王俊青

麥格納動力總成（江西）有限公司 江西南昌 330013

關(guān)鍵字：工業(yè)以太網(wǎng)；PROFINET通信協(xié)議；硬件組態(tài)；通信組態(tài)

1 序言

傳統(tǒng)意義上的機(jī)械加工都是單臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行切削生產(chǎn)，但隨著機(jī)械加工零件的復(fù)雜化，往往需要幾臺數(shù)控機(jī)床按工序規(guī)劃進(jìn)行先后加工。如果每道工序的數(shù)控機(jī)床都是獨(dú)立運(yùn)行，這無形中必定會產(chǎn)生過程之間的轉(zhuǎn)運(yùn)成本，且存在人工上下料效率低等問題。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)體系轉(zhuǎn)型下的網(wǎng)絡(luò)自動化控制技術(shù)在機(jī)械加工中已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用，先進(jìn)的機(jī)械制造工廠都會采用數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)集中控制加工和自動化轉(zhuǎn)運(yùn)。自動化大批量生產(chǎn)效率高、成本低，是企業(yè)競爭的制勝法寶。我公司作為先進(jìn)的雙離合變速器生產(chǎn)單位，對于復(fù)雜的零部件也會采用各個工序聯(lián)網(wǎng)控制進(jìn)行自動化連線生產(chǎn)。

2 產(chǎn)品生產(chǎn)背景

雙離合變速器殼體三維模型如圖1所示，變速器殼體由鋁合金鑄造而成。為了與變速器內(nèi)組裝的齒輪和齒輪軸零件進(jìn)行精密配合，并且保證各結(jié)合面精度和密封性要求，需要使用德國進(jìn)口的加工中心進(jìn)行高精度加工，按照工序流程劃分為3組。

圖1 雙離合變速器殼體三維模型

1）前期準(zhǔn)備工序：毛坯來料，二維打碼。

2）加工過程工序：二維碼的自動識別；機(jī)械手抓料；加工中心對雙離合變速器殼體的大小結(jié)合面進(jìn)行鏜銑，共計(jì)271處需加工；加工中心對雙離合變速器殼體側(cè)面孔進(jìn)行鏜銑，共計(jì)163處需加工，

3）下線工序：清洗，氣密檢測。

經(jīng)過工藝規(guī)劃和節(jié)拍最優(yōu)計(jì)算，需要劃分10道工序，每道工序使用1臺加工中心進(jìn)行生產(chǎn)，加上1個桁架機(jī)械手，可以達(dá)成年產(chǎn)能近25萬個變速器殼體的規(guī)劃。自動化生產(chǎn)線可全部實(shí)現(xiàn)自動化上線和下線，并實(shí)現(xiàn)零件自動裝夾和加工。

硬件規(guī)劃為線性布局，如圖2所示。雙離合變速器殼體根據(jù)工藝制作規(guī)劃需要10道工序，即10臺加工中心，并會采用橫跨加工中心的抓取和轉(zhuǎn)運(yùn)桁架機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)自動加工。確定設(shè)備硬件設(shè)計(jì)后，本文將著重從技術(shù)層面詳細(xì)闡述雙離合變速器殼體的自動化加工通信控制的實(shí)現(xiàn)。

圖2 線性布局

3 加工中心設(shè)備網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

由于加工中心本體采用的是西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，其數(shù)控系統(tǒng)控制單元NCU720.3內(nèi)核集成了西門子S7-300的PLC，通信接口包含有PFOFIBUS、PROFINET、以太網(wǎng)，其中PROFINET屬于工業(yè)級通信并且在數(shù)控機(jī)床中具有擴(kuò)展性，所以我們將采用PROFINET進(jìn)行加工中心和機(jī)械手間的連線通信協(xié)議。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)定義OSI七層模型：第1層為物理層，第2層為數(shù)據(jù)鏈路層，第3層為網(wǎng)絡(luò)層，第4層為傳輸層，第5層為會話層，第6層為表示層，第7層為應(yīng)用層，工業(yè)控制運(yùn)用基本上只會用到前4層的通信層級。其中加工中心集成的PROFINET協(xié)議分為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信和實(shí)時數(shù)據(jù)通信，當(dāng)PROFINET需傳遞實(shí)時數(shù)據(jù)時，將越過第4層傳輸層、第3層網(wǎng)絡(luò)層去直接連線第2層數(shù)據(jù)層、第1層物理層底的底層網(wǎng)絡(luò)層級，采用這樣的方式可大大節(jié)省層級間加載、打包產(chǎn)生的時間。由于實(shí)現(xiàn)加工中心線體自動化控制涉及到的功能是建立用戶數(shù)據(jù)并進(jìn)行交互通信以及各站點(diǎn)診斷數(shù)據(jù)的傳輸，時效性上無需到達(dá)實(shí)時層級，所以最終采用PROFINET標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信方式來建立整個線體的通信關(guān)系。圖3可直觀展示出PROFINET傳輸過程關(guān)系。

