng)一診斷，網(wǎng)關(guān)自帶 Web 監(jiān)控，可遠(yuǎn)程查看 EtherCAT 拓?fù)?、PDO 在線值，平均故障定位時(shí)間由 30 min 縮短至 5 min

七、總結(jié)

借助遠(yuǎn)創(chuàng)智控YC-ECTM-PN協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，該焊裝線在不改變?cè)?PROFINET 架構(gòu)的前提下，快速、低成本地接入高性能 EtherCAT 直線伺服，充分發(fā)揮了西門子PLC的綜合調(diào)度能力與歐姆龍 G5 系列伺服的納米級(jí)軌跡跟蹤優(yōu)勢(shì)，為整車廠柔性制造與后續(xù)數(shù)字孿生升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該模式已復(fù)制到企業(yè)另兩條電池殼體線，并計(jì)劃推廣至車門激光焊、高速?zèng)_鉚等更多混合協(xié)議場景。