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(xù)沖壓線設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車制造和零部件加工等領(lǐng)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(chǎn)效率提出新的要求，高速、高效的高速沖壓線已經(jīng)成為沖壓裝備發(fā)展的主流。

1 項(xiàng)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(shè)，2015 年1 月正式投產(chǎn)，二期于2015 年1 月開始建設(shè)，2017 年1 月投產(chǎn)，沖壓車間包括4 條機(jī)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(xiàng)目建成后主要承擔(dān)上汽通用汽車武漢基地整車沖壓的生產(chǎn)，包括側(cè)圍外板、翼子板、門內(nèi)外板、前蓋內(nèi)外板、后蓋內(nèi)外板、儀表板、地板、側(cè)圍內(nèi)板、提升門內(nèi)外板、車頂板等共24 種零件。目前落料線規(guī)劃產(chǎn)能1400 萬沖次，沖壓線規(guī)劃年產(chǎn)能1250 萬沖次。

1.2 沖壓簡要工藝

沖壓工藝通過專業(yè)的沖壓設(shè)備，使金屬板料在模具中運(yùn)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(jī)、壓機(jī)、自動化（機(jī)械手或機(jī)器人）系統(tǒng)、收料單元等構(gòu)成，通過4～5 臺壓機(jī)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(dǎo)引運(yùn)輸車）系統(tǒng)輸送到車身裝配成白車身。沖壓生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 沖壓生產(chǎn)工藝流程

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

沖壓車間包括5 條沖壓線、2 條落料線、1 條廢料線等設(shè)備，每一條生產(chǎn)線又包括四序壓機(jī)和壓機(jī)間板料傳輸自動化系統(tǒng)，而每臺壓機(jī)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(gè)沖壓工藝流程實(shí)現(xiàn)步序和邏輯控制?？刂粕闲枰? 臺壓機(jī)以壓機(jī)1 為主軸，通過間隔一定的相位角實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，自動化系統(tǒng)利用相位角之間的時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)板料在壓機(jī)間的傳輸從而實(shí)現(xiàn)壓機(jī)線的整線連續(xù)控制。這就要求通信具有很強(qiáng)的時(shí)效、準(zhǔn)確且抗干擾。Profinet 兼具Profibus 與etherNet 的優(yōu)點(diǎn)，由于Profinet 是基于以太網(wǎng)的，所以在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可以多種類型，且能與多種控制系統(tǒng)兼容，具有實(shí)時(shí)性高、準(zhǔn)備率高等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)闆_壓整線控制采用Profinet 作為通信網(wǎng)絡(luò)工具。

2.1 整個(gè)項(xiàng)目中的硬件配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（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(qū)動、SEW 等多種變頻器，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)由Profinet、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸互聯(lián)協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）等多種通信協(xié)議組成，Profinet 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場IO（輸入/輸出模塊）與壓機(jī)CPU 之間的通信、壓機(jī)與壓機(jī)之間的通信以及整線與自動化控制系統(tǒng)的通信，通過Profibus-DP，實(shí)現(xiàn)西門子與Pilz 之間的數(shù)據(jù)交互。

整套壓機(jī)系統(tǒng)選用SIEMENS 公司 S7-300 PN/DP-2 的CPU 作為各壓機(jī)子系統(tǒng)的主控單元、使用ET200S 對遠(yuǎn)程IO 進(jìn)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(jī)LINE MASTER（整線總控CPU）進(jìn)行通信。液壓墊沒有PN 接口通過Profibus-DP 與壓機(jī)進(jìn)行通信?，F(xiàn)場放置HMI，通過以太網(wǎng)與CPU 通信。

圖2 沖壓整線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖3 單臺壓機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

圖4 單臺壓機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

LINE MASTER（整線總控CPU）是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要用于各壓機(jī)控制單元間的網(wǎng)絡(luò)通信和自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交互，對實(shí)時(shí)性、穩(wěn)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(jī)組建樹形網(wǎng)絡(luò)，以保證網(wǎng)絡(luò)暢通。每個(gè)工藝壓機(jī)按照控制系統(tǒng)的控制范圍和控制功能，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)為各控制系統(tǒng)構(gòu)建星形控制子網(wǎng)絡(luò)，以提供各控制段主控器件和IO 站點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)通信。各壓機(jī)可通過交換機(jī)作為分站接入LM。遠(yuǎn)程分布式IO 采用SCALANCE 系列交換機(jī)進(jìn)行鏈接，單臺壓機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 和圖4 所示。

壓機(jī)與壓機(jī)之間的同步控制是決定沖壓線能否實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行的關(guān)鍵因素，如何做到高速、穩(wěn)定的同步控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，考慮到設(shè)備因素，高速沖壓線是4 臺壓機(jī)、每一臺壓機(jī)控制一個(gè)主電機(jī)，電機(jī)采用變頻控制，由于工藝不同，所以電機(jī)的功率有所區(qū)別，因此需要按照設(shè)備工藝通過D445運(yùn)動同步控制器和CPU 根據(jù)運(yùn)行的每分鐘沖次數(shù)運(yùn)算出每臺電機(jī)的實(shí)際輸出功率，在實(shí)際控制中，后3 臺壓機(jī)與第一臺壓機(jī)存在固定的相位差，他們之間的變化規(guī)律要求同步變化。通過PLC 編程運(yùn)算，使壓機(jī)之間的動態(tài)變化達(dá)到實(shí)際運(yùn)行要求，如果采用變頻器端子控制，中間環(huán)節(jié)較多對控制精度的影響較大，因此，選用Profinet網(wǎng)絡(luò)通信方式來實(shí)現(xiàn)壓機(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。CPU 和上位機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)主要是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)工單的下發(fā)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集等，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，但實(shí)時(shí)性要求不高，所以采用TCP/IP 通信協(xié)議，通過TIA 軟件進(jìn)行顯示控制。

2.2 故障診斷

Profinet 工控網(wǎng)絡(luò)雖具有較高的穩(wěn)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(shí)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(shí)現(xiàn)整線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控和診斷。觸摸屏軟件通過與Step7 的數(shù)據(jù)交互，可以從Step7 獲取相關(guān)的站點(diǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，通過配置SFC51，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)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(jié)束語

武漢通用高速沖壓線的順利投產(chǎn)，引起國內(nèi)業(yè)界的高度關(guān)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(chǎn)品作為主通信協(xié)議。在項(xiàng)目實(shí)際使用過程基于Profinet 的控制網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方式多樣、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便使其大受歡迎。高速沖壓線自投入使用以來，已歷經(jīng)三年多的時(shí)間，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡單方便，為提高整線生產(chǎn)速率，滿足整車制造要求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。