工业协议转换网关实现西门子S7-1500与欧姆龙G5直线伺服通讯案例解析

一、项目背景

1. 生产线概况

某德系合资车企新建 MEB 电池壳体高速焊装线，节拍52s/件，兼容4款电池包柔性生产。

2. 控制层现状

· 主线控制器：西门子SIMATIC S7-1518F PN/DP，自带PROFINET IRT接口，负责21套分布式 I/O、视觉及安全系统

· 新增设备：欧姆龙G5系列1.5 kW直线伺服(型号 R88L-EC-FW-1115-ANPC + R88D-KN15F-ECT-L)共 8 轴，用于焊枪浮动机构与激光焊头微进给，驱动器仅支持EtherCAT协议

3. 痛点

两种实时以太网协议帧格式、时钟机制、从站描述方式完全不同，PLC 无法直接管理 EtherCAT 轴;若更换主站或增加 EtherCAT PLC，会造成硬件重复投资、时钟主矛盾与项目延期

二、方案选型

经综合比对，最终采用“远创智控”生产的 YC-ECTM-PN 工业级协议转换网关。

· 网关功能：PROFINET IRT从站↔EtherCAT主站，单设备即可实现双协议栈

· 性能指标：≤1ms周期抖动;支持DC分布式时钟;最大1440 Byte IN/1440 Byte OUT;工作温度 -40 ~ 85 ℃，满足焊装车间强电磁、高粉尘环境

· 认证：CE、UL、PROFINET v2.4、EtherCAT Conformance Test 认证，可直接导入西门子 TIA Portal GSDML 与欧姆龙 ESI

三、网络拓扑与硬件连接

1. 拓扑

S7-1518F←→(PROFINET IRT 环网)←→ YC-ECTM-PN 议转换网关←→(EtherCAT 线型拓扑)←→ 8×R88D-KN15F-ECT-L

2. 接口与线缆

· PROFINET侧：网关 Port1 接入西门子SCALANCE XC208工业交换机，Port2闭环回主站，CAT5e 屏蔽双绞线，M12-D 编码

· EtherCAT侧：网关内置 100 Ω 终端电阻，RJ45 级联伺服;末端驱动器启用 Terminator

3. 供电

24 VDC/200 mA，取自同一冗余电源(Phoenix QUINT 20A)，与 PLC 共地，抑制地环流

四、软件组态流程(关键步骤)

A. TIA Portal 侧

1. 导入GSDML文件“JM_ECTM_PN_V2.3.xml”，拖拽至设备视图，分配设备名“Gateway_ECTM”

2. 设置IRT周期2 ms，Input 120 Byte、Output 120 Byte，映射 8 轴控制字、状态字、位置、速度、扭矩

3. 在“设备诊断”中勾选“同步域”，确保 PLC 作为 PROFINET 时钟主，网关作为同步从站

B. EtherCAT 侧

1. 打开 ECSP 配置工具(随网关提供)，扫描自动识别 8 台 R88D-KN15F-ECT-L

2. 设置循环周期 1 ms，DC 模式 125 μs 抖动窗口;PDO 映射选用 CSP(循环同步位置)模式，每轴 4×32 bit 目标位置/速度/扭矩/附加指令

3. 启用“分布时钟输出补偿”，让伺服插补脉冲与 PROFINET 时钟同步，减少位置超调

4. 一键下载配置至网关并保存为 .xml，重启后进入 OP 状态

C. 数据映射表(节选)

PLC → 网关：

Byte 0~1 Axis1 Control Word

Byte 4~7 Axis1 Target Position (INT32)

...

Byte 60~63 Axis8 Target Torque (INT16)

网关 → PLC：

Byte 0~1 Axis1 Status Word

Byte 4~7 Axis1 Actual Position (INT32)

...

Byte 60~63 Axis8 Actual Current (INT16)

五、调试与优化

1. 时钟同步测试

使用 Wireshark 抓取 PROFINET & EtherCAT 同一镜像端口，观察 DC 时间戳差值 < 50 ns，满足激光焊 ≤ 0.1 mm 轨迹精度要求

2. 伺服整定

在欧姆龙 Sysmac Studio 中导入直线电机参数，自动推算负载惯量比 0.8，位置环增益 Kp 80 (1/s)，前馈 60 %;通过网关实时读取实际扭矩，峰值限制在额定 300 %，避免电池壳体压伤

3. 故障冗余

开启网关“快速站释放”功能，任意一轴驱动器掉线，PLC 在 4 ms 内收到诊断报警，立即启动回退程序，防止焊枪撞件

4. 产能验证

连续空跑 2 h，节拍稳定在 50.8 s;带载 8 h，焊缝一次合格率由 97.2 % 提升至 99.6 %，节拍损失 0.3 s，完全满足 52 s 目标

六、实施效果

· 工程周期短：从到货、布线、组态到试生产仅 3 天，比原计划“新增 EtherCAT PLC”方案提前 12 天

· 柔性扩展：网关支持最多 16 个槽位，后续新增视觉或拧紧轴无需再购协议转换设备，仅需在 ECSP 中扫描下载即可

· 运维简化：通过 TIA Portal 统一诊断，网关自带 Web 监控，可远程查看 EtherCAT 拓扑、PDO 在线值，平均故障定位时间由 30 min 缩短至 5 min

七、总结

借助远创智控YC-ECTM-PN协议转换网关，该焊装线在不改变原有 PROFINET 架构的前提下，快速、低成本地接入高性能 EtherCAT 直线伺服，充分发挥了西门子PLC的综合调度能力与欧姆龙 G5 系列伺服的纳米级轨迹跟踪优势，为整车厂柔性制造与后续数字孪生升级奠定了坚实基础。该模式已复制到企业另两条电池壳体线，并计划推广至车门激光焊、高速冲铆等更多混合协议场景。