汽車駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)軟件開發(fā)

盧 磊，桂兵昌，覃光許，何耀華，王志威，李魏魏

(1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007)

駐車制動自動調(diào)整系統(tǒng)用于汽車總裝生產(chǎn)線上駐車制動系統(tǒng)的調(diào)整，其作用是取代人工調(diào)整，自動完成調(diào)整、檢測等工序[1-2]。傳統(tǒng)的車輛駐車制動器調(diào)整為人工調(diào)整，很難滿足企業(yè)對于調(diào)整結果一致性的需求。因此，研發(fā)符合汽車總裝生產(chǎn)要求的駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車駐車制動系統(tǒng)裝調(diào)生產(chǎn)的自動化是一種必然趨勢和客觀需要，是解決人為因素對汽車駐車制動裝調(diào)質(zhì)量影響的重要途徑[3-5]。

自動裝調(diào)不受操作者主觀因素影響，裝調(diào)精度更高。為了實現(xiàn)自動裝調(diào)功能，需針對系統(tǒng)硬件組成進行需求分析，尋求合適的控制方法，完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，實現(xiàn)自動裝調(diào)系統(tǒng)各模塊的功能，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

1 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)分析

1.1 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)硬件組成

駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)硬件部分由控制設備，駐車制動手柄操縱機構，調(diào)整螺母擰緊機構，數(shù)據(jù)采集和處理裝置以及輔助機構組成[6-7]。PLC與搭載LabVIEW的工控機為系統(tǒng)的控制設備，工控機作為上位機，實時監(jiān)控PLC的運行狀態(tài)，PLC主要負責伺服電機的運動控制；駐車制動手柄操縱機構與調(diào)整螺母擰緊機構協(xié)同工作來完成裝調(diào)流程；數(shù)據(jù)采集和處理裝置由扭矩傳感器、變送器組成，共同完成裝調(diào)過程中的信號采集和處理工作；輔助機構負責輔助其他裝置完成相應功能。

1.2 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)需求分析

駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)運行時，需要操作者手動錄入車輛VIN碼，安裝好設備并按下“啟動”開關，待裝調(diào)過程完成后拆卸裝備即可，裝調(diào)流程均由軟件部分控制相應機構完成。以下從系統(tǒng)功能的角度進行需求描述：

(1)安裝設備前，需要將車輛VIN碼錄入系統(tǒng)，裝調(diào)完成后包含在裝調(diào)結果中。

(2)設備安裝到位，檢測到“啟動”開關被觸發(fā)后，系統(tǒng)能自動開始裝調(diào)流程。

(3)裝調(diào)過程中，系統(tǒng)能根據(jù)傳感器反饋的力矩信號控制相關硬件設備協(xié)調(diào)工作，指示燈需實時顯示裝調(diào)狀態(tài)。

(4)裝調(diào)完成后，需將裝調(diào)結果按照指定格式存儲至本地數(shù)據(jù)庫，同時上傳到生產(chǎn)網(wǎng)絡。

(5)系統(tǒng)需具備裝調(diào)參數(shù)設置以及裝調(diào)結果查詢功能。

結合裝調(diào)流程與系統(tǒng)的功能需求，得出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計需要對系統(tǒng)的軟件結構按照功能進行模塊劃分，完成各個功能模塊的軟件設計，再將各個模塊進行集成，完成整體軟件設計。按照功能可將駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的軟件結構劃分為通信模塊、主控制模塊、流程控制模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和參數(shù)設置模塊。

2.1 通信模塊設計

要實現(xiàn)上位機與下位機的信息交互，需要通信程序結合相應的硬件設備共同完成。系統(tǒng)采用三菱FX-2NPLC，接口為RS485，PC端為RS232接口，可通過添加RS232-RS485轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)串口通信。

在LabVIEW編程中，系統(tǒng)利用虛擬儀器軟件規(guī)范VISA(virtual instrument software architecture) 實現(xiàn)串行通信[8]。其串口通信的主要步驟包括：初始化端口，讀寫端口和關閉端口。

首先使用“VISA配置串口”函數(shù)，配置串口通信的端口號、波特率、停止位、校驗、數(shù)據(jù)位等參數(shù)。然后利用“VISA寫入”函數(shù)和“VISA讀取”函數(shù)進行數(shù)據(jù)的寫入和讀取[9-10]。

為了檢測數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)，進行“VISA寫入”后，利用屬性節(jié)點檢測串口中的數(shù)據(jù)位數(shù)，通過“VISA讀取”函數(shù)讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。可根據(jù)數(shù)據(jù)的最高位是否為空字符串判斷數(shù)據(jù)是否已成功發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后關閉串口釋放緩沖區(qū)。

