基于以太網(wǎng)的防錯(cuò)技術(shù)在汽車底盤裝配線中的應(yīng)用

于娟

(北京市自動(dòng)化工程學(xué)校，北京 100101)

0 引言

掃描防錯(cuò)系統(tǒng)主要承擔(dān)裝配物料與各車型的匹配以及糾錯(cuò)等任務(wù)。不同車型的汽車產(chǎn)品實(shí)施共線生產(chǎn)，這是當(dāng)前汽車制造工業(yè)的實(shí)際需求［1］。在汽車制造過程中，防錯(cuò)系統(tǒng)有著非常重要的意義，如果沒有防錯(cuò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，那么汽車的制造過程就會(huì)導(dǎo)致較低的產(chǎn)品合格率和較高的制造成本。如何實(shí)現(xiàn)掃描防錯(cuò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性和可操作性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的主要問題。

基于以太網(wǎng)的掃描防錯(cuò)系統(tǒng)，主要采用PLC控制，應(yīng)用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和計(jì)算機(jī)管理與監(jiān)控。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，容易實(shí)現(xiàn)，是汽車總裝生產(chǎn)線中典型的防錯(cuò)系統(tǒng)。

1 汽車裝配及底盤裝配線介紹

汽車裝配生產(chǎn)線，一般是由輸送設(shè)備(空中懸掛輸送設(shè)備和地面輸送設(shè)備)和專用設(shè)備(如舉升、翻轉(zhuǎn)、加注設(shè)備、助力機(jī)械手、檢測(cè)、螺栓螺母的緊固設(shè)備等)構(gòu)成的有機(jī)整體，包括一次內(nèi)飾線、二次內(nèi)飾線及底盤裝配線三大主線。底盤裝配線主要完成燃油管、剎車油管、燃油箱、隔熱板、動(dòng)力總成、后橋總成、排氣管、擋泥板等部件的裝配，該裝配過程根據(jù)車型的不同，裝配部件也不同，其中動(dòng)力總成裝配是整個(gè)底盤裝配線中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此對(duì)于防錯(cuò)的要求也很高。

2 防錯(cuò)技術(shù)介紹

防錯(cuò)是一種在工藝過程中識(shí)別和消除人工和自動(dòng)操作錯(cuò)誤的方法，可以通過限位開關(guān)、視覺系統(tǒng)、條形碼系統(tǒng)、智能料架、光電傳感器、機(jī)械防錯(cuò)等多種方式實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用于汽車制造過程的防錯(cuò)技術(shù)主要有以下幾類［2］:

(1)定性的防錯(cuò)

通過圖像識(shí)別技術(shù)，光電傳感器、限位開關(guān)、接近開關(guān)等檢測(cè)設(shè)備的邏輯判斷控制等完成防錯(cuò)的目的，主要應(yīng)用場(chǎng)合有:傳感器感應(yīng)檢測(cè)、加工孔探測(cè)、導(dǎo)向擋塊、光柵防錯(cuò)和夾具防錯(cuò)［3］。

(2)定量的防錯(cuò)

通過探測(cè)用的感應(yīng)傳感器或是其它測(cè)量技術(shù)檢測(cè)不同車型中差異較大的零部件參數(shù)，從而來達(dá)到防錯(cuò)的目的［4］。

(3)顫動(dòng)功能的防錯(cuò)

通過顫動(dòng)機(jī)的顫動(dòng)功能使得零部件根據(jù)位置方向的正確與否進(jìn)入不同的軌道。當(dāng)供料零件在顫動(dòng)機(jī)的驅(qū)使下進(jìn)行輸送，到達(dá)判別零件方向時(shí)，只有正確的位置與方向，零件才能進(jìn)入送料軌道;如果位置或方向有一個(gè)錯(cuò)誤的情況，則零部件會(huì)重新掉入供料箱，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)防零部件進(jìn)給錯(cuò)誤的方向時(shí)給后續(xù)工位帶來不可避免的錯(cuò)誤［5］。

(4)物料防錯(cuò)

