基于PLC的汽車主焊線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張振焱，郭羅根

（杭州吉利汽車有限公司，浙江 杭州 310000）

1 緒論

1.1 選題的背景和意義

當(dāng)今社會(huì)要求汽車制造廠對市場需求作出迅速反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格[1]、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為滿足這一要求，生產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)備和自動(dòng)控制生產(chǎn)線的自動(dòng)化設(shè)備必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器（Prog -rammable Logic Controller，PLC）正是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的[2]，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置。

1.2 PLC自動(dòng)化技術(shù)在汽車主焊線行業(yè)的應(yīng)用

目前，國內(nèi)外汽車企業(yè)生產(chǎn)流水線已大量選用PLC作為控制中樞[3]，通過PLC對設(shè)備反饋信號(hào)和控制信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)利用PLC與上位機(jī)的通信交互功能，使PLC的控制功能得到更大程度的擴(kuò)展[4]，利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的靈活與PLC控制的穩(wěn)定性完成對工廠操作平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，這種控制方式既彌補(bǔ)了PLC在控制I/O端口靈活性的不足，也發(fā)揮了計(jì)算機(jī)可以與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的優(yōu)勢。通過以計(jì)算機(jī)的中轉(zhuǎn)，可以將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在PLC控制端得以表達(dá)。

進(jìn)入新世紀(jì)以后，汽車制造廠自動(dòng)化生產(chǎn)線朝著高度智能化和自動(dòng)化、多品種混裝生產(chǎn)線和大規(guī)模定制生產(chǎn)線的方向發(fā)展。德國KUKA和瑞典ABB公司為吉利汽車、北京奔馳、上海大眾、長安福特、通用汽車等整車企業(yè)研制的大型白車身自動(dòng)化焊接與裝配生產(chǎn)線的機(jī)器人占有率高達(dá)95%甚至98%以上，研制出的主焊線合裝平臺(tái)通過車型切換可以同時(shí)生產(chǎn)4種甚至8種不同車型，滿足市場對不同消費(fèi)階層的需求。

2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序的編寫首先要知道，系統(tǒng)的工藝流程是什么樣的[5]，每個(gè)工位的工藝流程是怎么進(jìn)行的，程序達(dá)到哪一步需要什么條件，西門子的步序功能圖很好地展示了這一點(diǎn)，具體的步序看各個(gè)工位的工藝要求而寫，主體的步序如下圖。

圖1 順序功能圖

2.1 程序編寫

用戶程序中包含不同的程序塊，各程序塊實(shí)現(xiàn)的功能不同。而允許每種類型的程序塊的數(shù)量及每個(gè)程序塊最大容量與CPU的技術(shù)參數(shù)有關(guān)。組織塊（OB）OB塊決定用戶程序的結(jié)構(gòu)，調(diào)用FC和FB塊里面的程序。函數(shù)塊（FB）FB塊允許用戶編寫函數(shù)，帶存儲(chǔ)區(qū)。FB塊的程序編寫需要背景數(shù)據(jù)塊背景DB塊與FB調(diào)用相關(guān)，函數(shù)（FC）FC可以作為子程序使用，也可以作為經(jīng)常調(diào)用的函數(shù)使用。共享數(shù)據(jù)塊（DB）共享數(shù)據(jù)塊也稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)塊，用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。

用戶程序編寫首先要確定好PLC的變量表，PLC變量表是所有現(xiàn)場的I/O點(diǎn)位的設(shè)備的地址和給地址分配名稱并進(jìn)行注釋的，在程序編寫的時(shí)候需要一些輔助的M點(diǎn)位，也需要在變量表中進(jìn)行編輯地址和各地址分配名稱并進(jìn)行注釋I/O地址和M輔助地址在整個(gè) CPU 范圍內(nèi)必須唯一。如果輸入一個(gè)已經(jīng)分配給其它變量的地址，則該地址將在兩個(gè)位置都以黃色高亮顯示，并發(fā)出錯(cuò)誤消息。

2.2 普通程序結(jié)構(gòu)與功能

PLC所有的子程序都靠組織塊MIAN（OB1）里面進(jìn)行調(diào)用，存儲(chǔ)在OB1組織塊中的程序?qū)⒎磸?fù)地執(zhí)行循環(huán)調(diào)用，循環(huán)的周期與響應(yīng)時(shí)間根據(jù)CPU操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間和周期來確定，組織塊最基本的功能就是調(diào)用用戶程序。

