基于PLC的汽車焊裝生產線控制系統設計策略研究

前言：

目前，汽車制造行業作為國家經濟發展中的重要產業支柱，對國家經濟發展水平具有重要影響。但當今的汽車制造行業的整體生產能力取決于車身制造。汽車的更新換代也與本身的車身技術息息相關。目前，汽車車身制造作為整個汽車工業中發展最為快速的領域，其車身焊接工藝的研究工作十分必要，已經成為各大汽車企業爭奪市場競爭力的重點方向。現階段，我國車身焊裝工藝主要利用PLC技術進行自動化控制，從而滿足汽車焊裝生產要求。在提高汽車生產安全性后，也能切實保障廣大消費者的人身安全。

一、相關概念界定

（一）PLC系統

PLC控制系統作為信息化技術成熟發展的產物，是指通過系統運算，由輸入輸出的接入口來傳輸數字化信息，進而對整個系統進行合理控制。能夠實現信息數據的收集和處理。由于PLC控制系統本身具有強大的數據信息檢索功能，能夠完成在線數據采集，并且應用到具體領域中，能夠針對系統工作出現的異常情況進行合理分析，加強系統的智能化運作水平[1]。

（二）汽車焊裝生產線的基本組成

目前汽車安裝生產線有以下幾部分組成。

其一是傳輸裝置。是指汽車組合部件中的生產線對接，在應用到我國汽車生產領域中至關重要。例如，在某些大型生產廣中，運用這類傳輸裝置，能夠通過空中運輸或連續式懸掛鏈和地面運輸的方式。通過優化傳輸類型，結合施工車間的具體要求，選擇最佳的傳輸方式，不僅能提高汽車生產中的工作效率，也有利于推動這個汽車生產線的發展。

其二是焊裝夾具。隨著我國汽車生產工業規模的不斷擴大，也為汽車行業帶來前所未有的挑戰。而汽車焊裝夾具作為焊裝中的必要設備，也會隨著我國汽車性能和生產自動化水平的提升而不斷完善。目前常用到的焊裝夾具主要是針對焊接薄板的沖壓件進行定位和夾緊，確保各個零部件焊接工藝的順利進行。焊裝夾具也分為手動和自動兩步，部分可根據不同的控制模式選擇[2]。恰當的是夾具方式由定位元件、夾緊元件和支撐機構等部分共同組成。

其三是焊接設備。目前，在我國汽車的整個生產加工中所應用的焊接設備主要以懸掛式點焊機、自動焊為主。這種機械設備具有低能耗、高效率、無毒、無污染等特點，也是今后我國汽車領域生產工作中的主要發展方向和技術進步趨勢。焊接設備在汽車工業領域中能夠實現對整個車身覆蓋件進行分塊連接。

二、基于PLC的汽車焊裝生產線控制系統設計

（一）系統總體概述

基于PLC的汽車焊裝生產線涵蓋了車身、車門、頂蓋、水箱、底板等一系列焊接任務。全球汽車焊裝生產線從傳統的手工焊裝操作到如今的機器人自動化生產，實現了質的飛躍。自動化焊接操作可讓整個汽車焊裝生產線變得更加高效率。汽車焊裝的自動化生產需要由PLC技術加以支撐，才能實現對焊裝機器人的自動化控制，完成汽車焊裝生產任務。因部件焊裝作為整個汽車焊裝生產線中的重要工序，具有程序性和明確性等特點。在安裝中需要采用專門的夾具或零件，安裝在具體位置，緊貼合后進行焊接。由于整個生產線在各個工序上的焊接都是由產品傳輸裝置完成。因此，生產線的系統優化本身是復雜的優化問題。其中生產線流程圖如圖1所示。

