1 引言
本項目實施于上汽集團(tuán)在國內(nèi)的生產(chǎn)基地。該生產(chǎn)基地主要從事乘用車、商用車的生產(chǎn)，本項目控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)焊接生產(chǎn)線中主線和合裝工位的自動控制，以及與其他工位的聯(lián)鎖控制。
2 項目設(shè)計
2.1 汽車制造工藝流程
汽車的生產(chǎn)制造由四大工序組成：沖壓、焊接、涂裝和總裝。簡單來說，沖壓工序是完成車身各個部位零部件的加工；焊接工序是完成整個車身零部件的焊接；涂裝工序是完成車身的噴涂；總裝工序是完成發(fā)動機(jī)、座椅、汽車控制系統(tǒng)及內(nèi)飾等的安裝。主線和合裝工位屬于焊接工序，是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。本系統(tǒng)由夾具和電控系統(tǒng)組成。項目簡要工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程簡圖
2.2 自動化裝配工位
(1) under body 1001 stn焊接夾具工位；
(2) under body 1002 stn焊接夾具工位；
(3) main line 2001 stn焊接夾具工位；
(4) main line 2002 stn 焊接夾具工位；
(5) main line 2003 stn 焊接夾具工位；
(6) main buck 合裝 焊接夾具工位；
(7) main line 2004 stn 焊接夾具工位；
(8) main line 2005 stn 焊接夾具工位；
(9) main line 2006 stn 焊接夾具工位；
(10) shutter工位(車身總成搬送機(jī)構(gòu))。
1 引言
本項目實施于上汽集團(tuán)在國內(nèi)的生產(chǎn)基地。該生產(chǎn)基地主要從事乘用車、商用車的生產(chǎn)，本項目控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)焊接生產(chǎn)線中主線和合裝工位的自動控制，以及與其他工位的聯(lián)鎖控制。
2 項目設(shè)計
2.1 汽車制造工藝流程
汽車的生產(chǎn)制造由四大工序組成：沖壓、焊接、涂裝和總裝。簡單來說，沖壓工序是完成車身各個部位零部件的加工；焊接工序是完成整個車身零部件的焊接；涂裝工序是完成車身的噴涂；總裝工序是完成發(fā)動機(jī)、座椅、汽車控制系統(tǒng)及內(nèi)飾等的安裝。主線和合裝工位屬于焊接工序，是焊接生產(chǎn)線的重要組成部分。本系統(tǒng)由夾具和電控系統(tǒng)組成。項目簡要工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程簡圖
2.2 自動化裝配工位
(1) under body 1001 stn焊接夾具工位；
(2) under body 1002 stn焊接夾具工位；
(3) main line 2001 stn焊接夾具工位；
(4) main line 2002 stn 焊接夾具工位；
(5) main line 2003 stn 焊接夾具工位；
(6) main buck 合裝 焊接夾具工位；
(7) main line 2004 stn 焊接夾具工位；
(8) main line 2005 stn 焊接夾具工位；
(9) main line 2006 stn 焊接夾具工位；
(10) shutter工位(車身總成搬送機(jī)構(gòu))。
2.3 電控系統(tǒng)設(shè)計
電控系統(tǒng)完成的主要自動化裝配功能是：汽車地板、發(fā)動機(jī)艙、頂艙和左右側(cè)圍的焊接，以及與其他焊接工位的聯(lián)鎖控制。
電控系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場兩個部分組成。控制系統(tǒng)集中安裝在主控制柜內(nèi)。主控制柜內(nèi)安裝生產(chǎn)線plc控制器及i/o模塊、變頻調(diào)速器、信號端子排、電源單元和其他附屬器件。系統(tǒng)還配有操作面板和觸摸屏，用于電控系統(tǒng)的運行操作和運行狀態(tài)及故障顯示。
