基于PLC控制的汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：U468.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0128-03

Designand Implementationof AutomobileProductionLine Automation System BasedonPLCContro

DongHuijie，Lu Xiaohui，ZhangQian

（School of Inteligent Manufacturing，Zhengzhou Universityof Economicsand Business，Zhengzhou 45ooo，China）

【Abstract】The automation of automotive production lines is constrained by thecontradiction betweenscale and personalization.Withtheriseofnewenergyvehicle models，traditional production linesaredificult toadapttomultiplatformco-lineproduction，and theexisting PLC control systemshavemanydrawbacks.Withtheaidof industrial InternetofThingsandedgecomputing technologies，thisarticleproposesadistributedPLCcontrolarchitectureof \"edgecloud\"collaboration，integrates theOPC UAunifiedcommunication framework，developsaself-learning algorithmfor process parametersbasedonmachinevision，andbuildsavirtualdebuggngsystemdrivenbydigitaltwins.Byrationally selectingequipmentand sensors，designing communicationand human-machine interfaces，andachieving hardware setup，program writingand debugging，as wellassystem operationoptimization，the interconnection and model change eficiencyofproductionlineequipmentcanbeeffctivelyimproved，providinga feasiblesolutionforintelligent automotive manufacturing and facilitating thereduction of manual interventionand costs.

【Key Words】 PLC control；automobile production line；automation system；system design

0 引言

汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化面臨規(guī)?；c個(gè)性化的矛盾。新能源車型占比上升，傳統(tǒng)單一車型產(chǎn)線難以滿足多平臺(tái)共線生產(chǎn)，頻繁換夾具、調(diào)參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備利用率低。現(xiàn)有PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)多為分層架構(gòu)，底層設(shè)備靠硬接線與私有協(xié)議通信，產(chǎn)線重組調(diào)試周期長(zhǎng)，制約柔性化。焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃、涂膠機(jī)流量控制等核心工藝依賴人工預(yù)設(shè)參數(shù)，無(wú)法隨來(lái)料公差、環(huán)境溫濕度動(dòng)態(tài)調(diào)整。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算技術(shù)成熟，為PLC系統(tǒng)向分布式智能控制發(fā)展提供契機(jī)。本文集成OPCUA統(tǒng)一通信框架，開發(fā)基于機(jī)器視覺的工藝參數(shù)自學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的虛擬調(diào)試系統(tǒng)，提升生產(chǎn)線設(shè)備互聯(lián)與換型效率，為汽車智能制造提供方案。

1汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)概述

1.1汽車生產(chǎn)線的工作流程與組成

汽車生產(chǎn)線涵蓋原材料加工至整車下線流程，由沖壓、焊接、涂裝、總裝4大工藝工段構(gòu)成。沖壓工段用壓力機(jī)沖壓鋼板成車身覆蓋件，焊接工段借機(jī)器人集群組焊部件保障車身剛性，涂裝工段經(jīng)電泳等工序?qū)崿F(xiàn)車身防腐與裝飾，總裝工段負(fù)責(zé)零部件裝配與調(diào)試。各工段由傳送帶、AGV及升降機(jī)銜接，形成生產(chǎn)節(jié)拍。核心設(shè)備為沖壓機(jī)，配備視覺檢測(cè)等品質(zhì)控制裝置。物流系統(tǒng)靠立體倉(cāng)庫(kù)等模塊保障零部件供應(yīng)。自動(dòng)化系統(tǒng)通過設(shè)備協(xié)同與數(shù)據(jù)貫通，實(shí)現(xiàn)從離散到連續(xù)生產(chǎn)的升級(jí)，面臨多設(shè)備協(xié)議兼容等挑戰(zhàn)。

1.2 PLC控制技術(shù)概述

PLC是汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化控制核心，通過邏輯運(yùn)算與實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備協(xié)同。它基于模塊化設(shè)計(jì)，由中央處理器等模塊組成，能與傳感器、執(zhí)行器通過數(shù)字或模擬量信號(hào)交互。在汽車生產(chǎn)線中，PLC承擔(dān)工藝邏輯控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化3大任務(wù)。其具有高可靠性與強(qiáng)擴(kuò)展性，采用冗余電源與抗干擾電路，可在惡劣環(huán)境運(yùn)行，支持梯形圖編程，便于工程師修改邏輯?，F(xiàn)代PLC系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化與遠(yuǎn)程運(yùn)維，為汽車制造柔性化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。

2基于PLC控制的汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)備異構(gòu)、數(shù)據(jù)交互效率低。本文提出“邊緣-云端”協(xié)同的分布式PLC控制架構(gòu)，將控制邏輯下沉至邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，云端負(fù)責(zé)全局優(yōu)化與數(shù)字孿生映射。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，該架構(gòu)分為4層協(xié)同。

1）云端協(xié)同層。數(shù)字孿生模型同步物理產(chǎn)線狀態(tài)，通過仿真預(yù)測(cè)工藝參數(shù)最優(yōu)解，如在車型切換前預(yù)演夾具調(diào)整方案，生成最優(yōu)節(jié)拍配置。

2）邊緣控制層。分布式PLC集群負(fù)責(zé)區(qū)域控制，如焊接工段PLC解析視覺數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)器人焊槍軌跡；涂裝工段PLC根據(jù)溫場(chǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化噴槍移動(dòng)速度。

3）設(shè)備執(zhí)行層。接收優(yōu)化指令，驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人、涂裝機(jī)械臂等設(shè)備，形成“感知一決策一執(zhí)行”閉環(huán)。邊緣節(jié)點(diǎn)間通過時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-SensitiveNetworking，TSN）保證控制指令微秒級(jí)同步，云端通過OPCUA協(xié)議實(shí)現(xiàn)跨品牌設(shè)備數(shù)據(jù)貫通。

