基于PLC的汽車裝配擰緊測控系統(tǒng)設(shè)計

孫 冰 ，謝利理 ，樊京路

（西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

螺紋聯(lián)接由于簡單可靠、拆卸方便，而廣泛應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域的生產(chǎn)裝配中。在汽車行業(yè)不斷發(fā)展的今天，螺紋聯(lián)接的精確性、安全性、穩(wěn)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(fā)動機主軸承蓋螺栓擰緊、發(fā)動機氣缸缸蓋螺栓擰緊、發(fā)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(shè)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(wěn)定性和可靠性，提升汽車裝配的生產(chǎn)效率和自動化水平。文中設(shè)計一套較完整的汽車裝配擰緊設(shè)備測控系統(tǒng)，可以有效的保證汽車擰緊過程中的穩(wěn)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(tǒng)構(gòu)成

擰緊設(shè)備由擰緊軸和軸控單元組成，擰緊軸由馬達、信號預(yù)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(yīng)變片式傳感器，安裝在工具的環(huán)形齒輪上，同步測量相對應(yīng)作用在緊固件上的扭矩。信號預(yù)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(zhuǎn)換器變成數(shù)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(qū)動功能，用來驅(qū)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(shù)據(jù)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(shù)字化信號經(jīng)放大后傳遞給CPU，CPU根據(jù)設(shè)置的參數(shù)與反饋的數(shù)字信號進行計算并發(fā)出指令控制電機啟停和轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)接口等。在驅(qū)動功能中，驅(qū)動模塊將其軸控單元的輸入電壓轉(zhuǎn)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(qū)動模塊對擰緊軸中電機的轉(zhuǎn)向進行控制，對轉(zhuǎn)速進行PWM 調(diào)節(jié)，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(jiān)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(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 測控系統(tǒng)組成

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

SIEMENS S7-300系列317-2DP型CPU帶有512K工作內(nèi)存可以大量程序的存儲空間，內(nèi)有一個接口MPI/DP可以與其他設(shè)備以12MB/S的速度通訊，設(shè)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(yīng)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(chǎn)中的大量數(shù)據(jù)的處理時間。CP343-1通訊模塊實現(xiàn)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(tǒng)自身的功能要求和環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Testing system structure diagram

2.2 測控軟件設(shè)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(tài)軟件WinCC 6.0，利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)Wincc與S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)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(shè)計如下，在Blocks里建立組織塊（OB）、調(diào)用功能塊（FC）、功能塊（FB）、系統(tǒng)功能塊進行模塊化編程[2]，在OB1里調(diào)用FC功能塊程序，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用結(jié)構(gòu)化編程和分布編程配合使用，F(xiàn)C1000功能塊程序診斷檢測Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點通斷。PLC數(shù)字量模塊采集從擰緊設(shè)備傳感器發(fā)出的電阻信號經(jīng)FB2、FB4程序計算后儲存到DB塊里．再由上位機來監(jiān)測；FC10程序塊檢測擰緊設(shè)備保護設(shè)備，擰緊設(shè)備共有4個故障識別地址。每個故障識別地址有故障發(fā)生時，如錯擰或漏擰時，故障信號經(jīng)由PLC控制箱中的編碼器電路板，再送入PLC數(shù)字量輸入塊。把故障識別地址存入DB數(shù)據(jù)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(shè)備的功能互鎖，并且能與上位機Wincc之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Program structure diagram

2.3 上位機WINCC組態(tài)設(shè)計

西門子公司的WinCC組態(tài)軟件適合于各個行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng)，用于在生產(chǎn)和過程自動化環(huán)境中實現(xiàn)可視化和過程控制任務(wù)。WinCC組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。

WinCC 6.0中使用的存儲數(shù)據(jù)庫是Microsoft SQL Server 2005，提供組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)， 利用DAO、OLE、DB、ODBC、WinCC OLE—DB和ADO使歸檔數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提供了便利。它的優(yōu)勢是畫面更新高速性、數(shù)據(jù)通信高效性。同時它也能夠提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、圖形顯示、報警功能和報表模塊。

2.3.1 狀態(tài)監(jiān)測模塊

在狀態(tài)監(jiān)測模塊中，通過使用WinCC圖形編輯器可以直接實現(xiàn)全況顯示，機構(gòu)運行狀態(tài)報告、擰緊狀況及擰緊參數(shù)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(fā)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(guān)、報警變量等開關(guān)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(yīng)的背景色分別為綠/灰。用戶可以通過監(jiān)控畫面中的元件狀態(tài)掌握系統(tǒng)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(xiàn)了信息備份，為設(shè)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(yù)加工、表達式、確認及歸檔等消息。在組態(tài)期間，需要對整個過程中會出現(xiàn)一些應(yīng)觸發(fā)事件進行明確說明，例如，自動化系統(tǒng)中的特定位的設(shè)置，過程值與預(yù)定義值差值的最大相差值。