OO_Initialization初始化調(diào)用塊，進(jìn)行CPU斷電重新啟動(dòng)時(shí)候清理掉所有的信號(hào)防止信號(hào)問題出現(xiàn)故障，OO_ Orgaanization_Block程序組織塊進(jìn)行普通的主程序調(diào)用和CPU所有的程序調(diào)用，00_SAFFTY區(qū)域安全程序的調(diào)用，02_MODE模式，觸摸屏和區(qū)域手動(dòng)自動(dòng)的操作模式的調(diào)用，03_COMMON調(diào)用報(bào)警，車型，安全門指示燈和安全門普通程序塊。04_User_Calls整個(gè)工位的機(jī)器人程序塊，變頻器程序塊，步序功能程序塊，夾具功能塊的程序調(diào)用。

圖2 塊的組織架構(gòu)圖

夾具功能塊主要是由夾具輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行、安全條件、互鎖信號(hào)、狀態(tài)顯示以及報(bào)警構(gòu)成。.HMI按鈕可以通過手動(dòng)操作夾具的打開和關(guān)閉（PB_ Work和PB_Home），自動(dòng)條件下是通過Graph里面的氣缸工作的互鎖條件來控制ENABLE_ WORK和ENABLE_HOME，NUMBER_POSITION控制當(dāng)前氣缸的數(shù)量[6]，做個(gè)一組閥島控制8個(gè)氣缸， HIDE_ALARM_All和HIDE_ALARM_ MASK是隱藏報(bào)警觸發(fā)，PLANT_IDENTIFIER是氣缸名稱命名，.GENERAL_ALARM是報(bào)警匯總輸出，WORK和HOME是控制輸出，.DISPLAY_POS_WORK和DISPLAY_ POS_HOME是狀態(tài)顯示。

圖3 夾具工作步序圖

機(jī)器人功能塊1～40寫的是機(jī)器人各種報(bào)警的程序段，41號(hào)程序段寫的是機(jī)器人的報(bào)警文本，只要有報(bào)警，報(bào)警信息的內(nèi)容就會(huì)顯示在觸摸屏上面，提示維修人員進(jìn)行維修，43～79是機(jī)器人的邏輯控制，SEG的運(yùn)行條件和程序的一些功能的調(diào)用，80是干涉區(qū)功能調(diào)用塊，檢查機(jī)器人是否可以安全地進(jìn)入該工作區(qū)域，使機(jī)器人不會(huì)分手碰撞。81是功能塊的調(diào)用，主要是和機(jī)器人的輸入和輸出的通信[7]，控制機(jī)器人的干什么工作和作什么事情需要什么條件，82~90機(jī)器人在觸摸屏上面的信號(hào)顯示的信息，機(jī)器人的信號(hào)變化可以在觸摸屏上面完整的顯示。

圖4 機(jī)器人功能塊圖

工位的車型號(hào)是4位數(shù)的比如2001或者2102，機(jī)器人接收的程序號(hào)碼是3位數(shù)的比如201或212，這就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的條件為本工位不在空運(yùn)行的模式而且是在自動(dòng)模式下，把本站的車型通過FC750塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換與處理把當(dāng)前的4位數(shù)的車型轉(zhuǎn)換為3位數(shù)的車型，車型解析出來后在用比較指令進(jìn)行比較和判斷，出來的結(jié)果是判斷當(dāng)前的車型是SX12低配車型還是BSG高配車型。

圖5 車型程序段判斷圖

機(jī)器人接收程序號(hào)程序段，首先把機(jī)器人的程序號(hào)清0，當(dāng)前工位是在自動(dòng)的前提下，機(jī)器人本站的程序號(hào)要等于APC當(dāng)前允許機(jī)器人抓件的程序號(hào)或者本站程序號(hào)等于機(jī)器人要實(shí)際激活的程序號(hào)，相鄰的機(jī)器人沒有進(jìn)入服務(wù)程序，本站的程序號(hào)就會(huì)發(fā)送給機(jī)器人。

圖6 機(jī)器人接收程序號(hào)程序段圖

安全門功能塊的請求開門的程序段，首先請求按鈕要?jiǎng)幼鳎T鎖是有信號(hào)的才可以請求停止動(dòng)作，復(fù)位停止需要滿足門的關(guān)閉輸出是有的在按復(fù)位按鈕。