通過圖中可以看出，整個生產線功能是由底板生產線處通過升降機設備對車身部件加以運輸，同時，將各個零部件進行焊接，從而完成整個汽車焊裝的全部生產任務。其中AF04110和AF04140為空工位，不能對白車身進行操作。這兩個空位的目的是達到緩沖，提高整個生產效率。隨后，AF04130是通過對機器人進行兩側和后蓋焊點的焊接。其他機器人在焊接中負責激光焊接或檢查和補焊，從而將合格的白車身采用升降機輸送到下一生產線。而本次控制系統的最大目的是提高生產線的工作效率，保持整個過程的安全性和穩定性[3]。

（二）系統功能分析

汽車焊裝工藝涉及到大量的工藝流程和操作步驟，整體呈現復雜性特點，對監控系統具有較高的要求。汽車焊裝生產線是一條獨立性較強的生產線，涉及到非常多的監控系統，該監控系統主要是根據德國大眾最新汽車焊接標準加以設計，從而對整個焊裝生產線進行監控。汽車焊裝生產線的工位數量共計為7個，車身后經由升降機設備將其運輸至該焊裝生產線內，完成該生產線焊裝任務后，再通過運輸系統將其傳送至其他相關生產線。系統中將采用PLC進行控制，作為核心設備，能夠有效調節現場設備中的各類工序，并接收編程設備的配置信息。

其一是人工工位操作。在人工工作位中，工作人員可利用操作面板或相關按鈕進行工位夾裝設備的操作，從而實現對人工工位夾裝設備的手動控制，從而完成相關人工操作任務。工作人員可根據各種指示燈顏色變化來判斷人工工位夾裝設備的狀態，以此來判斷操作任務是否完成。與此同時，PLC技術人員還可運用該系統對人工工位進行模式切換，確保人工操作安全。

其二是自動工位操作。在對自動工位進行操作時，PLC技術人員可通過該系統中的軟件按鍵加以操作，從而實現相關功能，如，升降工位、傳感器狀態查看、切換手動模式等，也可在線進行PLC編程，以滿足自動工位的汽車焊裝需求。

其三是安全功能。對于人工工位，緊急按鈕和安全光柵或安全區域掃描儀能構成對人工工位的安全情況可以進行自動化監控。在汽車焊裝機器人自動化操作期間，工位內部應一直處于封閉狀態，機器人在高速運轉，任何人均不可進入機器人作業范圍內，以免發生危險。為避免人員誤入其中，帶來人身傷害，PLC技術人員會為機器人作業區域設置安全門，當安全門打開時，機器人立刻停止作業，以免相關人員受到傷害，可以起到安全防范的作用。而本次生產線共有7臺滾床，在除了空工位以外，其他滾床均可以自動升降，各個滾床之間會形成連續的車身運輸線。

（三）系統設備選擇

第一點是PLC機器模塊的選擇。隨著汽車企業對汽車安全生產工作重視程度的不斷提升，安全PLC應運而生。自安全PLC興起以來，就能將其應用到安全相關的領域，PLC系統能在條件要求較為苛刻的任務中有效避免潛在風險，營造良好的生產環境[4]。PLC系統具有安全監控的自動化診斷功能，對監測范圍內的安全情況進行全面監控，確保汽車焊裝生產線正常運行。此外，PLC系統還可以對故障安全動作進行有效控制。不僅能滿足國家安全標準的定義要求，還包括警衛、保護、預警、管理等多種內容，確保PLC不會受到外界干擾。在使用PLC系統時，當傳感器獲取機械設備的相關信息后，會進行對應信號的傳遞，系統程序會針對傳遞的信號內容對相關程序內容進行顏色的標記。黃色表示PLC技術人員編寫的程序代碼，綠色表示系統根據用戶需求自動生成的系統化程序，一旦黃色失效時，系統會自動調用綠色系統程序及時處理。此外，本系統采用的是PROFIsafe安全協議，通信冗余模塊，包括數據同步單元、切換單元和策略調整單元，所述數據同步單元用于確保主PLC單元和副PLC單元之間的數據實時同步，實現了對安全PLC通信控制系統的故障監測和健康診斷。借助合適的監控機制，通過雙通道冗余系統結構可以滿足EN61508級別標準SIL3和ENISO13849-1功能等級e的要求。