系統(tǒng)的組態(tài)也要分步進行。首先，在報警編輯器中完成故障變量的組態(tài)。然后將報警控件添加至圖形編輯器中，這樣就實現(xiàn)了故障報警與故障控件的有效結(jié)合，使故障信息及時通過故障控件顯示。如圖3所示， WINCC監(jiān)控界面中的“ALARM”按鈕，頁面自動跳轉(zhuǎn)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(nèi)部設(shè)置的點，也可以是外部I/O點。可以看出，目前設(shè)備有2個報警：光電開關(guān)觸發(fā)時間為1s或者更長、設(shè)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(shù)據(jù)記錄模塊

這一模塊不僅實現(xiàn)了對設(shè)備以及備件的信息記錄，也記錄了設(shè)備運行狀態(tài)以及服務(wù)器后臺執(zhí)行設(shè)備維護提示及報警。

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

1)在控制面板中，查找管理工具下，選擇數(shù)據(jù)源ODBC，啟動ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

2)點擊“系統(tǒng)DSN”選項，進入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁面，點擊“添加”選項，打開“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對話框，在驅(qū)動程序列表中，選擇SQL Server，然后點擊完成。

3)在打開的“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)А贝翱谥?，輸入?shù)據(jù)源名稱、說明和SQL Server服務(wù)器名稱，之后按步驟進行完成，測試數(shù)據(jù)庫cms連接成功。接著根據(jù)擰緊設(shè)備信息，通過VB腳本編寫程序。用戶隨時可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù)庫，并在需要的時候根據(jù)具體情況查詢報表。同時，當設(shè)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(chǎn)信息及作業(yè)統(tǒng)計查詢在報表生產(chǎn)模塊中完成，如，各工位的擰緊數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)角和扭矩，各擰緊工位的數(shù)量。在必要時，也可以將各個擰緊機工位的數(shù)據(jù)打印成表格以便使用。采用VBScript腳本與SQL Server 2005采集作業(yè)數(shù)據(jù)，然后存入自定義數(shù)據(jù)庫，通過報表畫面查詢或者打印數(shù)據(jù)[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(yè)下拉菜單中選擇。顯示在Excel控件上選取的數(shù)據(jù)，打印報表，刪除選取的數(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)源C腳，設(shè)置SQL語句建立模板，然后選擇Print Job選項，新建打印作業(yè)，例如，建立名為“zuoye”的新作業(yè)，主題為“打印作業(yè)情況/天”。點擊新作業(yè)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(shù)據(jù)導出界面Fig. 4 Tigtening data exporting interface

2.4 測控系統(tǒng)實現(xiàn)流程

測控系統(tǒng)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(diào)用各個子程序、設(shè)置報警信息等對系統(tǒng)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(shè)置參數(shù)檢測[6]。初始化子程序主要完成了擰緊設(shè)備啟動程序、PLC數(shù)據(jù)采集、處理及HMI監(jiān)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(tǒng)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(shè)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(shè)置了相應(yīng)的標識位。擰緊機參數(shù)檢測主要由PLC[7-8]去完成的，PLC檢測到相應(yīng)的信號后，可以提醒報警設(shè)備及時做出相應(yīng)的反應(yīng)，工作流程如圖5所示。

3 運行結(jié)果

監(jiān)控畫面分為3個部分：總覽部分、現(xiàn)場畫面部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統(tǒng)標示符、畫面標題、車號選擇；在現(xiàn)場部分顯示各個機構(gòu)畫面、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)報表畫面；在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個圖面設(shè)計如圖6所示。

4 結(jié)束語

采用西門子S7-300 PLC和擰緊設(shè)備的通訊，控制擰緊機按照設(shè)定參數(shù)完成擰緊工作，利用WINCC作為上位機，完成實時的監(jiān)控和操作，性能穩(wěn)定，使用靈活方便，充分發(fā)揮各個技術(shù)優(yōu)勢，使其功能變的強大。保證了裝配的質(zhì)量和效率，應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Design of monitoring system structure diagram

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[5] 朱曉會．基于PLC和Wincc的塔機智能監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[D].濟南:山東建筑大學,2012.

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