4）現(xiàn)場(chǎng)感知層。部署高精度視覺傳感器檢測(cè)焊縫品質(zhì)，扭矩傳感器監(jiān)控螺栓擰緊精度，溫度檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集涂裝烘干爐溫場(chǎng)分布。

2.2設(shè)備與傳感器選型

設(shè)備選型需兼顧工藝適配與系統(tǒng)擴(kuò)展，構(gòu)建可靠控制執(zhí)行體系，滿足工序精度并預(yù)留升級(jí)接口[3]。傳感器選型要考慮抗干擾、精度與環(huán)境耐受性，特殊場(chǎng)景強(qiáng)化防護(hù)等級(jí)，詳見表1。

主控PLC選型時(shí)，總裝線需適配多伺服軸裝配，預(yù)留I/O點(diǎn)位。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在焊接工位響應(yīng)速度快，確保機(jī)械臂定位精準(zhǔn)，有過載能力。視覺傳感器分辨率與幀率滿足檢測(cè)需求。沖壓車間接近開關(guān)防護(hù)等級(jí)高，能在惡劣環(huán)境工作。噴涂區(qū)域氣體傳感器可提前預(yù)警可燃?xì)怏w泄漏，與PLC聯(lián)動(dòng)。特殊工況設(shè)備增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)備通信接口統(tǒng)一，確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定。通過建立設(shè)備選型參數(shù)矩陣，平衡技術(shù)與成本，構(gòu)建高效生產(chǎn)執(zhí)行層。

2.3 通信與人機(jī)界面設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)生產(chǎn)線因協(xié)議割裂導(dǎo)致信息孤島，新型設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)數(shù)據(jù)貫通。采用OPCUAoverTSN構(gòu)建統(tǒng)一通信框架，使PLC、機(jī)器人、AGV等異構(gòu)設(shè)備實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作。通信與人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖2所示，該通信架構(gòu)主要可分為人機(jī)交互層、通信協(xié)議層和設(shè)備接口層。

1）人機(jī)交互層。HMI界面集成三維產(chǎn)線可視化模塊，操作員可觸控查看焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)軌跡偏差、涂裝室溫濕度曲線。移動(dòng)終端支持掃碼調(diào)取設(shè)備維修手冊(cè)，報(bào)警系統(tǒng)按IS013849標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)提示（黃色預(yù)警、紅色急停）。關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳至云端，支持手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備OEE（全局設(shè)備效率）。

2）通信協(xié)議層。OPCUA服務(wù)器集成各設(shè)備私有協(xié)議，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一信息模型，解決數(shù)據(jù)語(yǔ)義異構(gòu)問題。

3）設(shè)備接口層。通過IO-Link連接智能傳感器，Profinet連接PLC與遠(yuǎn)程IO站，EtherCAT驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)同步控制。

3基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

PLC硬件實(shí)現(xiàn)核心是構(gòu)建高可靠控制網(wǎng)絡(luò)與精準(zhǔn)執(zhí)行體系。主控PLC采用冗余架構(gòu)，雙機(jī)熱備保障故障切換，控制柜設(shè)溫監(jiān)與散熱裝置，適應(yīng)惡劣環(huán)境。輸入輸出模塊按需配置，焊接工段用高速數(shù)字量模塊，涂裝工段用隔離型模擬量模塊。傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)用環(huán)形拓?fù)?，確保通信穩(wěn)定。關(guān)鍵設(shè)備接地良好，信號(hào)線與動(dòng)力線分層敷設(shè)，降低電磁干擾。

3.2控制程序編寫與調(diào)試

控制程序開發(fā)遵循模塊化、可擴(kuò)展原則，采用混合編程。焊接工段程序分為運(yùn)動(dòng)、參數(shù)、品質(zhì)3大模塊。運(yùn)動(dòng)模塊依據(jù)視覺數(shù)據(jù)生成焊點(diǎn)路徑，參數(shù)模塊匹配電流電壓，品質(zhì)模塊依據(jù)紅外測(cè)溫判斷是否虛焊。調(diào)試階段用虛擬調(diào)試技術(shù)，在數(shù)字孿生平臺(tái)模擬車型混流場(chǎng)景。在線調(diào)試驗(yàn)證傳感器信號(hào)，優(yōu)化時(shí)序同步，驗(yàn)證異常處理機(jī)制。經(jīng)調(diào)試，程序?qū)崿F(xiàn)多車型參數(shù)一鍵切換，縮短工藝調(diào)整時(shí)間。

3.3生產(chǎn)線自動(dòng)化的運(yùn)行與優(yōu)化

生產(chǎn)線運(yùn)行通過HMI界面可視化監(jiān)控，操作員查看設(shè)備狀態(tài)等指標(biāo)。數(shù)據(jù)上傳MES系統(tǒng)追工藝穩(wěn)定性。優(yōu)化策略分實(shí)時(shí)與長(zhǎng)期，實(shí)時(shí)優(yōu)化通過邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)調(diào)整參數(shù)，長(zhǎng)期優(yōu)化基于大數(shù)據(jù)分析重構(gòu)控制邏輯。預(yù)防性維護(hù)模塊預(yù)測(cè)設(shè)備壽命，系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程診斷與升級(jí)，減少停機(jī)時(shí)間，提升生產(chǎn)線綜合效率。

4結(jié)論

本文針對(duì)基于PLC控制的汽車生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)，探討設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。剖析PLC控制技術(shù)，設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的自動(dòng)化系統(tǒng)，提升生產(chǎn)線效率與產(chǎn)品品質(zhì)。借助系統(tǒng)架構(gòu)與策略，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、監(jiān)控與診斷，降低人工干預(yù)與成本。

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（編輯林子衿）