控制系統(tǒng)主要完成生產(chǎn)現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的實時采集及監(jiān)控，并按焊裝線的操作時序向生產(chǎn)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。生產(chǎn)現(xiàn)場部分由各個工位上的按鈕臺，現(xiàn)場采集模塊et200eco、現(xiàn)場信號傳感器(行程開關(guān))、驅(qū)動元件(電磁閥)、一套往復(fù)桿機(jī)構(gòu)電機(jī)等組成。這一部分向控制系統(tǒng)提供操作人員的操作信號和各種現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)信號，同時接收來之控制系統(tǒng)的各種控制指令來驅(qū)動電磁閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各個工位的傳感器信號電纜和驅(qū)動元件的控制電纜集中到附近的i/o采集模塊中，再通過profitbus總線同主控制柜plc相連。生產(chǎn)車間如圖2所示。
2.4 分布式自動化平臺
數(shù)字i/o點多而且比較分散，對電氣故障安全性能要求高是汽車生產(chǎn)行業(yè)的特點，針對具體的工藝控制要求，我們提出了一套低成本、結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、高安全性能的控制系統(tǒng)。經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研和周密思考，最終選擇西門子s7-300plc作為控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用cpu 315-2dp作主控制器，總線采用profibus通訊。現(xiàn)場操作臺控制采用et200s擴(kuò)展。現(xiàn)場各個工位的傳感器信號和電磁閥控制采用分布式i/o et200eco模塊。傳送電機(jī)控制部分采用了simens的micromaster 440變頻器，plc通過總線通訊控制電機(jī)的運行速度及運轉(zhuǎn)方向。還有兩套西門子的人機(jī)界面，采用的是mp270b。它們與plc都是通過 profibus進(jìn)行通訊的。最終選定西門子的主要硬件配置如附表所示。
附表 主要硬件配置
3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 西門子s7-300
plc是控制系統(tǒng)的核心，控制的性能，適用性，可靠性和性價比是選型的依據(jù)。本系統(tǒng)的控制要求高穩(wěn)定，高指令處理速度控制。并且要求安裝簡單、維護(hù)方便、擴(kuò)展靈活、組網(wǎng)方便。基于西門子s7-300plc具有如下特點：
(1) 模塊化微型plc系統(tǒng)及功能模塊，滿足中、小規(guī)模的性能要求；
(2) din標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，安裝簡單，布置靈活；
(3) 簡單實用的分布式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，應(yīng)用靈活多變；
(4) 0.6~0.1μs高速的指令處理，功能豐富的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動化控制任務(wù)；
(5)編程軟件step7，結(jié)構(gòu)化程序開發(fā)思想，多種編程語言選擇，編程靈活，高效。組態(tài)軟件wincc，功能強(qiáng)大，畫面豐富，使用方便。完全可以實現(xiàn)本系統(tǒng)的控制功能。
人機(jī)界面的選擇，選用的是西門子的mp270b(規(guī)格：10.4" 640*480 256色)，特點是可靠性高，組網(wǎng)方便，大屏幕，組態(tài)畫面豐富，功能強(qiáng)大，從操作性，易用性，友好性上可以完全滿足用戶的要求。人機(jī)界面主畫面如圖3所示。
圖3 人機(jī)界面i/o檢測點畫
經(jīng)過縝密思考，最終我們選用了西門子s7-300 plc，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展以及與其它廠家西門子系統(tǒng)的互聯(lián)，系統(tǒng)的通訊都采用了profibus，互連采用工業(yè)以太網(wǎng)，cpu選用的是315-2dp，通訊模塊用的是cp343-1 lean和cp342-5。系統(tǒng)的硬件配置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.2 分布式裝配線自動化系統(tǒng)
