汽車發動機ECU裝配線控制系統設計

周 杰

（研林自動化科技有限公司，上海 201822）

0 引言

ECU全稱Electronic Control Unit，也稱作微電腦控制器，是“行車電腦”和“車載電腦”專用的微電腦控制器。該系統包括微型計算機、輸入、輸出和控制電路等。一般具有故障自診斷和保護功能［1-2］。伴隨著汽車中電子自動化水平不斷智能化的提高，ECU的應用范圍也越來越廣。例如：ABS防抱死制動系統、汽車驅動系統、電控自動變速器、主動懸掛系統、安全氣囊系統、多向可變電子座椅等［3］。通過分析ECU裝配工藝流程和行業現狀可知，目前國內外汽車生產對ECU的依賴和需求逐漸增大，但是針對于實現低成本設計的ECU裝配自動化生產線卻寥寥無幾。因此，設計一套ECU控制系統非常必要。本文的研究方向是解決生產過程中人工依賴大、生產周期長、生產成本高等關鍵點，用低成本自動化設備代替人工，實現裝配涂膠自動化檢測等功能。該設備的研究可以大大節省企業的生產成本，提高生產環節的自動化程度，從而達到更高的生產效率，因此具有實際意義。為確保該控制系統的可靠運行，控制系統應具有以下功能［4］：（1）點動調試運行，設備程序初始化后，按下啟動按鈕，按照程序邏輯順序托盤輸送線啟動運行，并停留在此工位，然后再次按下啟動按鈕執行下一工位操作，主要用于控制系統調試；（2）點動周期運行，按下啟動按鈕后，托盤輸送線從上料初始位置開始，按照執行順序完成一個ECU裝配周期后，返回且停留在下料位置；（3）連續運行，按下啟動按鈕后，托盤輸送從第一步到完成一個周期工作后，緊接著開始裝配下一組ECU配件并連續工作下去，直到按下停止按鈕，等所有裝配件完成后才停止；（4）監控功能，實時顯示裝配線運行狀態，同時具有報警功能，例如ECU配件不足、ECU點膠量錯誤、系統通訊故障等。

1 系統組成及工作流程

ECU裝配線設備布局如圖1所示。系統設備主要由托盤輸送線、清潔系統、涂膠系統、工業機器人系統、視覺檢測系統、壓合、掃碼等系統組成。

圖1 設備布局

（1）物料輸送線：將ECU上部塑料盒和下部鋁合金盒同時放在輸送線托盤中，通過二維碼掃描槍對ECU上下盒上二維碼進行掃描，并將掃描數據通過PRPFINET網線傳送給可編程控制器PLC和客戶制造執行系統［2］數據庫中進行匹配，對比成功后托盤自動輸送到下一個工位。當托盤到達不同工位時，托盤上裝有的RFID芯片會被讀取，讀取數據信息被發送到客戶制造執行系統數據庫中，用于監控生產線裝配狀況等。

（2）清潔系統：托盤到達清潔工位后，通過吹風系統進行ECU外殼清潔。吹風時間可以通過人機界面觸摸屏設置。

（3）涂膠系統1：主要功能是在ECU上部塑料盒指定位置進行涂膠；涂膠量由涂膠機進行控制。

（4）工業機器人涂膠系統2：通過PROFINET接收PLC信息并進行相應的涂膠操作。該涂膠部位是ECU下部鋁合金盒指定位置，涂膠量由涂膠機進行控制。

（5）視覺檢測1：主要是檢測ECU上下盒涂膠量是否滿足客戶要求。當視覺檢測后，該工位由氣缸抓取ECU鋁合金盒然后進行180°翻轉。為了確保設備的穩定性，不僅需要磁感傳感器在氣缸內到位信號，而且要增加適當的延遲時間。

（6）壓合系統：當托盤到達后，由氣缸進行慢速移動推壓，將ECU上下盒進行點膠粘盒。

（7）視覺檢測2：主要檢測裝配完成后的ECU上下盒壓合后縫隙大小，不符合產品工藝要求產品將被氣缸剔出。

通過分析控制系統要求，ECU裝配線工作流程如圖2所示，PLC的程序是用梯形圖和SCL語言進行編寫設計，根據設備控制系統工藝流程，當PLC接收到硬件中傳感器等（比如氣缸磁感應傳感器）的輸入信號時，程序控制每個機構按照設備工藝流程自動有序進行動作。該設備的PLC軟件設計采用西門子博圖編程軟件，在分配每個輸入／輸出地址后進行PLC程序編程［5］。

圖2 系統工作流程

根據產品裝配工藝的要求，在設計設備程序時，主要需要考慮不同工位（從站）通訊信號和氣缸的動作協調性。根據控制系統要求，托盤中的激光傳感器實時檢測和監控是否有ECU盒蓋，當未檢測到盒蓋時，系統會發出缺料報警，然后根據提示執行人工掃碼加料，當啟動設備后，托盤上的信息會通過RFID傳送到客戶制造執行系統中并保存，然后再通過吹風清潔、ECU盒蓋點膠及視覺檢測。當檢測到不合格產品時，氣缸動作，不合格產品送達至指定位置放置，若未到達指定位置，系統會發出異常報警，所有輸出位將重置，等待人工處理完畢后再重新開始工作。當裝配線托盤通過不同工位進行ECU配件裝配時，因安全因素引起的設備報警，裝配線立即自動停止。