PC端與PLC之間串口通信協(xié)議的格式如表1所示，一段完整的命令幀由控制字符STX(02H)、命令碼(CMD)、數(shù)據(jù)段、控制字符ETX(03H)以及和校驗碼五部分組成。其中控制字符STX(02H)與ETX(03H)分別表示正文的開始和結束。命令碼用來區(qū)分讀取和寫入操作，規(guī)定讀取時為E00，寫入時為E10。數(shù)據(jù)段只在執(zhí)行寫入命令時添加，執(zhí)行讀取命令時不添加。位數(shù)用來區(qū)分數(shù)據(jù)類型，規(guī)定16位數(shù)據(jù)對應的代碼為02,32位數(shù)據(jù)對應的代碼為04。首地址的計算方法由地址數(shù)據(jù)類型來決定，X,Y,M,D的地址偏移量均不相同，發(fā)送給PLC的首地址由用戶輸入的地址與地址偏移量經(jīng)過幾何運算得到。校驗和由命令碼(CMD)、數(shù)據(jù)段、控制字符ETX等3部分的ASCII相加的結果最低兩位得到。

指令在LabVIEW中按照表1中的格式編寫好，然后通過串口發(fā)送給PLC，PLC接收指令后，按照指定格式返回數(shù)據(jù)。

表1 PLC命令幀格式

2.2 主控制模塊設計

系統(tǒng)主控制模塊采用LabVIEW與PLC聯(lián)合控制的方式，利用搭載LabVIEW的PC作為上位機，PLC作為下位機。系統(tǒng)的主控制模塊需要實現(xiàn)的功能有：保證設備準備就緒后裝調(diào)流程才能開始，不會因為工人誤碰開關而出現(xiàn)設備尚未準備就緒而設備開始運轉(zhuǎn)的情況；保證設備可靠運行，在系統(tǒng)異常的情況下能正常急停與復位。

設備準備就緒的標志為設備上安裝的接近開關被觸發(fā)，且車輛的VIN碼已成功錄入系統(tǒng)。設備上的物理開關連接到PLC的輸入端口，接近開關被觸發(fā)后，PLC中相對應的軟元件X10狀態(tài)發(fā)生改變；掃碼槍掃描的車輛VIN碼信息通過串口進入工控機后，進行格式驗證，驗證合格的VIN碼通過通知器發(fā)送出去，將與之對應的VIN碼通知器接收端接收到信息作為VIN碼成功錄入系統(tǒng)的標志。VIN碼成功錄入后，PC端向PLC發(fā)送指令(將M2置1)。PLC中X10與M2都被觸發(fā)時，準備指示燈被點亮，系統(tǒng)可以繼續(xù)運行后續(xù)程序。

系統(tǒng)的可靠運行還需要合理的急停復位機制，系統(tǒng)的急停復位控制過程如圖2所示，急停及復位程序的優(yōu)先級高于系統(tǒng)其他控制程序，一旦系統(tǒng)檢測到急停狀態(tài)變化，強行中止運行其他控制程序，系統(tǒng)運行急停復位控制循環(huán)。

急停復位的程序分為兩部分，分別位于PC端與PLC中，二者通過串口通信程序?qū)崿F(xiàn)信息交互。PLC直接控制電機的運轉(zhuǎn)與指示燈的狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)生急停時，PLC能及時關閉電機使能，復位指示燈及相關軟元件的狀態(tài)。同時，PC端也需要啟動急停機制，關閉LabVIEW中的其他程序，運行急停復位程序。

圖2 系統(tǒng)急停與復位控制流圖

在LabVIEW中，急停功能的實現(xiàn)是通過將急停做成布爾元件，再將其加入到各個模塊的while循環(huán)中，作為循環(huán)的結束條件。急停狀態(tài)開啟時，各個模塊的循環(huán)便被無條件終止，從而達到急停優(yōu)先級最高的目的。在PLC中，需要添加急停開關的軟元件X11以及表示急停狀態(tài)的輔助繼電器M30。將X11的常開和常閉開關添加到各個子程序的運行條件中，急停狀態(tài)開啟時，各個模塊就會直接被終止運行，M30為急停狀態(tài)標志，用于控制急停與復位子程序的運行。

2.3 流程控制模塊設計

系統(tǒng)設備準備就緒后，按下“啟動”開關，裝調(diào)流程開始。系統(tǒng)的裝調(diào)流程是根據(jù)裝調(diào)工藝要求設定的，PLC控制兩個伺服電機協(xié)調(diào)工作，根據(jù)扭矩傳感器反饋的信號來實現(xiàn)精確控制，裝調(diào)流程的步驟如表2所示。