分布式i/o的選擇，主要是根據(jù)汽車生產(chǎn)行業(yè)數(shù)字i/o點多而且比較分散，對電氣故障安全性能要求高的特點，以安裝簡單，擴(kuò)展靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，防護(hù)等級高，故障安全性能高為選型依據(jù)。系統(tǒng)選用的是西門子的et200s和et200eco分布式i/0。et200s是一種位-模塊式的分布式i/o系統(tǒng)，它集成了siguard安全技術(shù)，精確模塊化的面向功能的站結(jié)構(gòu)，集成了profibus-dp連接的接口模塊，可以在運行中更換使用著的模塊，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡便，靈活性大，以及運行費用較低等特點。et200eco是西門子經(jīng)濟(jì)型的ip65/67的分布式i/o系統(tǒng)，它由profibus接口模塊，m12或ecofast連接件，現(xiàn)場i/o的端子模塊組成。
et200eco具有緊湊型、一體化的設(shè)計，高達(dá)p67的防護(hù)等級，采用了端子模塊和接口模塊分離的設(shè)計，端子模塊上所有的i/o通道都支持短路保護(hù)和過載保護(hù)。同時支持通過profibus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷等特點。硬件組態(tài)畫面如圖5所示。
圖5 工藝流程組態(tài)畫面
3.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計
本系統(tǒng)允許操作者以兩種方式進(jìn)行操作——手動方式和自動方式。設(shè)備啟動前應(yīng)確保plc模塊接線正確，電纜聯(lián)接正確，并且cpu模塊處于run狀態(tài)。設(shè)備啟動(自動方式)，將各主控制柜的“自動／手動”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“自動”位置。按主控制柜上的運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備按鈕，當(dāng)主控柜上的“運轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”指示燈點亮后按主控制柜上的自動啟動按鈕，當(dāng)主控柜上的“自動啟動”指示燈點亮后，設(shè)備啟動(自動方式)完成。
(1) 手動控制：在手動方式下，由操作者在運行條件允許的情況下，手動控制設(shè)備的每一個動作。將主控制柜上的“自動／手動”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動”位置。在“手動”控制狀態(tài)，1001stn、1002stn和輸送機(jī)構(gòu)可通過觸摸屏操作。2001－2006stn操作者可以通過操作臺上的按鈕來操作本工位的動作。在手動控制方式下，當(dāng)滿足以下條件時，可通過按鈕來控制夾具動作。
(2) 自動控制：在自動方式下，由操作者啟動設(shè)備的自動控制程序，由系統(tǒng)自動控制設(shè)備的運行。將主控制柜與各工位上的“自動／手動”轉(zhuǎn)換開關(guān)均置于“自動”位置后按住“自動啟動”按鈕約三秒鐘，系統(tǒng)進(jìn)入自動狀態(tài)，此時若將某工位操作臺上的“自動／手動”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“手動”位置，系統(tǒng)即停止自動運行。在自動控制方式下1001、1002工位上件后可通過工位旁的按鈕操作相應(yīng)夾具動作，其余工位地板夾具當(dāng)車體放好后夾具自動夾緊。每個焊接完成后分別按鈕該工位兩側(cè)的兩個完成按鈕后夾具會自動打開，頂升氣缸自動將車體升起，待所有工位工作完成車體全部頂起后輸送機(jī)構(gòu)自動前進(jìn)將車體整體向前移動一個工位。
(3) cpu故障：當(dāng)cpu的sf指示燈點亮?xí)r，則cpu存在硬件或軟件故障。當(dāng)cpu出現(xiàn)不可處理故障時，cpu轉(zhuǎn)入stop(停止)狀態(tài)，設(shè)備不能運行。cpu故障的處理：關(guān)閉cpu電源，再重新上電；如故障仍然存在，則關(guān)閉cpu電源；接通cpu電源；執(zhí)行復(fù)位cpu寄存器操作；如故障仍存在，則cpu存在硬件故障，更換cpu模塊；重新下裝plc控制程序；將cpu的運行模式置于運行模式。