2 電氣控制系統設計

電氣控制系統主要由PLC、人機界面觸摸屏、工業機器人、安全系統、傳感器、電磁閥、二維碼掃描、RFID系統、視覺檢測等裝置等組成，電氣控制系統結構［6］如圖3所示。

圖3 電氣控制系統結構

中央控制器的選型上會將PLC作為主控，PLC全稱為可編程邏輯控制器，具有很強的功能指令，比如順序控制、邏輯運算、定時控制等［7］。并可通過PROFINET［8］實現與人機界面觸摸屏［9］、二維碼掃描［10］、工業機器人數據通信交互。同時，實現與各遠程I／O從站、氣缸電磁閥、光電開關等信號交互，進行工業自動化生產過程的控制。因此，本系統控制器采用西門子公司生產的S7-1500系列PLC實現對整個ECU裝配過程的自動化控制。

工業機器人涂膠系統通過PROFINET接收PLC控制信息，自動完成涂膠任務，實時記錄涂膠量及相關數據，并反饋給主站PLC及涂膠機。該工業機器人的主要特點是響應速度快，重復精度高；IP等級高；環境適應性強；耐熱耐高溫；支持在線和離線編程。

通過人機界面觸摸屏對ECU裝配線運行情況進行實時監控并進行相關參數設置等。其他硬件如急停開關，啟動和停止按鈕、傳感器、安全光幕、電磁閥等連接至遠程I／O從站通過PROFINET實現與主站PLC通信交互。所以人機界面人性化設計顯得尤為重要。

二維碼掃碼系統對ECU上下盒二維碼進行掃描并與客戶制造執行系統中數據庫進行比對，對比成功后設備方能啟動。該掃碼系統由二維碼、PLC、客戶制造執行系統數據庫系統相銜接。二維碼中含有編號、名稱、規格、型號、出廠日期等相關信息記錄。在ECU裝配之前通過掃碼，嚴格確保所有材料的準確性，為生產調度和訂單安排提供依據。

RFID系統［11］是當托盤移動到不同工位時都會被記錄。RFID芯片被安裝在設備物料托盤上。在設備進行組裝作業時，其各工位各自完成作業，所需原料資料信息、托盤工位編號、組裝等實際情況將記錄在RFID芯片上。每個貨盤到達后，RFID芯片自動記錄一次。每一次被記錄的信息采用以太網方式上傳至客戶制造執行系統數據庫中進行保存。該系統通過RFID采集數據并記錄各個工位環節信息，確保能及時和準確地掌握裝配線的真實生產情況。

2.1 電氣控制系統硬件組成

電氣控制系統硬件主要由基板、PLC CPU模塊、PROFINET主站通訊模塊、觸摸屏、遠程I／O從站模塊、輸入／輸出模塊等組成。

2.2 電氣控制系統硬件設置

PROFINET專用通訊電纜用于連接PLC主站、遠程I／O從站和機器人并形成工業控制網絡。硬件設置主要包括：（1）站號名稱；（2）本地ID號；（3）特殊連接屬性；（4）組態配置IP地址等。

2.3 電氣控制系統軟件設置

在PROFINET網絡連接及配置如圖4所示，完成組態配置后需要對遠程I／O站進行地址分配等。

圖4 從站信息設置

2.4 程序設計

ECU裝配線程序主要包含PLC程序、觸摸屏程序及工業機器人示教程序等，并對關鍵部分進行簡介。

2.4.1 PLC程序設計

PLC程序框架如圖5所示。

圖5 PLC程序構架

（1）系統自動／手動操作：在自動或手動狀態下，滿足所有安全信號，方可實現系統的操作。

（2）ECU配件掃碼管理：客戶通過人機界面觸摸屏檢查ECU裝配件信息，如配件序列號、入庫信息等。所有信息會定期自動化發送至客戶制造執行系統數據庫中進行備份，確保客戶進行追溯等管理需求。