圖7 安全門開門程序段

2.3 安全程序結(jié)構(gòu)與功能

安全程序：主要包含安全回路的調(diào)用（Main_Safety）、機(jī)器人機(jī)器人輸出、安全急停輸入以及各個(gè)安全區(qū)域安全回路的控制。MAIN_Safety：安全回路調(diào)用；F_RobEStop_FFB：機(jī)器人機(jī)器人急停輸出；F_Estop_FFB：急停回路匯總包含機(jī)人急停、安全門急停、操作盒急停等；F_Zone1_INPUT_ FFB：安全回路輸入包含區(qū)掃、光柵和安全門；F_Zone1_ OUTPUT_FFB：安全回路控制24V輸出。安全區(qū)域程序有LOGIC程序主要是把安全的輸入與輸出的程序進(jìn)行調(diào)用，INPUT安全的輸入程序，接收光柵，安全門機(jī)器人的安全信號(hào)，OUTPUT輸出程序，控制安全電源，給機(jī)器人發(fā)送安全信號(hào)，當(dāng)安全不滿足的時(shí)候停止該區(qū)域所有的設(shè)備的運(yùn)行。

圖8 安全程序結(jié)構(gòu)圖

3 HMI畫面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面簡稱HMI，是進(jìn)行人機(jī)界面交互的，本項(xiàng)目使用的是15in，15IN的通信口有一個(gè)千兆的PROFINET接口[8]，可以用網(wǎng)線直接下載HMI項(xiàng)目。

在創(chuàng)建項(xiàng)目之前，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，規(guī)劃需要?jiǎng)?chuàng)建哪些畫面，每個(gè)畫面的主要功能以及各畫面之間的關(guān)系。這是畫面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。首先需要在博途軟件里面添加精智面板勾選添加新設(shè)備，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接選擇，創(chuàng)建完成組態(tài)后保存項(xiàng)目。

3.1 普通畫面設(shè)置

在項(xiàng)目視圖畫面組下點(diǎn)擊添加新畫面，在工作區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一幅新的畫面，在畫面屬性里面更改畫面名稱，在制作畫面之前首先需要進(jìn)行添加HMI的變量表，HMI變量分為外部變量和內(nèi)部變量，外部變量是PLC存儲(chǔ)器中的過程值的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變，可以在HMI設(shè)備和PLC中訪問外部變量，HMI 可以讀/寫PLC存儲(chǔ)器中的過程值。

變頻器的操作與顯示畫面，變頻器給PLC他的反饋信號(hào)，PLC通過變頻器反饋回來的信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算進(jìn)行和滾床傳感器的進(jìn)行允許變頻器進(jìn)行動(dòng)作。

圖9 變頻器操作界面圖

變頻器運(yùn)行操作顯示界面，通過傳感器對滑橇的監(jiān)控，來知道當(dāng)前滑橇的位置，滑橇接收到在信號(hào)繼續(xù)高速的運(yùn)行，運(yùn)行到了減速位置以低速進(jìn)行前進(jìn)，直到達(dá)到停止位置，滑橇在滾床上面，滑橇在位減速和停止信號(hào)必須顯示，沒有顯示觸摸屏?xí)M(jìn)行報(bào)警。

圖10 滾床狀態(tài)顯示

機(jī)器人操作畫面顯示，點(diǎn)擊選擇機(jī)器人按鈕，就會(huì)顯示相應(yīng)的機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)信息，在機(jī)器人狀態(tài)欄顯示機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)在上面位置，在機(jī)器人的操作界面點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕可以調(diào)動(dòng)機(jī)器人去做相應(yīng)的工作，不管機(jī)器人在做什么工作，在實(shí)際程序號(hào)顯示窗口會(huì)顯示機(jī)器人當(dāng)前執(zhí)行的程序是做什么的。在離開工作顯示界面，會(huì)顯示當(dāng)前機(jī)器人在進(jìn)行那一步的工作，如果工作完成在工作完成的界面會(huì)顯示完成信息，方便操作人員對機(jī)器人的狀態(tài)隨時(shí)監(jiān)控。

圖11 機(jī)器人狀態(tài)顯示與操作界面

夾具氣缸的顯示，當(dāng)夾具氣缸在執(zhí)行夾緊的信號(hào)的時(shí)候，相應(yīng)的氣缸的夾具的位置感應(yīng)傳感器就會(huì)亮，而反饋給觸摸屏的夾具位置的信號(hào)會(huì)顯示為緑色，PLC控制夾具執(zhí)行夾緊命令，而有其中的一個(gè)氣缸沒有夾緊，觸摸屏就會(huì)顯示為報(bào)警，并顯示畫面會(huì)顯示紅色狀態(tài)，告訴操作人員有氣缸沒有夾緊，操作人員就可以根據(jù)觸摸屏的顯示狀態(tài)，快速查找到故障的位置方便維修，工位的檢知傳感器是進(jìn)行檢測當(dāng)前工位在車身下降的時(shí)候，檢測車身是否下降到位，傳感器程序控制在檢測的一步，沒有檢測的板件，就會(huì)有報(bào)警顯示在觸摸屏上面并報(bào)紅色，需要人工進(jìn)行確認(rèn)是否有問題，傳感器有問題就好進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，維修人員可以進(jìn)行更換傳感器。

