基于PLC的汽車裝配擰緊測控系統設計

孫 冰 ，謝利理 ，樊京路

（西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

螺紋聯接由于簡單可靠、拆卸方便，而廣泛應用于汽車、航空等領域的生產裝配中。在汽車行業不斷發展的今天，螺紋聯接的精確性、安全性、穩定性、高效性是汽車裝配中不可輕視的重點，尤其對于汽車主錐螺母擰緊、發動機主軸承蓋螺栓擰緊、發動機氣缸缸蓋螺栓擰緊、發動機連桿螺栓擰緊、底盤變速箱擰緊工位、離合器總成擰緊等部位，在擰緊過程中需要非常高的螺紋裝配要求，所以在汽車裝配中的擰緊工序中需要要設計出一套更完善的汽車擰緊方案，來保證汽車裝配各部件的穩定性和可靠性，提升汽車裝配的生產效率和自動化水平。文中設計一套較完整的汽車裝配擰緊設備測控系統，可以有效的保證汽車擰緊過程中的穩定性和實時性，避免人工操作的不確定性，為汽車裝配提供了一個良好的操作平臺。

1 汽車裝配擰緊系統構成

擰緊設備由擰緊軸和軸控單元組成，擰緊軸由馬達、信號預處理模塊、傳感器模塊、電纜接頭和輸出軸組成，主要完成扭矩的測量和輸出。馬達是擰緊軸的最主要部分，其功率決定了擰緊軸所能達到的最大扭矩。傳感器采用應變片式傳感器，安裝在工具的環形齒輪上，同步測量相對應作用在緊固件上的扭矩。信號預處理模塊主要是對扭矩傳感器輸出的模擬信號進行前置整流、濾波、放大，再通過A/D轉換器變成數字信號，供軸控單元采集處理。

軸控單元是一個智能控制單元，具有控制和驅動功能，用來驅動電機、控制擰緊軸按照要求進行動作，并提供用戶操作界面，以及外部接口和數據存儲傳輸功能。在控制功能中，軸控單元對扭矩信號進行控制，將扭矩傳感器采集后的數字化信號經放大后傳遞給CPU，CPU根據設置的參數與反饋的數字信號進行計算并發出指令控制電機啟停和轉速大小。同時，為了具有良好的操作性，軸控單元有屏幕和鍵盤接口、網絡接口等。在驅動功能中，驅動模塊將其軸控單元的輸入電壓轉為擰緊軸中電機所需的三項電壓，并控制換流器功率晶體管的通斷。同時，驅動模塊對擰緊軸中電機的轉向進行控制，對轉速進行PWM 調節，并且對角度分解器提供正弦和余弦激勵[1]。另外，軸控單元對電機的每相電流進行監控，并且對接地故障和擰緊軸過熱進行檢測和保護。

2 基于PLC的測控系統實現方案

2.1 測控系統組成

如圖1所示，測控系統的下位機由SIEMENS PLC S7-300系列CPU模塊317-2DP、CP343-1以太網通訊模塊、PS307開關電源模塊、數字量輸入模塊SM321、數字量輸出模塊SM322、擰緊槍、Profibus、TCP/IP通信電纜及相關配件組成。上位機和HMI的畫面通過組態軟件WinCC來設計。

SIEMENS S7-300系列317-2DP型CPU帶有512K工作內存可以大量程序的存儲空間，內有一個接口MPI/DP可以與其他設備以12MB/S的速度通訊，設有兩個DP-主站/從站接口可以支持PROFIBUS-DP信息通信，操作簡單方便，應用性強。另外，CPU處理時間可達到每位0.05μs，這可有效縮短裝配生產中的大量數據的處理時間。CP343-1通訊模塊實現與上位機的通訊連接, SM321/SM322 是DI/DO模塊，用來接收外部的輸入信號，同時將輸出信號至負載,其性能和指標能滿足系統自身的功能要求和環境適應性要求。

圖1 測控系統結構圖Fig. 1 Testing system structure diagram

2.2 測控軟件設計

軟件分為3部分：下位機PLC采用STEP7軟件進行模塊化編程，上位機人機交互界面采用組態軟件WinCC 6.0，利用TCP/IP網絡實現Wincc與S7-300 PLC之間的數據通信，同時下位機PLC和由WinCC 6.0組成的上位機都具有控制的功能。