進行裝調(diào)流程時，主電機(制動手柄操縱機構中的電機)需要來回正反轉(zhuǎn)，完成制動手柄的上抬和下放操作；副電機(調(diào)整螺母操縱機構中的電機)正轉(zhuǎn)兩次分別完成調(diào)整螺母的預擰緊與終擰緊操作，根據(jù)扭矩傳感器反饋的信號判斷是否已完成擰緊操作。

電機的運轉(zhuǎn)可以通過PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送帶方向的脈沖信號來實現(xiàn)，對應的指令是PLSYd1d2Y1(其中d1為脈沖頻率，d2為脈沖數(shù)，Y1為脈沖輸出端口)。由于主電機需要來回正反轉(zhuǎn)，為使程序簡化，可將脈沖發(fā)送指令置于PLC的主程序中，由開關量M100和M101來控制。M100和M101分別負責開啟和關閉脈沖發(fā)送指令，同時清空指令脈沖計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。流程控制部分的子程序運行到需要電機運轉(zhuǎn)時，只需開啟電機的使能，再將M100置1即可，電機運行到指定位置后，將M101置1，進行下一步操作。

表2 裝調(diào)流程步驟

裝調(diào)流程的控制采用倒序編程的思路，裝調(diào)流程在流程控制的梯形圖中運行的順序為從下向上，與程序的掃描方向相反。表2中第5、第6步操作對應的梯形圖如圖3所示，M19與M20分別控制電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。主程序調(diào)用流程控制模塊的程序后，M19與M101已被置1，將設定脈沖數(shù)D280的值賦給D104，選定旋轉(zhuǎn)方向為正向，再回到主程序，通過PLSY指令發(fā)送脈沖，通過D8142高速計數(shù)器記錄已發(fā)射的指令脈沖數(shù)量，當已發(fā)送的脈沖數(shù)達到設定值時，M101被置1，且M20已被置1，開始執(zhí)行電機反轉(zhuǎn)部分的程序。

圖3 電機運轉(zhuǎn)控制

2.4 數(shù)據(jù)管理模塊設計

裝調(diào)過程中，力矩傳感器不斷采集數(shù)據(jù)，傳感器的信號經(jīng)過中間裝置處理后，由PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過濾波操作后，被存儲在D28中，D28中的數(shù)據(jù)即為實時力矩。裝調(diào)過程進行到表2中第8步完成時，傳感器會將瞬時力矩值記錄在D30中，D30中的數(shù)據(jù)即為檢測力矩。

LabVIEW通過通信模塊讀取實時力矩與檢測力矩的值，經(jīng)過數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，將實時力矩顯示在前面板上。檢測力矩作為裝調(diào)結果的一項指標，需要與車輛VIN碼、測試時間等信息一起被存儲下來。數(shù)據(jù)存儲的路徑有2條，一是存儲至本地數(shù)據(jù)庫，二是上傳至生產(chǎn)網(wǎng)絡。

利用PC上的MySQL存儲裝調(diào)結果，先將裝調(diào)結果的各種信息放到簇中，通過通知器發(fā)送出去。數(shù)據(jù)管理部分的子VI接收到裝調(diào)結果后，對簇進行解綁，再按照MySQL規(guī)定的特定格式編寫語句，用“連接字符串”函數(shù)將裝調(diào)結果信息與格式語句連接成字符串命令。在與MySQL建立連接后，將命令語句發(fā)送出去，裝調(diào)結果就會以表格的形式被存儲在本地數(shù)據(jù)庫中。

裝調(diào)結果查詢模塊中，查詢方式有兩種，按照裝調(diào)結果查詢與按照VIN碼上下限查詢，兩種查詢方式均需輸入裝調(diào)時間的上下限以縮小數(shù)據(jù)篩選范圍。模塊將操作者輸入的查詢信息，按照MySQL對應的數(shù)據(jù)查詢語句格式編寫命令語句，將其發(fā)送到MySQL中，便能得到想要查詢的裝調(diào)結果，裝調(diào)結果的相關信息以表格的形式顯示在前面板上。

裝調(diào)結果上傳生產(chǎn)網(wǎng)絡是依托于TCP網(wǎng)絡連接完成的，通知器接收到裝調(diào)結果后，利用“平化至XML”函數(shù)將裝調(diào)結果的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為XML格式，方便進行數(shù)據(jù)交換。確定遠程端口的名稱及地址后，打開TCP網(wǎng)絡連接，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寫入TCP網(wǎng)絡連接。為方便后期查驗傳輸情況，將數(shù)據(jù)寫入TCP網(wǎng)絡連接后，從TCP網(wǎng)絡連接中讀取字節(jié)，將發(fā)送與讀取的數(shù)據(jù)，地址及端口名稱等信息生成日志文件，存儲于PC的磁盤中。