圖12 夾具傳感器顯示界面

3.2 報(bào)警畫面系統(tǒng)診斷與用戶管理

報(bào)警畫面是用來顯示和記錄該套PLC所有的設(shè)備的報(bào)警的，報(bào)警畫面有兩種分為當(dāng)前報(bào)警畫面和歷史報(bào)警畫面，當(dāng)前報(bào)警畫面是顯示當(dāng)前已經(jīng)有的和沒有消失的報(bào)警信息，歷史報(bào)警畫面存儲(chǔ)已經(jīng)處理完成的報(bào)警信息最多可以存儲(chǔ)1 000條[8]，新的報(bào)警信息會(huì)覆蓋舊的報(bào)警信息。

當(dāng)前報(bào)警畫面的制作，在HMI畫面的組下面添加新的畫面，點(diǎn)擊工具箱選擇控制件，點(diǎn)擊帶郵件的圖標(biāo)，新添加的畫面就會(huì)顯示報(bào)警畫面信息，把報(bào)警畫面進(jìn)行平鋪開新添加的畫面里面，設(shè)置報(bào)警畫面信息，在報(bào)警視圖的屬性里面的可見列，勾選編號(hào)、時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警文本、日期、報(bào)警類別、報(bào)警組等，PLC程序里面有相應(yīng)的報(bào)警塊當(dāng)報(bào)警的條件達(dá)到的時(shí)候，相應(yīng)的報(bào)警文本會(huì)顯示在觸摸屏的報(bào)警畫面里面，報(bào)警的畫面與PLC里面的報(bào)警程序是相關(guān)聯(lián)的。

系統(tǒng)診斷視圖的添加與報(bào)警視圖的添加方法是一致的，CPU的系統(tǒng)診斷功能是自動(dòng)被激活的，硬件和軟件編譯成功后程序塊會(huì)自動(dòng)生成，OB82、OB83、OB85和OB86系統(tǒng)診斷的OB塊，系統(tǒng)診斷窗口會(huì)顯示當(dāng)前的PLC的CPU的狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)信息，如果運(yùn)行的系統(tǒng)的CPU和下級(jí)I/O設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤的信息，相應(yīng)的設(shè)備會(huì)報(bào)紅色的狀態(tài)顯示，報(bào)警畫面會(huì)顯示報(bào)警信息。

用戶管理是用來控制觸摸屏上面的特殊的按鈕和畫面，防止有不懂的操作人員誤操作，造成設(shè)備的故障，這些特殊的按鈕和畫面只有給經(jīng)過授權(quán)的專業(yè)人員進(jìn)行操作，在用戶管理中，權(quán)利不是直接分配的，而是分配給用戶組，同一個(gè)用戶組具有相同的權(quán)限，用戶的名稱只能使用數(shù)字和字符，不能使用漢字，但是可以使用漢語拼音。點(diǎn)擊用戶管理添加需要的用戶組，用戶組添加完成后，進(jìn)行按鈕和畫面的屬性設(shè)置，在安全里面點(diǎn)擊權(quán)限選擇需要的管理用戶，設(shè)置完成后編譯下載到HMI后點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，就會(huì)出現(xiàn)需要輸入用戶名和密碼，這些正確才可以進(jìn)行下一步的操作。

4 總結(jié)

本文通過對主焊線的分析，使用西門子公司的博途軟件作為控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)通信組成的主焊線，機(jī)器人和滾床夾具是通過車型傳遞和車型對比進(jìn)行工作的，從而實(shí)現(xiàn)BSG和SX12車型的混線生產(chǎn)的要求，PLC控制系統(tǒng)與HMI觸摸屏畫面組合車的報(bào)警顯示操作系統(tǒng)，能更快更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)故障的快速處理。

（1）通過對控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，首先確定了現(xiàn)場設(shè)備工位的工藝流程圖，設(shè)備的硬件組態(tài)與通信組態(tài)，程序的主體框架結(jié)構(gòu)和各功能塊的功能與作用。

（2）通過對上位機(jī)普通畫面和報(bào)警畫面的功能是什么，整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況和報(bào)警狀態(tài)都可以在上位機(jī)中顯示出來。