第二點是現場總線選擇。該技術最早興起于歐洲，目前在歐美地區發展十分成熟，是指在安裝或制造中，進行現場裝置或控制室內的自動裝置之間，形成各個串行或多點通信的數據總線。由于汽車制造工業具有復雜性、多物料性、規模龐大性等特點，為提高各個工藝設備運行的穩定性，減少故障停機時間。則需要加大自動控制力度。以焊裝工藝為例，由于部分施工現場環境較為惡劣，焊接中充斥著焊渣飛濺的現象，這也對設備防護等級的設置提出了更高的要求。再加上施工現場I/0數量眾多且十分分散，不同工位夾具上都有較多的電磁閥需要驅動，這些都要采用信號收集，避免分散等情況。

三、基于PLC的汽車焊裝生產線控制系統設計監控與調試

（一）硬件設計

進行系統硬件設計之前，需要明確整條焊接生產線的工藝流程。結合系統中工位AF04100和AF04110W為例。工作人員需要先建立模糊PID控制系統，可對汽車焊裝生產線機械設備進行自動化控制，如，在本條焊裝生產線中，通過對PLC程序的自動化執行，生產線會自動進行車身的傳輸，依次傳輸至各個焊裝工序，并自動化執行機器人焊裝程序，完成工序任務后，繼續進行車身的運送。此時AF04110為空工位。設置空工位的目的是為了緩解兩個工位之間工作效率較大的差異，并形成緩沖。其中，PLC作為一種模塊化結構，由電源處理器、數字輸入輸出、模擬輸入輸出等多個模塊固定在標準機架上，安裝到控制柜中進行使用[5]。對于現場總線而言，PLC中的CPU模塊會直接與interbus總線模塊相連接。

（二）軟件設計

本生產線控制系統中采用的是TIAPortal編程軟件，是業內首個采用統一的工程組態和軟件項目環境的自動化軟件，借助該全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。用于SIMATIC控制器的新型SIMATICSTEP7V11自動化軟件以及用于SIMATIC人機界面和過程可視化應用的SIMATICWinCC V11 結合具體的生產線工藝流程進行軟件設計時，需要先創建一個項目結構，隨后組態一個站，明確指定所要使用的可編程控制器。隨后進行組態網絡和通訊連接。由于每個項目中的程序都會包括如功能、數據、系統結構等多個部分。其中，傳統的結構化設計思想是指將程序的數據對數據的操作進行分離，但這種情況下可能會導致數據和操作程序之間出現錯誤頻率，影響程序代碼的通用性。

四、結論

總而言之，目前我國越來越多汽車廠家開始采用自動化生產線的工藝，應用到汽車安裝生產中。其中PLC作為核心控制設備，更是成為首選。在不改變生產工藝的同時，通過調整PLC控制系統能夠達到預期的控制要求，無需對于硬件接線做較大改動，不僅能減少繁重的維修工作，更能使得設備控制安全可靠。而本文也基于PLC分析汽車焊裝生產線控制系統設計并進行系統運行，其中發現PLC技術具有良好的應用效果和突出的優勢。在今后更會有廣闊的應用和發展前景。

參考文獻：

[1]桑仁政.汽車底板自動化焊裝生產線的規劃設計探析[J].汽車博覽，2023（1）：1-4.

[2]高勇.汽車焊裝生產線改造的探索與應用[J].汽車實用技術，2023，48（10）：181-186.

[3]趙帥，王樸，王欣.運用約束理論進行汽車焊裝生產線瓶頸工序改善研究[J].中國設備工程，2022（23）：270-272.

[4]盧重瑞.汽車焊裝生產線自動化改造項目管理研究[J].2024（7）：47-49.

[5]楊茂舉，馬立新，林增宇，等.基于PlantSimulation仿真分析汽車焊裝車間生產線緩存數量的方法[J].汽車工業研究，2023（3）：40-43.