一、計劃背景
1. 生產線概況
某德系合資車企新建 MEB 電池殼體高速焊裝線，節拍52s/件，兼容4款電池包柔性生產。
2. 控制層現狀
· 主線控制器：西門子SIMATIC S7-1518F PN/DP，自帶PROFINET IRT接口，負責21套分佈式 I/O、視覺及安全體系
· 新增設備：歐姆龍G5系列1.5 kW直線伺服（型號 R88L-EC-FW-1115-ANPC + R88D-KN15F-ECT-L）共 8 軸，用於焊槍浮動機構與激光焊頭微進給，驅動器僅支持EtherCAT協議
3. 痛點
兩種實時以太網協議幀格式、時鐘機制、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，會造成硬件重複投資、時鐘主矛盾與項目延期
二、方案選型
經綜合比對，最終採用“遠創智控”生產的 YC-ECTM-PN工業級協議轉換網關。
· 網關功能：PROFINET IRT從站↔EtherCAT主站，單設備即可達成雙協議棧
· 性能指標：≤1ms週期抖動；支撐DC分佈式時鐘；最大1440 Byte IN/1440 Byte OUT；工作温度 -40 ~ 85 ℃，滿足焊裝車間強電磁、高粉塵環境
· 認證：CE、UL、PROFINET v2.4、EtherCAT Conformance Test 認證，可直接導入西門子 TIA Portal GSDML 與歐姆龍 ESI
三、網絡拓撲與硬件連接
1. 拓撲
S7-1518F←→（PROFINET IRT 環網）←→ YC-ECTM-PN議轉換網關←→（EtherCAT 線型拓撲）←→ 8×R88D-KN15F-ECT-L
2. 接口與線纜
· PROFINET側：網關 Port1 接入西門子SCALANCE XC208工業交換機，Port2閉環回主站，CAT5e 屏蔽雙絞線，M12-D 編碼
· EtherCAT側：網關內置 100 Ω 終端電阻，RJ45 級聯伺服；末端驅動器啓用 Terminator
3. 供電
24 VDC/200 mA，取自同一冗餘電源（Phoenix QUINT 20A），與 PLC 共地，抑制地環流
四、軟件組態流程（關鍵步驟）
A. TIA Portal 側
1. 導入GSDML文件“JM_ECTM_PN_V2.3.xml”，拖拽至設備視圖，分配設備名“Gateway_ECTM”
2. 設置IRT週期2 ms，Input 120 Byte、Output 120 Byte，映射 8 軸控制字、狀態字、位置、速度、扭矩
3. 在“設備診斷”中勾選“同步域”，確保 PLC 作為 PROFINET 時鐘主，網關作為同步從站
B. EtherCAT 側
1. 打開 ECSP 配置工具（隨網關提供），掃描自動識別 8 台 R88D-KN15F-ECT-L
2. 設置循環週期 1 ms，DC 模式 125 μs 抖動窗口；PDO 映射選用 CSP（循環同步位置）模式，每軸 4×32 bit 目標位置/速度/扭矩/附加指令
3. 啓用“分佈時鐘輸出補償”，讓伺服插補脈衝與 PROFINET 時鐘同步，減少位置超調
4. 一鍵下載設置至網關並保存為 .xml，重啓後進入 OP 狀態
C. 材料映射表（節選）
PLC → 網關：
Byte 0~1 Axis1 Control Word
Byte 4~7 Axis1 Target Position (INT32)
...
Byte 60~63 Axis8 Target Torque (INT16)
網關 → PLC：
Byte 0~1 Axis1 Status Word
Byte 4~7 Axis1 Actual Position (INT32)
...
Byte 60~63 Axis8 Actual Current (INT16)
五、調試與優化
1. 時鐘同步測試
使用 Wireshark 抓取 PROFINET & EtherCAT 同一鏡像端口，觀察 DC 時間戳差值 < 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 中導入直線電機參數，自動推算負載慣量比 0.8，位置環增益 Kp 80 (1/s)，前饋 60 %；依據網關實時讀取實際扭矩，峯值限制在額定 300 %，避免電池殼體壓傷
3. 故障冗餘
開啓網關“快速站釋放”功能，任意一軸驅動器掉線，PLC 在 4 ms 內收到診斷報警，立即啓動回退應用，防止焊槍撞件
4. 產能驗證
連續空跑 2 h，節拍穩定在 50.8 s；帶載 8 h，焊縫一次合格率由 97.2 % 提升至 99.6 %，節拍損失 0.3 s，完全滿足 52 s 目標
六、實施效果
· 工程週期短：從到貨、佈線、組態到試生產僅 3 天，比原計劃“新增 EtherCAT PLC”方案提前 12 天
· 柔性擴展：網關支持最多 16 個槽位，後續新增視覺或擰緊軸無需再購協議轉換設備，僅需在 ECSP 中掃描下載即可
· 運維簡化：通過 TIA Portal 統一診斷，網關自帶 Web 監控，可遠程查看 EtherCAT 拓撲、PDO 在線值，平均故障定位時間由 30 min 縮短至 5 min
七、總結
藉助遠創智控YC-ECTM-PN協議轉換網關，該焊裝線在不改變原有 PROFINET 架構的前提下，快速、低成本地接入高性能 EtherCAT 直線伺服，充分發揮了西門子PLC的綜合調度能力與歐姆龍 G5 系列伺服的納米級軌跡跟蹤優勢，為整車廠柔性製造與後續數字孿生升級奠定了堅實基礎。該模式已複製到企業另兩條電池殼體線，並計劃推廣至車門激光焊、高速衝鉚等更多混合協議場景。