物料防錯(cuò)包括使用掃描槍、色標(biāo)、分區(qū)域等措施實(shí)現(xiàn)工件的分類存儲(chǔ)、有方向性的擺放以及預(yù)防工件的相互碰撞，確保加工零件的表面質(zhì)量［6］;

(5)人工防錯(cuò)

人工防錯(cuò)包括建立標(biāo)準(zhǔn)的操作流程和范圍、工件目檢及在線測(cè)量糾錯(cuò)等措施，把工件在加工中及原材料本身存在缺陷的問題提早發(fā)現(xiàn)，把不合格的工件剔除出來;對(duì)生產(chǎn)過程中不同類型的工件(如成品、待制品、待處理品、料廢、工廢)手動(dòng)掛上不同顏色的標(biāo)簽進(jìn)行防錯(cuò)等。

3 掃描防錯(cuò)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

(1)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)應(yīng)用在汽車總裝車間的底盤裝配線，掃描防錯(cuò)系統(tǒng)是在動(dòng)力總成裝配的第一個(gè)工位安裝防錯(cuò)系統(tǒng)，防錯(cuò)系統(tǒng)主要由條碼輸入單元、數(shù)據(jù)處理單元和上位監(jiān)控單元組成，系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

底盤裝配線中的S7-300型PLC作為該條生產(chǎn)線中不同工位的控制器，負(fù)責(zé)整體生產(chǎn)線的運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)的目的，該防錯(cuò)系統(tǒng)采用西門子S7-400 PLC作為主站，首先對(duì)正常生產(chǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，然后通過數(shù)據(jù)輸入單元對(duì)每個(gè)裝配部件進(jìn)行條碼掃描，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)生產(chǎn)信息和條碼信息進(jìn)行比對(duì)判斷，然后將判斷信息在上位機(jī)進(jìn)行顯示，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作工進(jìn)行生產(chǎn)指導(dǎo)，從而完成防錯(cuò)目的。

(2)系統(tǒng)中各單元的控制

數(shù)據(jù)輸入單元實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各裝配部件條碼的實(shí)時(shí)掃描，主要包括Symbol DS3578-SR掃描槍、KTP1000觸摸屏、ANYBUS掃描槍接口單元等組成。當(dāng)待裝配的部件進(jìn)入到本工位，操作工通過掃描槍對(duì)部件進(jìn)行掃描，條碼信息通過掃描槍接口單元進(jìn)入到主站系統(tǒng)，同時(shí)在觸摸屏上也會(huì)將掃描信息實(shí)時(shí)顯示出來，如果操作工發(fā)現(xiàn)掃描條碼信息有誤，還可以通過觸摸屏上的手動(dòng)輸入功能對(duì)已經(jīng)掃描的信息進(jìn)行更正，保證部件信息的正確性。

數(shù)據(jù)處理單元主要在S7-400主站中實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)底盤裝配線的實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，判斷當(dāng)前工位的車型信息、顏色以及車身編號(hào)，由于生產(chǎn)過程是多種車型混合生產(chǎn)，這就要求數(shù)據(jù)處理過程是對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)線上所有工位的車型進(jìn)行同時(shí)判斷，為了解決這一問題，數(shù)量處理單元首先對(duì)所有工位信息單獨(dú)存儲(chǔ)、單獨(dú)運(yùn)算，在車輛信息到達(dá)時(shí)，立即對(duì)當(dāng)前信息進(jìn)行刷新，同時(shí)與上一個(gè)工位進(jìn)行比對(duì)，保證車輛運(yùn)行的連續(xù)性。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入單元的信息也同時(shí)到達(dá)時(shí)，立即需要判斷信息的來源，然后根據(jù)信息來源將到達(dá)的信息與指定存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，及時(shí)將判斷信息在上位機(jī)中顯示出來，指導(dǎo)操作工裝配過程是否正確。

(3)掃描防錯(cuò)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

掃描防錯(cuò)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用CIMPLICITY軟件進(jìn)行開發(fā)的，由于上位機(jī)軟件和西門子PLC的不兼容，需要通過第三方軟件KEPSEVER的OPC協(xié)議進(jìn)行通訊。