(4) 直流電源保護(hù)：當(dāng)為plc的數(shù)字量模塊端子提供電源的24v直流電源輸出端出現(xiàn)短路情況時，直流電源可能進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。此時直流電源輸出端電壓急劇降低，無法驅(qū)動系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)直流電源保護(hù)時，需將直流電源輸入端斷開后再重新接通，系統(tǒng)即恢復(fù)正常。
(5) 急停報警：觸發(fā)：當(dāng)按下主按控制柜或任意工位操作面板或按鈕臺上的急停按鈕時，將觸發(fā)急停報警；影響：當(dāng)急停報警觸發(fā)后，所有工位及主控制柜急停報警燈亮，主控柜報警聲音輸出，觸摸屏顯示相應(yīng)報警工位。報警將停止整條生產(chǎn)線設(shè)備的運行；復(fù)位：將各急停按鈕恢復(fù)正常狀態(tài)，并按下主控制柜或任意工位操作面板上的“故障復(fù)位”按鈕，則急停報警信號被清除。
(6)壓力報警：觸發(fā)：在1001、2001、2003、2005工位左側(cè)有個壓力檢測開關(guān)，用來檢測氣壓的大小。當(dāng)無氣壓或氣壓過小時，則壓力檢測開關(guān)發(fā)送信號，觸發(fā)壓力報警。觸摸屏上壓力故障指示燈亮；影響：觸摸屏顯示報警，主控柜報警聲音輸出。報警將停止整條生產(chǎn)線設(shè)備的運行；復(fù)位：壓力狀態(tài)恢復(fù)正常后，按主控柜或任意工位操作面板上的“故障復(fù)位”按鈕，壓力報警信號自動被清除，按啟動順序重新啟動設(shè)備運行；
(7) 限位開關(guān)和電磁閥故障報警：觸發(fā)：當(dāng)控制夾具動作的電磁閥接通時間超過夾具動作所需的時間，而夾具動作到位的限位開關(guān)信號未返回時，或者當(dāng)檢測夾具開、關(guān)的限位開關(guān)信號同時存在時，觸發(fā)限位故障報警，相應(yīng)工位ls故障指示燈點亮；影響：限位開關(guān)故障報警將暫停相關(guān)工位的設(shè)備的動作；原因：氣壓過低導(dǎo)致夾具動作未到位。夾具與工件間的位置偏差導(dǎo)致夾具動作未到位。plc到電磁閥的控制線路故障導(dǎo)致電磁閥未動作。電磁閥故障導(dǎo)致電磁閥未動作。復(fù)位：當(dāng)故障解決后按主控柜或任意操作臺“故障復(fù)位”按鈕，報警狀態(tài)清除。
(8) 傳送電機(jī)報警：觸發(fā)：當(dāng)傳送電機(jī)過載，觸發(fā)變頻器報警；處理：傳送電機(jī)報警將禁止shtl的動作；復(fù)位：當(dāng)過載保護(hù)信號及變頻器故障信號均消失后，按下主控制柜上的復(fù)位按鈕，傳送電機(jī)報警被清除。
(9) 車體落位異常故障：觸發(fā)：在設(shè)備的每個工位有兩個接近開關(guān)，用來檢測車體落位情況。車體落位共三種狀態(tài)：車體落位正常、車體落位異常、無工件。當(dāng)一個接近開關(guān)感應(yīng)到信號而另一個接近開關(guān)沒感應(yīng)到信號這種狀態(tài)達(dá)到三秒示為車體落位異常，該工位車體落位異常故障指示燈亮；影響：該工位車體落位異常故障指示燈亮。該工位動作將停止運行；復(fù)位：車體落位狀態(tài)恢復(fù)正常后，按主控柜或任意工位操作面板上的“故障復(fù)位”按鈕，車體落位異常報警信號自動被清除，按啟動順序重新啟動設(shè)備運行。
4 結(jié)束語
目前，本項目正處在試運行階段，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。程序功能強(qiáng)大，畫面操作友好、靈活、方便。獲得該公司領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的一致好評，深得現(xiàn)場操作人員的喜愛。據(jù)悉，等項目完全運行之后，該公司準(zhǔn)備上二期工程。通過項目的實施和調(diào)試，對西門子的控制系統(tǒng)有了更深層次的把握，對西門子分布式i/o的應(yīng)用有了更深的認(rèn)識。
(1) 西門子的控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大，模塊豐富，組態(tài)靈活，擴(kuò)展方便。
(2)西門子的編程軟件step7，結(jié)構(gòu)化程序開發(fā)思想，多種編程語言選擇，編程靈活，高效。組態(tài)軟件wincc，功能強(qiáng)大，畫面豐富，使用方便。
(3)本系統(tǒng)的優(yōu)點在于采用了profibus通訊和分布式i/o控制的結(jié)構(gòu)模式，不但大大節(jié)省了控制線纜，而且充分發(fā)揮了西門子控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。