PLC程序設計如下，在Blocks里建立組織塊（OB）、調用功能塊（FC）、功能塊（FB）、系統功能塊進行模塊化編程[2]，在OB1里調用FC功能塊程序，結構如圖2所示。

采用結構化編程和分布編程配合使用，FC1000功能塊程序診斷檢測Profibus-DP網絡上節點通斷。PLC數字量模塊采集從擰緊設備傳感器發出的電阻信號經FB2、FB4程序計算后儲存到DB塊里．再由上位機來監測；FC10程序塊檢測擰緊設備保護設備，擰緊設備共有4個故障識別地址。每個故障識別地址有故障發生時，如錯擰或漏擰時，故障信號經由PLC控制箱中的編碼器電路板，再送入PLC數字量輸入塊。把故障識別地址存入DB數據塊中，并由上位機HMI來顯示故障況。FB3程序塊是PLC的主功能邏輯塊，它主要完成PLC與擰緊設備的功能互鎖，并且能與上位機Wincc之間進行數據傳輸。

圖2 程序結構圖Fig. 2 Program structure diagram

2.3 上位機WINCC組態設計

西門子公司的WinCC組態軟件適合于各個行業和各種技術系統，用于在生產和過程自動化環境中實現可視化和過程控制任務。WinCC組態軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、網絡與通訊技術等，只需通過可視化的組態方式，就可以完成監控軟件的設計，降低了監控畫面開發的難度。

WinCC 6.0中使用的存儲數據庫是Microsoft SQL Server 2005，提供組態數據和歸檔數據， 利用DAO、OLE、DB、ODBC、WinCC OLE—DB和ADO使歸檔數據的訪問變得簡捷，OLE、AetiveX和OPC等功能強大的標準接口的使用為交換數據提供了便利。它的優勢是畫面更新高速性、數據通信高效性。同時它也能夠提供數據采集與歸檔、圖形顯示、報警功能和報表模塊。

2.3.1 狀態監測模塊

在狀態監測模塊中，通過使用WinCC圖形編輯器可以直接實現全況顯示，機構運行狀態報告、擰緊狀況及擰緊參數的顯示。圖形編輯器中的輸入/輸出域顯示的是模擬量的實際發生時間，如擰緊槍運行的實際位置值；擰緊槍實際擰緊位置、限位開關、報警變量等開關量的通與斷則由不同顏色的圖形來表示，變量為I/0的對應的背景色分別為綠/灰。用戶可以通過監控畫面中的元件狀態掌握系統的實時信息[3]。

2.3.2 故障報警模塊

故障報警的信息記錄、存檔以及顯示和故障的查找、分類、合計與分析等功能主要在這一模塊中完成。這不僅有效地減少了排除故障的時間，并且實現了信息備份，為設備維護提供參考值。WinCC軟件中的報警編輯器主要管理消息的收集和分類，主要是負責采集過程、預加工、表達式、確認及歸檔等消息。在組態期間，需要對整個過程中會出現一些應觸發事件進行明確說明，例如，自動化系統中的特定位的設置，過程值與預定義值差值的最大相差值。

系統的組態也要分步進行。首先，在報警編輯器中完成故障變量的組態。然后將報警控件添加至圖形編輯器中，這樣就實現了故障報警與故障控件的有效結合，使故障信息及時通過故障控件顯示。如圖3所示， WINCC監控界面中的“ALARM”按鈕，頁面自動跳轉至上圖界面，報警功能分2部分：當前報警和歷史報警；當前報警會直接顯示在頁面中，M點可以是PLC程序內部設置的點，也可以是外部I/O點。可以看出，目前設備有2個報警：光電開關觸發時間為1s或者更長、設備急停按鈕被按下報警。