上位機(jī)要求一方面實(shí)時(shí)顯示各個(gè)工位當(dāng)前車身的車型、顏色以及編號(hào)等信號(hào)，還要實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線生產(chǎn)的各種狀態(tài)以及每個(gè)工位的拉繩狀態(tài)及報(bào)警信息。

另一方面，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各個(gè)工位的操作工裝配狀態(tài)進(jìn)行提示，發(fā)現(xiàn)裝配部件與車身信息不匹配時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，立即停止當(dāng)前線的生產(chǎn)任務(wù)，當(dāng)錯(cuò)誤信息消除后報(bào)警才能復(fù)位。

4 以太網(wǎng)原理、組成及運(yùn)行流程

(1)以太網(wǎng)的通信原理及系統(tǒng)組成

以太網(wǎng)是指遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，可以在光纜以及雙絞線等媒介上傳輸?shù)囊环N網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)的核心是OSI參考模型。該模型自下而上分別為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層以及應(yīng)用層［7］。

工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對(duì)制作業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，將以太網(wǎng)高速傳輸技術(shù)引入到工業(yè)控制領(lǐng)域，使得企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)提供的技術(shù)進(jìn)入生產(chǎn)和過程自動(dòng)化。西門子通過SIMATIC NET提供了開放的適用于工業(yè)環(huán)境的各種控制級(jí)別的不同的通信系統(tǒng)，包括組成通信網(wǎng)絡(luò)的媒介、組件及傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和服務(wù)以及用于連接PLC或PC的通信模板。

典型的西門子工業(yè)以太網(wǎng)的PLC通信系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)通信的PLC系統(tǒng)

(2)以太網(wǎng)運(yùn)行原理

西門子工業(yè)以太網(wǎng)上可以運(yùn)行的服務(wù)有:標(biāo)準(zhǔn)通信、S5兼容通信、S7通信和PG/PC通信。其中比較常用的服務(wù)是S7通信，它可以不斷地重復(fù)接收數(shù)據(jù)來保證網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的正確。在SIMATIC S7中，通過組態(tài)建立S7連接來實(shí)現(xiàn)S7通信。在PC上，S7通信可以通過SAPI-S7接口函數(shù)或OPC來實(shí)現(xiàn)。在STEP7中，S7通信需要調(diào)用功能塊SFB，最大通信數(shù)據(jù)達(dá)到64 KB。

(3)西門子以太網(wǎng)通訊

S7-400系列PLC一般通過CP443-1模塊實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的連接。CP443-1模塊支持PROFINET IO控制器、PROFINET CBA、S7通信、開放式TCP/IP通信、IT功能等。

為了提高防錯(cuò)系統(tǒng)的管理和運(yùn)行效率，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)。當(dāng)車身達(dá)到工位時(shí)，條碼信號(hào)和底盤裝配線上的生產(chǎn)信息通過以太網(wǎng)存儲(chǔ)在S7-400主站中，同時(shí)主站將信息進(jìn)行比對(duì)，然后將比對(duì)結(jié)果顯示在上位機(jī)中，完成防錯(cuò)工作。

本系統(tǒng)中使用的以太網(wǎng)包括兩種通信方式，一種是用于采集掃描槍數(shù)據(jù)的PROFINET IO控制器，另一種是用于采集S7-300控制器數(shù)據(jù)的S7通信。PROFINET IO控制器在使用時(shí)直接使用硬件組態(tài)進(jìn)行連接，而S7通信則通過調(diào)用功能塊SFB13、SFB14來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC之間的通訊，需要在同一個(gè)項(xiàng)目里做好兩套PLC的硬件組態(tài)，分配好IP地址，打開NetPro，選擇其中一個(gè)PLC，雙擊連接列表上的空白行，添加一個(gè)S7 connection，選擇連接的另一個(gè)PLC，通訊雙方的其中一個(gè)站為Client端，激活“Es-tablish an active connection”的選項(xiàng)(默認(rèn)是激活的)。這樣NetPro的配置就完成了。調(diào)用SFB13、SFB14實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要注意“REQ”信號(hào)需要上升沿觸發(fā)才開始發(fā)送和接收的工作，“ID”是指連接ID號(hào)，也就在NetPro組態(tài)時(shí)生成的ID號(hào);“SD_1”是指發(fā)送的開始地址，以P#x.x byte xxx來表示，其中“BYTE”后面的數(shù)字代表傳輸數(shù)據(jù)的大小(BYTE)［8］。