圖3 PROFINET傳輸過程

4 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施和解析

通過分析實(shí)際情況，考慮到工廠使用到的德國加工中心硬件接口情況，其控制單元采用西門子數(shù)控產(chǎn)品，并且為了保證來自不同供應(yīng)商的智能現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，決定采用SIMATIC iMap這種兼容性強(qiáng)的通信協(xié)議去實(shí)現(xiàn)各個加工中心與機(jī)械手的連線以及集中控制。SIMATIC iMap也是由西門子開發(fā)且基于PROFINET的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，通過交換機(jī)將10臺加工中心的數(shù)控控制單元NCU720.3和機(jī)械手的數(shù)控控制單元NCU720.3雙方的網(wǎng)絡(luò)接口X150進(jìn)行連接，單臺加工中心采用西門子專業(yè)軟件STEP7完成硬件組態(tài)，如圖4所示。

圖4 加工中心硬件組態(tài)

為了實(shí)現(xiàn)連線的加工中心的互相通信，必須在單機(jī)組態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行以下配置：機(jī)械手的NCU720.3和面板可以作為連線的程序調(diào)度中心和人機(jī)交互的窗口，為此用STEP7打開機(jī)械的硬件組態(tài)，先對其X150接口進(jìn)行配置和設(shè)置，再對X150接口對應(yīng)的PROFINET在對象屬性中分配命名為“GM4724-01-60”，并激活其CBA通信需求（見圖5），這樣就開通了其PROFINET通信對應(yīng)的iMap功能。激活通信后最重要的是定義與機(jī)床間對應(yīng)的地址變量。根據(jù)機(jī)床已有的變量使用情況，可以將空余的背景數(shù)據(jù)塊DB221、DB222、DB223分別作為其他加工中心的信息輸入、信息輸出、異常報警輸入的接口地址。信息交互模塊設(shè)置如圖6所示，依次對DB221、DB222、DB223在分配PN塊的對話框上打鉤，選擇激活和PROFINET屬性兩個選項(xiàng)。定義完成后進(jìn)行確認(rèn)并編譯保存，則機(jī)械手上的接口設(shè)置和對應(yīng)變量都已完成。為了實(shí)現(xiàn)在SIMATIC iMap軟件上進(jìn)行機(jī)械手和加工中心各設(shè)置接口的對接，需在STEP7軟件中的硬件SIN-GM4724_01_60文件上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵進(jìn)入創(chuàng)建PROFINET單元的頁面中，產(chǎn)生一個iMap軟件可以識別的cbp文件（見圖7）。機(jī)械手設(shè)備文件生成后將按照上述方法在10個加工中心進(jìn)行配置和定義，并產(chǎn)生10個cbp文件。

圖5 激活CBA通信需求

圖6 信息交互模塊設(shè)置示意

圖7 cbp文件設(shè)置示意

接下來的步驟是將設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)通信。本文運(yùn)用SIMATIC iMap軟件實(shí)現(xiàn)各機(jī)床間的PROFINET通信，該軟件是西門子公司推出的一款基于PROFINET標(biāo)準(zhǔn)下的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件工具，常用在分布式自動化解決方案上，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模板之間和生產(chǎn)線機(jī)器之間的圖形化通信組態(tài)，其特點(diǎn)是簡單化、開放性好且兼容性強(qiáng)，可對來自不同供應(yīng)商的PROFINET設(shè)備進(jìn)行通信組態(tài)。首先，啟動SIMATIC iMap軟件將10個工序的加工中心和機(jī)械手設(shè)備的cbp文件導(dǎo)入，導(dǎo)入過程如圖8所示。成功完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，則需進(jìn)行通信組態(tài)，將之前STEP7中定義的輸入和輸出地址進(jìn)行一一對應(yīng)的通信連接，在軟件中設(shè)置匹配后對接地址將會產(chǎn)生同一通信編號，通信組態(tài)架構(gòu)如圖9所示。

圖8 cbp文件導(dǎo)入示意

圖9 通信組態(tài)架構(gòu)示意

通信連接根據(jù)規(guī)劃按照以下原則進(jìn)行設(shè)定：SIN-GM4724_01_60機(jī)械手設(shè)備定義的DB222輸出地址與10臺加工中心的DB221的輸入地址一一對應(yīng)；10臺加工中心的DB222的輸出地址與SING M4724_01_60機(jī)械手設(shè)備D B221的輸入地址一一對應(yīng)；10臺加工中心的DB223診斷輸出地址則需一一對應(yīng)SIN-GM4724_01_60機(jī)械手設(shè)備的DB223診斷輸入地址。另外需要注意，10臺加工中心已經(jīng)在STEP7中定義了設(shè)備名稱，是從SINGM4724_01_01到SIN-GM4724_01_10，由cbp文件導(dǎo)入SIMATIC iMap軟件后默認(rèn)顯示STEP7中設(shè)置的設(shè)備名稱。對應(yīng)的設(shè)備地址都建立聯(lián)系后，就完成了通信設(shè)置。將STEP7配置的硬件組態(tài)和SIMATIC iMap軟件的通信組態(tài)都進(jìn)行編譯后，需通過以太網(wǎng)接口從編程電腦逐一下載到設(shè)備中，這樣10臺加工中心和機(jī)械手設(shè)備都真正建立了通信，可以在設(shè)備間輸入和輸出信息進(jìn)行交互。