（3）物料裝配件掃碼：動態識別配件產品型號。與客戶制造執行系統數據庫中信息進行對比，將結果傳送給PLC和機器人。

（4）托盤FRID掃描：托盤上裝有RFID芯片，托盤移動到不同工位時會自動記錄一次。主要記錄ECU裝配過程中是否有異常報警信息。

（5）視覺檢測：在自動狀態下，滿足條件后，可實現涂膠檢測。

（6）人機界面交互：操作或管理人員可以在觸摸屏上實時觀察裝配生產線動態，而維修或研發人員可以通過權限進入調試、修改、維護、生產管理等高級功能。

（7）系統異常報警：ECU裝配線運行過程中的異常記錄。

PLC使用SCL語言［12］編程將所有工位啟動判斷條件使用全局變量部分程序如下：

（1）IF RelAuto AND＃tDiDVC.di_CycleOn AND

DiDVC.di_ProgReady AND DiDVC.di_JobReady

（2）DiDVC.di_JobReady AND tProgMirrorOK AND tJobMirrorOK AND tTypeMirrorOK AND

（3）DiDvc.di_inHome

（4）or tobj.Gen.In.ProgNo＝

PROG_MOVEHOME，THEN SSqstep：＝SQ_SEND_START；sStartSqTimeout：＝False；END_if；

其中使用IF和AND進行條件判斷時，保證每個工位運行前的一致性檢查。比如工業機器人是否在指定位置，涂膠機是否準備完畢等。

2.4.2 控制系統PLC I／O地址

從ECU自動裝配線的控制要求可以看出，系統需要硬件組態配置輸入、輸出信號等相關信號，輸入／輸出信號地址部分配如表1所示。

表1 I／O地址分配表

2.4.3 人機界面畫面組態

（1）人機界面觸摸屏中設有主屏、手動操作屏、設備參數設置、報警等。當觸摸屏開啟時，手動點擊主屏幕上的按鈕進入相應的操作屏。在設備系統的自動運行畫面上顯示整個系統實時運行狀態時。紅色表示生產線停止、黃色表示異常狀態、綠色表示正常運行狀態、藍色則為生產線正在維護中。具體界面如圖6所示。

圖6 人機工作界面

（2）報警故障監控界面：主要負責記錄設備各種故障的發生情況，分析與統計故障原因，為設備維護提供一定的參考依據，具體界面如圖7所示。

圖7 報警故障監控界面

（3）參數配置界面：主要為設備電氣工程師等設計人員開放，在此界面為操作員提供了手動操作模式下裝配線每個工位操作按鈕，顯示每個工位的操作狀態。手動操作過程中，手動操作界面主要用于設備的日常維護、調試，比如實現設備中氣動元器件、伺服電機等相關執行機構的點動控制等。具體人機界面如圖8所示。

圖8 參數配置界面

2.4.4 工業機器人涂膠系統

愛普生SCARA工業機器人［13］用于該生產線，該機器人在有限的平面空間內能靈活定位，可以執行機構運動控制，并具有運行速度快、可做點位和連續軌跡運動的特點。其中，點位能準確找到執行機構從一點到另一點的位置，實現了極短的循環時間和極高的重復定位精度。并且適用于蓋件、硬盤拋光、盒式磁帶組裝、高精度驅動組裝等作業。因此，ECU裝配線中點膠工位采用該工業機器人進行控制。其編程思路如圖9所示。

圖9 工業機器人涂膠流程

2.4.5 視覺檢測系統

視覺檢測攝像頭采集ECU組裝時涂膠是否符合工藝要求。圖像處理軟件對圖像進行分析比較，對采集到的數字代碼進行智能處理與判斷，對缺陷進行判斷與統計，并將檢測結果傳輸給PLC控制系統［14］。如果不符合涂膠工藝要求，不合格的ECU將被PLC驅動氣缸剔除。同樣在另一個工位智能攝像頭采集ECU組裝后上下盒壓合處縫隙的外觀圖像并進行檢測。視覺檢測工作流程如圖10所示。

圖10 視覺檢測流程

其中，已達到接近98%的缺陷拒收概率。針對缺陷這個問題，在視覺檢測系統中采用了模板匹配的圖像處理算法。具體的實現方法是事先采集相應的合格ECU符合要求的涂膠數量及上、下盒中空隙特征圖，并將其存入標準模板。系統工作時，每一張ECU圖像與標準圖像進行模板匹配識別，獲得當前的相似系數。通過與對比預設的相似度閾值進行比較，可以判定是否存在缺陷。

3 應用效果分析

根據表2所示對比分析可知，自動化裝置設備比人工操作節約了50%的人力和工時，減少點膠量使用量25%，視覺檢測耗時量減少75%，壞品率減少11%左右，使成品率增加了15%。由上可知自動化裝置設備更加節約人工和材料成本，大大提升了產品的生產質量和產量。

表2 人工與自動化裝配效率對比

4 結束語

該控制系統已經應用于客戶現場。全系統運行安全穩定，自動化程度高，故障率低，維修和操作簡便，裝配精度高，提高了ECU自動化生產效率，在滿足客戶的生產需求同時降低了操作人員的勞動強度。利用可編程序控制器PLC作為控制系統，既能節約大量的人力、物力，又能保證系統穩定運行。觸摸屏幕具有方便直觀的系統圖形和功能強大的報表記錄系統。同時通過掃碼系統、RFID系統與客戶制造執行系統相整合，使得客戶能夠通過對生產流程進行監測管理，對生產流程進行記錄。當前，該裝配線電氣系統工作穩定可靠，達到了預期目標。