白车身生产线控制系统设计及实施

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　　本文阐述了如何在工艺基础上实现对宝骏汽车白车身焊接生产线的生产控制系统进行硬件和软件设计。该控制系统的最大特点在于电气控制和气动控制相结合，通过电气元件驱动气动的控制阀岛，达到气动控制自动化的目的。
　　宝骏白车身生产线工艺流程
　　宝骏白车身生产线主体由前车体、下车体、总拼、左右侧围、空中主夹具、机器人及顶盖分拼、空中输送自行小车和升降机构成。前车体即发动机舱生产线，发动机舱完成后，由空中输送自行小车送至下车体的1#工位，3台自行小车分别将前地板、后车架送至下车体1#工位，形成宝骏汽车的底板。在1#工位完成焊接后，输送机构由主气缸顶起，变频器控制输送电动机前进，到2#工位落下夹具夹紧，开始新一轮的焊接。焊接完成后操作人员同时按下工作完成按钮，输送机构再次顶起，如此循环动作，一直持续到最后一个工位。
　　总拼的第一个工位定义为转运拼台，通常在这个工位罕有电动或气动的控制，7#为顶盖添加和焊接工位，在这个工位采用FANUC的机械手进行自动焊接，同时在车身底边的区域采用伺服自动焊进行焊接，经过后面几个拼台的补焊后，到达最后一个工位，白车身总成由升降机转移到涂装车间的入口等待喷涂。到此为止，车身车间的工艺制作完成。
　　本文在工艺基础上实现对宝骏汽车白车身焊接生产线的自动控制。该控制系统的最大特点在于电气控制和气动控制相结合，通过电气元件驱动气动的控制阀岛，达到气动控制自动化的目的。控制方式通过全自动以及半自动的方式实现，软、硬件也分别进行了设计，在硬件部分主要考虑了设备的选型，包括PLC的选择，总线选择的设计等，PLC的型号及容量是重点考虑内容；其次是现场总线的选择，现场总线不光要完成系统的要求，还要更好地避免工业现场的各种干扰，使各个模块之间的通信安全稳定。为了保证生产线的安全性，我们在每个工位配置了一定数量的传感器，包括光栅、激光扫描以及光幕等，全面保障了焊接工人的人身安全和生产线的安全运行。软件部分主要专注于根据工艺的要求进行程序代码的编写。
　　

　　生产线的控制系统设备选型及设计准备
　　1.设备选型
　　设计架构是指整个控制的框架。控制架构通常由上位监控设备、PLC控制器、HMI人机界面、现场的检测设备以及通信网络构成。该阶段的一个重要的工作就是确定电控系统所需的PLC、HMI、急停、变压器和远程I/O等的数量及控制点数。
　　在此以PLC的选型为例进行介绍。PLC的型号选取应该从控制器型号和内存容量两方面考虑。通用的控制标准中，我们可以根据动作和I/O的数量选择对应的PLC控制器类型（见图1）。存储器容量是PLC本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常根据点数对存储器的容量进行估算。
　　

　　2.DeviceNet网络配置设计
　　设备网的配置在节点的数量、长度、波特率以及终端电阻方面都有严格的要求。DeviceNet是在CAN总线的基础上发展而来，通常由5个信号线构成，分别是V+﹑V-﹑SHIELD﹑CAN-H和CAN-L；其中SHIELD为屏蔽线，CAN-H和CAN-L为通信信号，其余两个为电源信号线。一般在粗缆和扁平电缆中24V直流电压的最大电流容量是8A，在细缆中是3A。
　　（1）DeviceNet的节点数量及波特率要求 一个设备网络上最多可以配置64个节点，但在设计的过程中我们建议一个网关不超过20个节点，一个安全的PLC不超过50个安全节点。设备网的两端都需要配置阻值为120Ω或121Ω、功率不小于0.25W的终端电阻，以达到通信信号更为稳定的目的。通常这样构成的网络线缆不会超过所规定的最大长度，并且更有利于检修及查找故障。如果该网络上有安全的PLC或安全的I/O则波特率需要设定为250bps；如果是普通的网络，则波特率只需要设定在125bps即可。
　　设备网的电缆有“Trunk”和“Thin”之分。Trunk是指我们作为主支干缆的干缆，外径约为12mm；Thin是用作拓展支路的细缆，外径约为8mm。在一个网络中所允许的最大长度除了跟线径有关外，还和波特率有很大的关系。例如在波特率为250bps的情况下，所允许的最长干缆为250m，最长细缆的长度为100m，最长的分支不得多于6m，分支的总和不得超过78m，对应关系如表1所示。
　　（2）DeviceNet电源配置 网络电源的配置也是实际应用中必须解决的关键问题。DeviceNet的网络供电由网络设备供电和总线网络供电两部分组成。网络设备在这里指的是DeviceNet的网关Scanner，它的单独供电的优势包括：不会受总线网络供电的影响；热电源供电，不会受到主断路器断电的影响。总线的网络供电通常由直流电源提供，直流电源功率的计算跟一个网络中所带的所有设备的功率相关，电源所能提供的电流也必须大于网络上的负载所需要的最大电流。
　　电源配置的步骤如下：将一个网络上所有节点的电流值相加，得出总电流I；测量整个网络的粗缆长度或最大长度L；根据所对应的电流表限制图（见图2）进行判断，若整个网络的计算电流在图中所对应的曲线的上面，则为配置合理，否则重新配置。
　　以宝骏前车体生产线为例，该生产线有6个工位，从MCP到最后一个工位的粗缆长度为200m，配置直流电源电压为24V，直流电流为10A，大于图2中对应的电流值1.5A。经测量，由于每个工位的最大负载电流为8.4A不超过10A，所以电源配置合理。
　　

