基于Profibus的汽車PVC膜自動噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳覺曉 周凌毅

同濟(jì)大學(xué) 上海市 200092

為提高PVC抗石擊膜的噴涂產(chǎn)量與噴涂質(zhì)量，上海通用提出了以西門子S7-400 PLC為控制器，F(xiàn)ANUC機(jī)器人為執(zhí)行器，基于PROFIBUS工業(yè)現(xiàn)場總線通信的自動化PVC膜噴涂系統(tǒng)解決方案，并立項(xiàng)為Anti-chip項(xiàng)目。整個自動噴涂系統(tǒng)由七個子系統(tǒng)組成。七個子系統(tǒng)各司其職，相互配合完成整個工位的作業(yè)。每一個子系統(tǒng)有自己的控制器，如何利用PROFIBUS現(xiàn)場總線對所有設(shè)備進(jìn)行分布式控制并達(dá)到自動化噴涂的目的。

1 自動噴涂系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動涂膠系統(tǒng)應(yīng)為分布式的控制結(jié)構(gòu)，分布式節(jié)點(diǎn)包括輸送鏈、機(jī)器人、視覺檢測子系統(tǒng)、涂膠工藝控制子系統(tǒng)、供排風(fēng)子系統(tǒng)、人機(jī)界面子系統(tǒng)和安全子系統(tǒng)等七個節(jié)點(diǎn)[1]。除此之外，還需要一個能自動協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，暫稱為主控節(jié)點(diǎn)。其中視覺檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)定位車身在滾床上的位置、定位噴涂區(qū)域的位置及識別車型，機(jī)器人負(fù)責(zé)噴涂，輸送鏈負(fù)責(zé)傳遞車身，涂膠工藝控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制PVC膠的噴涂壓力和供料溫度，供排風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)施噴涂環(huán)境控制，人機(jī)界面子系統(tǒng)提供良好的用戶界面，安全系統(tǒng)確保自動化系統(tǒng)的安全性。多個子系統(tǒng)形成分布式的控制架構(gòu)，由一條總線、一套總線通信協(xié)議來整合系統(tǒng)的信號交換和協(xié)調(diào)工作。

在自動涂膠過程中，應(yīng)順序完成下述操作：

第一步，車輛駛?cè)?。車輛停在輸送鏈上后，輸送鏈啟動，使車輛以一定速度進(jìn)入工作區(qū)域[2]。

第二步，車身定位。視覺檢測子系統(tǒng)監(jiān)控車輛。當(dāng)車輛到達(dá)噴涂工位后，輸送鏈停止運(yùn)行。機(jī)械定位夾啟動并鎖緊車身，以防車輛在作業(yè)時移動。

第三步，車型識別。視覺檢測子系統(tǒng)照相識別車型信息，并獲得車型的數(shù)模參數(shù)。

第四步，位置測量。通過照片與車型原始數(shù)模的對比，獲得當(dāng)前車輛的車體尺寸和位置信息。

第五步，仿形運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)車型運(yùn)行不同的仿形，以獲得涂膠區(qū)域。

第六步，噴涂及工藝控制。機(jī)器人開始涂膠，工藝控制子系統(tǒng)同時控制涂膠的壓力與溫度。

第七步，噴涂結(jié)束。機(jī)器人節(jié)點(diǎn)輸出涂膠消耗量，人機(jī)界面子系統(tǒng)根據(jù)反饋的涂膠消耗量判斷涂膠工序是否正常。

第八步，報警及結(jié)果反饋。在人機(jī)界面子系統(tǒng)中反饋噴涂結(jié)果，如有故障則報警。

第九步，車輛駛離。機(jī)械定位夾打開，輸送鏈啟動令車輛駛離工位。

所有信息必須通過現(xiàn)場總線傳遞。目前，全球最大的幾家電氣公司都開發(fā)出了屬于自己的現(xiàn)場總線類型，比較常見的有PROFIBUS、Modbus、CAN、DeviceNet。

據(jù)分析得知，PROFIBUS的通信速率最高。在機(jī)器人噴涂的全自動化系統(tǒng)中，為了保證控制的實(shí)時性通常會將通信速率設(shè)定在1Mbps以上。并且機(jī)器人噴涂車間內(nèi)其它原有設(shè)備都是通過PROFIBUS現(xiàn)場總線來實(shí)施控制的，因此，自動噴涂系統(tǒng)最終選擇PROFIBUS現(xiàn)場總線來完成節(jié)點(diǎn)間的通信。

PROFIBUS支持主從模式。自動涂膠系統(tǒng)的主站選為圖2.2中所示的主控節(jié)點(diǎn)。目前自動化生產(chǎn)線上，工控PC機(jī)和PLC都有作為PROFIBUS主站的案例。但與PLC設(shè)備相比，工控PC機(jī)的缺點(diǎn)在于：

（1）普及程度低。從應(yīng)用軟件上來講，雖然目前市面上的工控機(jī)都具有比較成熟的編程軟件，但從自動化系統(tǒng)的普及度而言，西門子和三菱的PLC仍是主流。（2）組態(tài)文件支持差[3]。市場上大多數(shù)的硬件商對于主流PLC都有相匹配的設(shè)備和組態(tài)文件支持，工控機(jī)的支持比較差，使用通用的組態(tài)文件將會缺失部分特殊功能。（3）成本較高。車間原有設(shè)備均采用PLC實(shí)施控制，若選用工控PC機(jī)為主機(jī)則需專門購買工控PC機(jī)的備件。