圖3 故障報警模塊Fig. 3 Failure alarm module

2.3.3 數據記錄模塊

這一模塊不僅實現了對設備以及備件的信息記錄，也記錄了設備運行狀態以及服務器后臺執行設備維護提示及報警。

整個系統使用的是VBScript腳本與SQL Server 2008，首先在SQL Server 2008數據庫中完成數據庫cms及其子級數據庫表的創建，再通過配置ODBC數據源連接SQL Server 2008數據庫。這樣可以將設備信息存入自定義數據庫中，然后啟動報表生成過程，在Excel控件中顯示數據，從而成功的在自定義數據庫中完成了的WinCC的數據添加，步驟為[4]：

1)在控制面板中，查找管理工具下，選擇數據源ODBC，啟動ODBC數據源管理器。

2)點擊“系統DSN”選項，進入系統數據源頁面，點擊“添加”選項，打開“創建新數據源”對話框，在驅動程序列表中，選擇SQL Server，然后點擊完成。

3)在打開的“創建數據源向導”窗口中，輸入數據源名稱、說明和SQL Server服務器名稱，之后按步驟進行完成，測試數據庫cms連接成功。接著根據擰緊設備信息，通過VB腳本編寫程序。用戶隨時可根據設備信息或備件信息寫入數據庫，并在需要的時候根據具體情況查詢報表。同時，當設備達到報警條件或是備件不足時，將會自動彈出報警窗口，提示用戶報警信息。

2.3.4 報表生成模塊

具體的生產信息及作業統計查詢在報表生產模塊中完成，如，各工位的擰緊數據，轉角和扭矩，各擰緊工位的數量。在必要時，也可以將各個擰緊機工位的數據打印成表格以便使用。采用VBScript腳本與SQL Server 2005采集作業數據，然后存入自定義數據庫，通過報表畫面查詢或者打印數據[5]。

在報表畫面中，日／月／年報表選項在報表下拉菜單中選擇。班次、工位或其組合以及起止時間選項在作業下拉菜單中選擇。顯示在Excel控件上選取的數據，打印報表，刪除選取的數據分別需要通過生成按鈕，打印按鈕，刪除按鈕。打印功能的完成則需要以頁面布局和打印作業為前提。利用WinCC的報表編輯器Report Desinger建立一個頁面布局，選擇ODBC數據源C腳，設置SQL語句建立模板，然后選擇Print Job選項，新建打印作業，例如，建立名為“zuoye”的新作業，主題為“打印作業情況/天”。點擊新作業屬性對話框，在layout處鏈接新建報表。打印報表按鈕的C腳本為：RtrFJobPrint(“zuoye”)。如圖 4所示。

圖4 擰緊數據導出界面Fig. 4 Tigtening data exporting interface

2.4 測控系統實現流程

測控系統的PLC控制程序由主程序和幾個子程序組成，主程序主要通過接受各種控制信號、調用各個子程序、設置報警信息等對系統進行控制，幾個子程序分別是初始化、擴展塊檢查、擰緊機程序及設置參數檢測[6]。初始化子程序主要完成了擰緊設備啟動程序、PLC數據采集、處理及HMI監控軟件程序。擴展塊檢查子程序主要用來檢查擴展模塊是否有硬件錯誤，系統的二個模塊標號如下：模塊0為SM321，模塊1為SM322。程序中通過設置各個特殊存儲器對2個擴展模塊的標識錯誤、故障以及設置了相應的標識位。擰緊機參數檢測主要由PLC[7-8]去完成的，PLC檢測到相應的信號后，可以提醒報警設備及時做出相應的反應，工作流程如圖5所示。

3 運行結果

監控畫面分為3個部分：總覽部分、現場畫面部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統標示符、畫面標題、車號選擇；在現場部分顯示各個機構畫面、生產流程和生產報表畫面；在按鈕部分顯示監控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個圖面設計如圖6所示。

4 結束語

采用西門子S7-300 PLC和擰緊設備的通訊，控制擰緊機按照設定參數完成擰緊工作，利用WINCC作為上位機，完成實時的監控和操作，性能穩定，使用靈活方便，充分發揮各個技術優勢，使其功能變的強大。保證了裝配的質量和效率，應用前景廣泛。

[1] 黃健.汽車裝配自動擰緊機[D].上海:上海交通大學,2008.

圖5 工作流程圖Fig. 5 Route chart

圖6 WinCC監控系統設計結構圖Fig. 6 Design of monitoring system structure diagram

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