基于PLC的汽車主焊線控制系統(tǒng)設計

張振焱，郭羅根

（杭州吉利汽車有限公司，浙江 杭州 310000）

1 緒論

1.1 選題的背景和意義

當今社會要求汽車制造廠對市場需求作出迅速反應，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格[1]、低成本和高質量的產(chǎn)品，為滿足這一要求，生產(chǎn)產(chǎn)品設備和自動控制生產(chǎn)線的自動化設備必須具有極高的可靠性和靈活性，可編程控制器（Prog -rammable Logic Controller，PLC）正是順應這一要求出現(xiàn)的[2]，它是以微處理器為基礎的通用工業(yè)控制裝置。

1.2 PLC自動化技術在汽車主焊線行業(yè)的應用

目前，國內外汽車企業(yè)生產(chǎn)流水線已大量選用PLC作為控制中樞[3]，通過PLC對設備反饋信號和控制信號進行處理，同時利用PLC與上位機的通信交互功能，使PLC的控制功能得到更大程度的擴展[4]，利用計算機控制技術的靈活與PLC控制的穩(wěn)定性完成對工廠操作平臺的實時監(jiān)控與控制，這種控制方式既彌補了PLC在控制I/O端口靈活性的不足，也發(fā)揮了計算機可以與外部網(wǎng)絡互聯(lián)的優(yōu)勢。通過以計算機的中轉，可以將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在PLC控制端得以表達。

進入新世紀以后，汽車制造廠自動化生產(chǎn)線朝著高度智能化和自動化、多品種混裝生產(chǎn)線和大規(guī)模定制生產(chǎn)線的方向發(fā)展。德國KUKA和瑞典ABB公司為吉利汽車、北京奔馳、上海大眾、長安福特、通用汽車等整車企業(yè)研制的大型白車身自動化焊接與裝配生產(chǎn)線的機器人占有率高達95%甚至98%以上，研制出的主焊線合裝平臺通過車型切換可以同時生產(chǎn)4種甚至8種不同車型，滿足市場對不同消費階層的需求。

2 控制系統(tǒng)程序設計

控制系統(tǒng)程序的編寫首先要知道，系統(tǒng)的工藝流程是什么樣的[5]，每個工位的工藝流程是怎么進行的，程序達到哪一步需要什么條件，西門子的步序功能圖很好地展示了這一點，具體的步序看各個工位的工藝要求而寫，主體的步序如下圖。

圖1 順序功能圖

2.1 程序編寫

用戶程序中包含不同的程序塊，各程序塊實現(xiàn)的功能不同。而允許每種類型的程序塊的數(shù)量及每個程序塊最大容量與CPU的技術參數(shù)有關。組織塊（OB）OB塊決定用戶程序的結構，調用FC和FB塊里面的程序。函數(shù)塊（FB）FB塊允許用戶編寫函數(shù)，帶存儲區(qū)。FB塊的程序編寫需要背景數(shù)據(jù)塊背景DB塊與FB調用相關，函數(shù)（FC）FC可以作為子程序使用，也可以作為經(jīng)常調用的函數(shù)使用。共享數(shù)據(jù)塊（DB）共享數(shù)據(jù)塊也稱為全局數(shù)據(jù)塊，用于存儲用戶數(shù)據(jù)。

用戶程序編寫首先要確定好PLC的變量表，PLC變量表是所有現(xiàn)場的I/O點位的設備的地址和給地址分配名稱并進行注釋的，在程序編寫的時候需要一些輔助的M點位，也需要在變量表中進行編輯地址和各地址分配名稱并進行注釋I/O地址和M輔助地址在整個 CPU 范圍內必須唯一。如果輸入一個已經(jīng)分配給其它變量的地址，則該地址將在兩個位置都以黃色高亮顯示，并發(fā)出錯誤消息。

2.2 普通程序結構與功能

PLC所有的子程序都靠組織塊MIAN（OB1）里面進行調用，存儲在OB1組織塊中的程序將反復地執(zhí)行循環(huán)調用，循環(huán)的周期與響應時間根據(jù)CPU操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間和周期來確定，組織塊最基本的功能就是調用用戶程序。

OO_Initialization初始化調用塊，進行CPU斷電重新啟動時候清理掉所有的信號防止信號問題出現(xiàn)故障，OO_ Orgaanization_Block程序組織塊進行普通的主程序調用和CPU所有的程序調用，00_SAFFTY區(qū)域安全程序的調用，02_MODE模式，觸摸屏和區(qū)域手動自動的操作模式的調用，03_COMMON調用報警，車型，安全門指示燈和安全門普通程序塊。04_User_Calls整個工位的機器人程序塊，變頻器程序塊，步序功能程序塊，夾具功能塊的程序調用。