機(jī)械手設(shè)備和10臺加工中心連線后，按照之前的設(shè)計(jì)規(guī)劃，選擇機(jī)械手的操作面板作為人機(jī)交互操作界面。在面板上的機(jī)型選擇界面，信息存儲地址在PLC中定義為DB99數(shù)據(jù)塊，按照通信組態(tài)的規(guī)定，設(shè)備中的DB222數(shù)據(jù)塊是輸出地址，簡單來說也就是面板上人機(jī)交互信息存儲到DB99數(shù)據(jù)塊之后，只要在PLC程序中將這些信息通過賦值邏輯給到DB222數(shù)據(jù)塊，這些信息就會通過之前建立的iMap網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€加工中心?，F(xiàn)場實(shí)際情況中信息交互如圖10所示，紅框圈出的數(shù)字就是機(jī)型對應(yīng)的編碼，存儲在DB99.DBX0.0首地址數(shù)據(jù)塊中，通過PLC中MOVE傳輸指令將機(jī)型編碼全部移到DB222地址塊中，10臺加工中心就會在本機(jī)的DB221輸入數(shù)據(jù)塊中獲得人機(jī)界面所選擇的機(jī)型編號并自動調(diào)用對應(yīng)的加工程序，而不需要再手動切換。圖10中最右側(cè)的面板實(shí)際就是切換成功的反饋信息。同理，其他的邏輯都可以利用每個設(shè)備的DB221、DB222、DB223這3個數(shù)據(jù)塊間的傳輸網(wǎng)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的自動化控制。

圖10 信息交互示意

5 設(shè)備抓取和加工調(diào)試

經(jīng)過以上網(wǎng)絡(luò)配置，桁架機(jī)械手與10臺加工中心建立了信息通信，下一步就進(jìn)入調(diào)試階段，主要分為機(jī)械位置調(diào)試和加工程序調(diào)試。對于自動抓取的調(diào)試，首先需要將機(jī)械手在變速器殼體的抓取位置調(diào)節(jié)到合適的機(jī)械抓取點(diǎn)，然后將此時的屏幕顯示的X、Y軸坐標(biāo)值寫入到自動抓取程序?qū)?yīng)的X、Y軸軌跡變量中。以此類推，逐一校準(zhǔn)10個加工中心的放置位置并記錄到程序的X、Y軸的軌跡變量中，即可完成位置校準(zhǔn)。

對于加工程序的調(diào)試，每臺加工中心都新建變速器的加工子程序，其名稱可以定義為process后面加數(shù)字的形式，這樣可以采用后接的數(shù)字來代表不同產(chǎn)品機(jī)型，例如用4表示SEM機(jī)型。在加工中心主程序上統(tǒng)一調(diào)用新建的加工子程序，調(diào)用指令中將子程序名字定義為process后加變量NO.的形式，以便通過NO.變量的數(shù)字變化實(shí)現(xiàn)程序自動調(diào)用不同機(jī)型加工程序的目的。以選擇4號機(jī)型TYP 4 SEM為例，選擇界面如圖11所示。通過機(jī)械手中的DB信息塊將機(jī)型TYP 4編譯成代碼4傳輸?shù)矫颗_加工中心設(shè)備上，加工中心的數(shù)據(jù)DB信息塊接收到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕Y(jié)果后，可將DB信息塊中數(shù)字結(jié)果賦值到程序變量NO.中，加工主程序中process后加變量NO.調(diào)用指令就可識別出調(diào)用子程序結(jié)果，從而可以自動調(diào)用對應(yīng)的機(jī)型加工子程序，進(jìn)行切削加工。經(jīng)過關(guān)鍵的機(jī)械位置和加工程序的調(diào)試后，加工中心線體滿足自動加工的條件。

圖11 選擇界面

6 結(jié)束語

經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈恢煤统绦蛘{(diào)試，加工中心自動化線體進(jìn)行了批量生產(chǎn)，并圓滿交付使用，車間符合預(yù)期要求。本自動化案例采用的PROFINET是目前工業(yè)以太網(wǎng)控制中較流行的一種通信協(xié)議，并結(jié)合了SIMATIC iMap軟件在單機(jī)硬件組態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行通信組態(tài)的方式。選用iMap軟件是因?yàn)槠洳僮骱唵危幊探M態(tài)相對獨(dú)立，通過相關(guān)協(xié)議和特有軟件的結(jié)合，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的控制通信，總體來講運(yùn)行時相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)然以太網(wǎng)還有很多通信方法可以作為設(shè)備間的自動化解決方案，如OPC、Modbus TCP等，在智能制造飛速發(fā)展的今天，將會有更多應(yīng)用案例，希望本文對大家今后的工作有所幫助和借鑒。