　　夹具拼台及输送工艺动作的设计
　　当白车身被输送到操作工位时，输送机构下降带动白车身整体下降，下降到底部后，各夹具将白车身夹紧，工人进行焊接工作。焊装夹具在焊接过程中确保车身形状、尺寸和精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。焊装夹具一般由支架、夹紧元件（手动夹紧器或气缸）、压板、定位板及定位销组成。在焊装夹具的自动控制过程中，需要气缸动作带动夹具完成夹紧或松开动作，这样可以利用PLC的输出点发出信号，控制电磁阀进行驱动。
　　在宝骏白车身生产线中，输送机构控制采用全线联动的往复机运作方式，各个工位在输送机构的动作中完成工艺要求，白车身在一个工位焊接完成，所有本工位的焊接工人同时按下各自操作盒的“工作完成”按钮表示此工位操作完成，PLC将判断下一个工位的状况。如果下一个工位已经准备就绪，输送机构将白车身输送到下一个工位，再将前一个工位的白车身送到此工位进行焊接工作。
　　对输送机构的控制本质上就是通过变频器对电动机的控制，电动机的正反转及速度的快慢起停均由变频器控制，快、慢速的控制通过设置在特定工位的传感器来实现。本项目中以总拼为例，我们在输送机构的最前端和最末端（即第一个和最后一个工位）分别设置4个传感器，来判断输送机构是否上升或下降到位。图3中ZSLS01/ZSLS05对输送机构是否下降到位进行判断，ZSLS04/ZSLS08是上升到位信号，中间的两组行程开关分别是输送机构的上升和下降的加减速信号。输送机构通过此点时触发相应的开关信号来控制主气缸的高、低速变化，确保输送机构上升、下降的流畅性。
　　

　　同样，在工件转移的过程中，输送机构同样有高低速的变化，这一过程的变化通过在相应的工位设置传感器来实现。输送机构触发ZSLS09、ZSLS11时，输送机构后退停止，输送机构前进触发到ZSLS14、ZSLS16时，前进到位，电动机停止工作。同样，中间的两组分别是后退减速和前进加速以及前进减速和后退加速触发开关。输送机构触发该开关后，相应的信号通过现场总线传送给PLC，在PLC相应的位置设为真，并发送相应的指令给变频器，从而控制电动机的速度变化。
　　输送机构状态同时需要结合对零件是否到位的判断，这是PLC执行下一步动作的必要条件。对工位零件的判断需要结合零件检测开关，即接近开关来实现。在该项目中，我们选择φ30带屏蔽功能的传感器来检测零件是否到位，当输送机构下降到位时，工位检测到有零件，同时无其他干涉信号时，PLC发出允许焊接的信号；如果此传感器没信号，则表示此工位为空，一般情况下无工件的输送机构运行基本上是在试车模式。
　　项目程序设计
　　1.工位逻辑控制
　　工位逻辑的控制即对夹具的打开、闭合的控制，夹具的动作是否执行以及何时执行都受工艺要求的控制，控制逻辑的动作顺控需依据工艺时序图4进行编写，否则有可能造成车体、输送机构和工装夹具的干涉。一旦动作干涉，要么将车体夹坏，要么损坏工装夹具，造成重大的设备故障。
　　2.输送机构逻辑控制
　　输送机构的上升、下降由主气缸控制，前进、后退及加、减速由变频器控制。根据输送机构的时序图，编写出输送机构的工艺动作流程。
　　结语
　　历经5个月，宝骏白车身生产线电控系统的自主设计及安装调试终于完成。我们秉承安全可靠、柔性控制的设计理念，遵循GM体系的硬件设计标准并对多处进行了更新：引入预铸电缆快速进行维修切换；在电动机的控制方面采用变频器加外置电阻的方式，使得输送线的控制更加安全、可靠；复杂工位引入机器人操作，增加生产方式的柔性化；生产线两种车型相互切换，低成本投入，高价值产出；手动生产采用触摸屏操作，方便快捷；采用急停和光栅外加安全围栏的MPS系统，确保安全生产；电控和气控相结合，确保控制方案最优化；热电源和冷电源的相互结合，合理有序；DeviceNet现场通信模式和EtherNet的Peer to peer通信模式相结合，离散信号和连锁信号集中控制；PLC控制和触摸屏HMI控制相结合，相得益彰；MCP主控柜、PDP电源分配柜、VFD变频柜、I/O控制箱、OP操作盒和简易ANDON等各司其职，分工有序。
　　软件设计按照全球GCCS设计标准，RSLOGIX5000逻辑易读，故障报警全面，能够更好地监控系统运行状态；引入了RSNETWORX、RSLINX的通信模式，对现场离散的信号进行组态；运用MESSAGE EXTRACTOR的导入、导出功能，轻松建立起PLC程序和WINCC FLEXIBLE之间的通信桥梁；EPLAN的电气绘图设计条理分明，易于查找；人机界面设计简单友善，画面简洁明了，报警提示功能完善，对每一处检测开关进行显示和监控；操作列表的集成及顺序显示，使操作人员可以尽快入手，误操作的可能性大大降低，值得在车身控制系统乃至其他控制系统推广应用。
　　

笑风

很不错的资料