圖2 塊的組織架構圖

夾具功能塊主要是由夾具輸入信號、輸出信號、自動運行、手動運行、安全條件、互鎖信號、狀態(tài)顯示以及報警構成。.HMI按鈕可以通過手動操作夾具的打開和關閉（PB_ Work和PB_Home），自動條件下是通過Graph里面的氣缸工作的互鎖條件來控制ENABLE_ WORK和ENABLE_HOME，NUMBER_POSITION控制當前氣缸的數(shù)量[6]，做個一組閥島控制8個氣缸， HIDE_ALARM_All和HIDE_ALARM_ MASK是隱藏報警觸發(fā)，PLANT_IDENTIFIER是氣缸名稱命名，.GENERAL_ALARM是報警匯總輸出，WORK和HOME是控制輸出，.DISPLAY_POS_WORK和DISPLAY_ POS_HOME是狀態(tài)顯示。

圖3 夾具工作步序圖

機器人功能塊1～40寫的是機器人各種報警的程序段，41號程序段寫的是機器人的報警文本，只要有報警，報警信息的內容就會顯示在觸摸屏上面，提示維修人員進行維修，43～79是機器人的邏輯控制，SEG的運行條件和程序的一些功能的調用，80是干涉區(qū)功能調用塊，檢查機器人是否可以安全地進入該工作區(qū)域，使機器人不會分手碰撞。81是功能塊的調用，主要是和機器人的輸入和輸出的通信[7]，控制機器人的干什么工作和作什么事情需要什么條件，82~90機器人在觸摸屏上面的信號顯示的信息，機器人的信號變化可以在觸摸屏上面完整的顯示。

圖4 機器人功能塊圖

工位的車型號是4位數(shù)的比如2001或者2102，機器人接收的程序號碼是3位數(shù)的比如201或212，這就需要進行數(shù)據(jù)的轉換，轉換的條件為本工位不在空運行的模式而且是在自動模式下，把本站的車型通過FC750塊進行轉換與處理把當前的4位數(shù)的車型轉換為3位數(shù)的車型，車型解析出來后在用比較指令進行比較和判斷，出來的結果是判斷當前的車型是SX12低配車型還是BSG高配車型。

圖5 車型程序段判斷圖

機器人接收程序號程序段，首先把機器人的程序號清0，當前工位是在自動的前提下，機器人本站的程序號要等于APC當前允許機器人抓件的程序號或者本站程序號等于機器人要實際激活的程序號，相鄰的機器人沒有進入服務程序，本站的程序號就會發(fā)送給機器人。

圖6 機器人接收程序號程序段圖

安全門功能塊的請求開門的程序段，首先請求按鈕要動作，門鎖是有信號的才可以請求停止動作，復位停止需要滿足門的關閉輸出是有的在按復位按鈕。

圖7 安全門開門程序段

2.3 安全程序結構與功能

安全程序：主要包含安全回路的調用（Main_Safety）、機器人機器人輸出、安全急停輸入以及各個安全區(qū)域安全回路的控制。MAIN_Safety：安全回路調用；F_RobEStop_FFB：機器人機器人急停輸出；F_Estop_FFB：急?；芈穮R總包含機人急停、安全門急停、操作盒急停等；F_Zone1_INPUT_ FFB：安全回路輸入包含區(qū)掃、光柵和安全門；F_Zone1_ OUTPUT_FFB：安全回路控制24V輸出。安全區(qū)域程序有LOGIC程序主要是把安全的輸入與輸出的程序進行調用，INPUT安全的輸入程序，接收光柵，安全門機器人的安全信號，OUTPUT輸出程序，控制安全電源，給機器人發(fā)送安全信號，當安全不滿足的時候停止該區(qū)域所有的設備的運行。

圖8 安全程序結構圖

3 HMI畫面設計

人機界面簡稱HMI，是進行人機界面交互的，本項目使用的是15in，15IN的通信口有一個千兆的PROFINET接口[8]，可以用網(wǎng)線直接下載HMI項目。

在創(chuàng)建項目之前，應根據(jù)系統(tǒng)的要求，規(guī)劃需要創(chuàng)建哪些畫面，每個畫面的主要功能以及各畫面之間的關系。這是畫面設計的基礎。首先需要在博途軟件里面添加精智面板勾選添加新設備，進行網(wǎng)絡連接選擇，創(chuàng)建完成組態(tài)后保存項目。

3.1 普通畫面設置

在項目視圖畫面組下點擊添加新畫面，在工作區(qū)域會出現(xiàn)一幅新的畫面，在畫面屬性里面更改畫面名稱，在制作畫面之前首先需要進行添加HMI的變量表，HMI變量分為外部變量和內部變量，外部變量是PLC存儲器中的過程值的映像，其值隨PLC程序的執(zhí)行而改變，可以在HMI設備和PLC中訪問外部變量，HMI 可以讀/寫PLC存儲器中的過程值。

變頻器的操作與顯示畫面，變頻器給PLC他的反饋信號，PLC通過變頻器反饋回來的信號經(jīng)過邏輯運算進行和滾床傳感器的進行允許變頻器進行動作。

圖9 變頻器操作界面圖

變頻器運行操作顯示界面，通過傳感器對滑橇的監(jiān)控，來知道當前滑橇的位置，滑橇接收到在信號繼續(xù)高速的運行，運行到了減速位置以低速進行前進，直到達到停止位置，滑橇在滾床上面，滑橇在位減速和停止信號必須顯示，沒有顯示觸摸屏會進行報警。