因此，從目前的市場占有率、開發(fā)商的設(shè)備匹配度以及與周邊設(shè)備的一致性方面考慮，本系統(tǒng)選用車間內(nèi)使用率最高的西門子S400系列PLC作為主站設(shè)備。

生產(chǎn)制造的瓶頸催生了全新的對車身外表面實(shí)施自動化噴涂的需求。為了滿足不同子系統(tǒng)間的通信要求，推動了現(xiàn)場總線在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過分析自動涂膠系統(tǒng)的需求，確定了其節(jié)點(diǎn)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并確定選用PROFIBUS進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的互連，而主控節(jié)點(diǎn)將選擇西門子S400系列PLC實(shí)現(xiàn)。接下來將詳細(xì)研究如何將各自獨(dú)立的不同系統(tǒng)整合在一起，最終設(shè)計(jì)完成一套自動化的噴膜系統(tǒng)。

圖1

2 PROFIBUS協(xié)議設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

自動涂膠系統(tǒng)屬于現(xiàn)場設(shè)備級，主要由兩臺智能可編程機(jī)械臂及涂膠工藝實(shí)時控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)全自動化的自動涂膠[4]。自動涂膠系統(tǒng)由傳送鏈子系統(tǒng)、視覺檢測子系統(tǒng)、機(jī)器人子系統(tǒng)、安全子系統(tǒng)、涂膠工藝子系統(tǒng)、供風(fēng)子系統(tǒng)和人機(jī)界面子系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)的主站是西門子PLC，除安全子系統(tǒng)外，其它六個子系統(tǒng)作為從站配合完成作業(yè)，站與站之間通過PROFIBUS現(xiàn)場總線通信。安全子系統(tǒng)與系統(tǒng)安全相關(guān)，必須通過現(xiàn)場物理硬線連接來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)如1所示。

作為自動涂膠系統(tǒng)的“大腦”，主站PLC的要求是：

（1）具有功能完備、速度快的CPU，能處理整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；（2）具有PROFIBUS現(xiàn)場總線通信模塊，并能進(jìn)行診斷中斷；（3）具有與上位機(jī)通信的工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊。

根據(jù)上海通用生產(chǎn)車間歷來的設(shè)備使用狀況，自動涂膠系統(tǒng)的主站選用西門子S7-400系列PLC。它能支持兩路PROFIBUS總線，可用作網(wǎng)關(guān)?？紤]到輸送鏈子系統(tǒng)和供風(fēng)子系統(tǒng)均使用大功率變頻器，高頻開關(guān)的使用對PROFIBUS的信號有很強(qiáng)的干擾，如果現(xiàn)場走線和屏蔽不合理的話很容易影響總線信號的傳遞，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障或癱瘓。利用網(wǎng)關(guān)的優(yōu)勢可將大功率設(shè)備進(jìn)行隔離，防止變頻器這種大功率、高開關(guān)頻率設(shè)備對信號的影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此整個網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個子網(wǎng)，子網(wǎng)1包含與自動化噴涂密切相關(guān)的Fanuc機(jī)器人子系統(tǒng)、ISRA視覺檢測子系統(tǒng)、Beckhoff涂膠工藝控制子系統(tǒng)和HMI人機(jī)界面子系統(tǒng)，子網(wǎng)2包含涂膠輔助部分，即傳送鏈子系統(tǒng)和供風(fēng)子系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

為了保證數(shù)據(jù)的傳輸速度，兩個子網(wǎng)的波特率設(shè)置為1.5Mbps，該速率下信號傳輸在200米范圍內(nèi)不會有很大衰減[5]。

系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時，車輛在進(jìn)口滾床上等待，主站核對工藝系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒，安全聯(lián)鎖正常后允許車輛進(jìn)入。車輛以設(shè)定好的速度行駛至機(jī)器人旁并通過鎖定裝置固定。車輛就位后，視覺系統(tǒng)通過拍照獲得車輛的偏差量，經(jīng)過計(jì)算判斷車輛在合理的偏差范圍內(nèi)后將偏差量反饋給主機(jī)，由主站轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)器人。機(jī)器人得到偏移量數(shù)據(jù)后，通過握手信號反饋給主站偏移量已得到且噴涂準(zhǔn)備就緒。主站核對機(jī)器人準(zhǔn)備就緒、工藝系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒后發(fā)出啟動噴涂命令。涂膠過程中，機(jī)器人與工藝系統(tǒng)共同配合，保證涂膠過程的進(jìn)行。涂膠結(jié)束后，主站通過機(jī)器人反饋的報警以及工藝系統(tǒng)的流量統(tǒng)計(jì)和報警等信息判斷涂膠結(jié)果是否正常，正常后允許車輛駛離機(jī)器人區(qū)域并且允許下一輛車進(jìn)入。在整個過程中，安全子系統(tǒng)和供風(fēng)子系統(tǒng)共同保障整個系統(tǒng)的安全和環(huán)境，而操作人員通過人機(jī)界面對整個過程進(jìn)行監(jiān)控和故障響應(yīng)[6—7]。

3 結(jié)語

隨著自動化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)在汽車行業(yè)內(nèi)的滲透與發(fā)展，工業(yè)自動化和機(jī)器人技術(shù)為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域提供了巨大的機(jī)遇[8]。本課題在充分了解汽車裙邊涂膠自動化流水線與新工藝結(jié)合的需求基礎(chǔ)上，確定了建設(shè)以PROFIBUS為通信基礎(chǔ)，以西門子PLC為控制核心的工業(yè)機(jī)器人自動化涂膠系統(tǒng)，從硬件和軟件，主體和從屬多方面闡述了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。