2.5 參數(shù)設置模塊設計

進行參數(shù)設置時，基于LabVIEW與PLC之間的通信協(xié)議，LabVIEW程序可以直接對PLC中各個軟元件的狀態(tài)進行讀取，快速實現(xiàn)相應參數(shù)值的修改。程序分為3部分，即參數(shù)名稱的選定、參數(shù)的寫入和參數(shù)的讀取。

圖4為參數(shù)設置程序的寫入模塊。讀取模塊與之類似，區(qū)別在于讀寫標志位不同。程序采用在while循環(huán)里面嵌套一個事件結構的方式來實現(xiàn)，事件結構的3個分支分別為“參數(shù)名稱”值改變，“寫入”值改變及“讀取”值改變。在“參數(shù)名稱”值改變的分支下將選定參數(shù)對應的軟元件編號賦給“PLC地址”這一中間變量；在“寫入”和“讀取”值改變的分支下分別通過LabVIEW與PLC之間的通信協(xié)議對所選定的參數(shù)進行寫入和讀取操作。

圖4 參數(shù)設置程序的寫入模塊

2.6 密碼驗證模塊

出于生產(chǎn)安全的考慮，在參數(shù)設置之前需要添加密碼驗證模塊，只能由特定人員進行參數(shù)的設置。密碼驗證模塊如圖5所示。設計思路為：將需要設置的密碼寫入一個文本文件中，將文本文件隱藏起來，讀取文本文件中的內(nèi)容，并與輸入的密碼進行比對，密碼正確的情況下才能對參數(shù)設置的子VI進行調(diào)用，否則提示密碼錯誤。

圖5 密碼驗證模塊

2.7 掃碼模式切換

系統(tǒng)錄入車輛VIN碼信息是通過掃碼槍掃描條形碼實現(xiàn)的，而掃碼槍故障或是條形碼無法識別則會引起車輛VIN碼錄入失敗，從而造成裝調(diào)過程無法正常進行。為了消除車輛VIN碼信息錄入不正常對裝調(diào)過程的影響，需添加車輛VIN碼手動錄入的模式。添加手動模式后，當掃碼槍無法正常錄入車輛VIN時，便可將VIN碼信息錄入模式切換至手動輸入模式，由操作者直接將車輛VIN碼信息手動輸入系統(tǒng)。VIN碼錄入控制過程如圖6所示。

圖6 VIN碼錄入控制過程

3 實驗驗證

為測試駐車制動系統(tǒng)軟件的性能，將設計好的軟件與系統(tǒng)硬件部分結合起來，應用到實際的工作環(huán)境中，進行軟件的功能測試和性能測試。

實驗過程為：操作者首先利用掃碼槍掃描車輛VIN碼，將其錄入系統(tǒng)；然后將設備按照規(guī)范安裝到位，觸發(fā)接近開關；其次按下“啟動”開關，觀察指示燈狀態(tài)，待裝調(diào)過程完成后按照規(guī)范拆卸設備；最后在PC端進行參數(shù)修改及裝調(diào)結果查詢的操作。

車輛VIN碼正常錄入系統(tǒng)，按下“啟動”開關后，系統(tǒng)能正常完成裝調(diào)流程并通過指示燈實時顯示當前狀態(tài)；整個裝調(diào)流程耗時43.5 s，滿足企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍要求；裝調(diào)結果在合格范圍內(nèi)，經(jīng)生產(chǎn)線專用檢測工具檢測為合格；裝調(diào)結果能正常保存至本地數(shù)據(jù)庫及生產(chǎn)網(wǎng)絡，系統(tǒng)能正常完成裝調(diào)參數(shù)讀寫以及記錄查詢操作。系統(tǒng)主界面顯示如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主界面

以上實驗表明，該系統(tǒng)運行狀況良好，能滿足汽車制造企業(yè)對于駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的基本功能要求。

4 結論

(1)結合駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)硬件組成及生產(chǎn)線裝調(diào)工藝要求對軟件部分進行了需求分析，并按照功能將其模塊化。

(2)完成了軟件結構中各個功能模塊的設計與編碼，實現(xiàn)了各模塊的基本功能。對系統(tǒng)的軟件部分進行了維護，系統(tǒng)運行的可靠性得以提升。

(3)結合系統(tǒng)的硬件部分，完成了系統(tǒng)的實車實驗，實驗結果表明，軟件部分能滿足系統(tǒng)的基本功能要求，具有一定的工業(yè)應用價值。