圖10 滾床狀態(tài)顯示

機器人操作畫面顯示，點擊選擇機器人按鈕，就會顯示相應的機器人當前的狀態(tài)信息，在機器人狀態(tài)欄顯示機器人當前的狀態(tài)在上面位置，在機器人的操作界面點擊相應的按鈕可以調動機器人去做相應的工作，不管機器人在做什么工作，在實際程序號顯示窗口會顯示機器人當前執(zhí)行的程序是做什么的。在離開工作顯示界面，會顯示當前機器人在進行那一步的工作，如果工作完成在工作完成的界面會顯示完成信息，方便操作人員對機器人的狀態(tài)隨時監(jiān)控。

圖11 機器人狀態(tài)顯示與操作界面

夾具氣缸的顯示，當夾具氣缸在執(zhí)行夾緊的信號的時候，相應的氣缸的夾具的位置感應傳感器就會亮，而反饋給觸摸屏的夾具位置的信號會顯示為緑色，PLC控制夾具執(zhí)行夾緊命令，而有其中的一個氣缸沒有夾緊，觸摸屏就會顯示為報警，并顯示畫面會顯示紅色狀態(tài)，告訴操作人員有氣缸沒有夾緊，操作人員就可以根據(jù)觸摸屏的顯示狀態(tài)，快速查找到故障的位置方便維修，工位的檢知傳感器是進行檢測當前工位在車身下降的時候，檢測車身是否下降到位，傳感器程序控制在檢測的一步，沒有檢測的板件，就會有報警顯示在觸摸屏上面并報紅色，需要人工進行確認是否有問題，傳感器有問題就好進行報錯，維修人員可以進行更換傳感器。

圖12 夾具傳感器顯示界面

3.2 報警畫面系統(tǒng)診斷與用戶管理

報警畫面是用來顯示和記錄該套PLC所有的設備的報警的，報警畫面有兩種分為當前報警畫面和歷史報警畫面，當前報警畫面是顯示當前已經(jīng)有的和沒有消失的報警信息，歷史報警畫面存儲已經(jīng)處理完成的報警信息最多可以存儲1 000條[8]，新的報警信息會覆蓋舊的報警信息。

當前報警畫面的制作，在HMI畫面的組下面添加新的畫面，點擊工具箱選擇控制件，點擊帶郵件的圖標，新添加的畫面就會顯示報警畫面信息，把報警畫面進行平鋪開新添加的畫面里面，設置報警畫面信息，在報警視圖的屬性里面的可見列，勾選編號、時間、報警狀態(tài)、報警文本、日期、報警類別、報警組等，PLC程序里面有相應的報警塊當報警的條件達到的時候，相應的報警文本會顯示在觸摸屏的報警畫面里面，報警的畫面與PLC里面的報警程序是相關聯(lián)的。

系統(tǒng)診斷視圖的添加與報警視圖的添加方法是一致的，CPU的系統(tǒng)診斷功能是自動被激活的，硬件和軟件編譯成功后程序塊會自動生成，OB82、OB83、OB85和OB86系統(tǒng)診斷的OB塊，系統(tǒng)診斷窗口會顯示當前的PLC的CPU的狀態(tài)和網(wǎng)絡信息，如果運行的系統(tǒng)的CPU和下級I/O設備出現(xiàn)錯誤的信息，相應的設備會報紅色的狀態(tài)顯示，報警畫面會顯示報警信息。

用戶管理是用來控制觸摸屏上面的特殊的按鈕和畫面，防止有不懂的操作人員誤操作，造成設備的故障，這些特殊的按鈕和畫面只有給經(jīng)過授權的專業(yè)人員進行操作，在用戶管理中，權利不是直接分配的，而是分配給用戶組，同一個用戶組具有相同的權限，用戶的名稱只能使用數(shù)字和字符，不能使用漢字，但是可以使用漢語拼音。點擊用戶管理添加需要的用戶組，用戶組添加完成后，進行按鈕和畫面的屬性設置，在安全里面點擊權限選擇需要的管理用戶，設置完成后編譯下載到HMI后點擊相應的按鈕，就會出現(xiàn)需要輸入用戶名和密碼，這些正確才可以進行下一步的操作。

4 總結

本文通過對主焊線的分析，使用西門子公司的博途軟件作為控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡通信組成的主焊線，機器人和滾床夾具是通過車型傳遞和車型對比進行工作的，從而實現(xiàn)BSG和SX12車型的混線生產(chǎn)的要求，PLC控制系統(tǒng)與HMI觸摸屏畫面組合車的報警顯示操作系統(tǒng)，能更快更準確的實現(xiàn)故障的快速處理。

（1）通過對控制系統(tǒng)程序設計，首先確定了現(xiàn)場設備工位的工藝流程圖，設備的硬件組態(tài)與通信組態(tài)，程序的主體框架結構和各功能塊的功能與作用。

（2）通過對上位機普通畫面和報警畫面的功能是什么，整個生產(chǎn)線的運行狀況和報警狀態(tài)都可以在上位機中顯示出來。