PLC控制器與上位機(jī)軟件CIMPLICIYT之間的通訊則需要通過OPC服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)使用的OPC服務(wù)器是KepServer軟件。在KepServer軟件中，需要新建一個(gè)通道，然后選Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動(dòng)，然后再新建一個(gè)設(shè)備，也就是與之相通訊的PLC，其中類型一項(xiàng)需要選擇為“S7-400”，ID地址則需要填寫為S7-400型PLC的實(shí)際地址(如172.168.0.1)。為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)的采集，在設(shè)備中需要建立與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)目，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)目均需要一個(gè)獨(dú)立的名字以及相應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)類型，如監(jiān)控當(dāng)前底盤線的產(chǎn)量，則需要建立一個(gè)整數(shù)類型的數(shù)據(jù)，名稱為“Total_quantity”，地址為“DB100，D1000”，數(shù)據(jù)類型為“DWORD”，讀寫方式為“READ/WRITE”，掃描周期為100 ms。

在CIMPLICITY軟件中，在現(xiàn)有的工程中新建一個(gè)通信端口，類型為“OPC Client”，為了實(shí)現(xiàn)與PLC數(shù)據(jù)采集的同步，也需要建立一個(gè)“Device”，通信方式為“OPC Client”，地址為 OPC服務(wù)器的名字(Kepware.KepServerEX.V4)，然后就需要建點(diǎn)，并與OPC服務(wù)器KepServer中的數(shù)據(jù)類型一致，如對(duì)應(yīng)產(chǎn)量顯示的數(shù)據(jù)點(diǎn)，名稱也可為“Total_quantity”，然后選擇數(shù)據(jù)類型。在彈出“Point Properties窗口”中寫入數(shù)據(jù)標(biāo)簽的描述、Resource和地址。地址可以從KepServer服務(wù)器中直接選擇。在Cimplicity中測(cè)試點(diǎn)是否連接上，右鍵點(diǎn)擊Points選擇“Point Control Panel”窗口，如果點(diǎn)連上了則顯示實(shí)際數(shù)值，沒有連接上則是顯示“＊＊＊”。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程

系統(tǒng)的流程主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)是用于以太網(wǎng)通信的功能模塊，另一個(gè)是用于數(shù)據(jù)處理的功能模塊。

為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)使用系統(tǒng)自帶的時(shí)鐘脈沖來循環(huán)調(diào)用SFB功能模塊，具體實(shí)現(xiàn)的程序如圖3所示。防錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。

圖3 以太網(wǎng)通信程序段

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

6 結(jié)束語

掃描防錯(cuò)系統(tǒng)的應(yīng)用，保障了汽車底盤裝配線關(guān)鍵工件的裝配正確性，通過以太網(wǎng)技術(shù)使得這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。該系統(tǒng)可為其它類似系統(tǒng)的控制提供借鑒作用。

［1］何卓.防錯(cuò)技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用［J］.汽車工藝與材料，2013，28(10):50-53.

［2］龐振澤，鄭國榮，江祿曉，等.汽車總裝生產(chǎn)線物料防錯(cuò)技術(shù)［J］.汽車工藝與材料，2013，28(2):31-33.

［3］黎海萍.視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線上的防錯(cuò)應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2011，39(3):141-143.

［4］趙華堅(jiān)，奚立峰.應(yīng)用防錯(cuò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量零缺陷［J］.工業(yè)工程與管理，2002，7(4):46-49.

［5］周志堅(jiān).防錯(cuò)技術(shù)在汽車減震器裝配中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2003，26(5):82-83.

［6］梁勇.基于條形碼技術(shù)的生產(chǎn)過程防錯(cuò)監(jiān)控系統(tǒng)［D］.廣東:廣東工業(yè)大學(xué)，2007.

［7］崔堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［8］王永華.現(xiàn)代電氣及可編程控制技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001.