基于PROFIBUS-DP的某SRV車型車身合裝臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 斌 王健強(qiáng) 王長(zhǎng)潤(rùn) 王華國(guó)

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

汽車車身焊合臺(tái)是把車身前后圍、左右側(cè)圍、底架及頂蓋總成等合裝組焊成骨架總成的設(shè)備，是車身焊裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，也是確保車身焊裝質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)和前提［1-2］。圖1所示為某SRV車型的合裝臺(tái)右側(cè)結(jié)構(gòu)數(shù)模圖(左側(cè)對(duì)稱)。合裝臺(tái)由地板臺(tái)架、左右側(cè)圍活動(dòng)臺(tái)架、地板定位夾具、左右側(cè)圍夾具、前圍夾具、頂蓋夾具等組成。地板總成裝夾在地板臺(tái)架上，左右側(cè)圍臺(tái)架帶動(dòng)安裝在其上的左右側(cè)圍總成直線移動(dòng)，與地板總成組合，通過各夾具定位夾緊。由于工裝夾具上空間的限制，工裝夾具上氣缸和傳感器的分布特點(diǎn)是整體上分布比較分散，局部位置氣缸和傳感器分布集中，我們采用PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和分散控制，最大程度地減少布線，節(jié)省安裝和維護(hù)費(fèi)用。

1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線

PROFIBUS是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)［3］。它以其顯著的特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，被納入歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC61158)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化。2006年10月成為中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20540-2006)，這是目前我國(guó)唯一批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本。其中 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery，分布式外圍設(shè)備)是一種高速(數(shù)據(jù)傳輸速率9.6 kbit/s～12 Mbit/s)經(jīng)濟(jì)的設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，用于現(xiàn)場(chǎng)控制器與分散I/O之間通信，在信號(hào)的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現(xiàn)，其系統(tǒng)成本低、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)調(diào)試方便且易于擴(kuò)展，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 工藝過程分析

圖2為氣控原理圖。整個(gè)工作時(shí)序具體如下：

(1)采用“人工+電動(dòng)葫蘆+專用吊具”輸送方式，將SRV車型地板總成安裝在地板夾具上，完成夾緊1，安裝之前檢查地板夾具是否在松開狀態(tài)，固定點(diǎn)焊鉗是否在全打開狀態(tài)；

(2)人工將左右側(cè)圍總成分別安裝在左右側(cè)圍夾具上，完成夾緊2、夾緊3；

(3)左右滑臺(tái)由氣缸推動(dòng)前進(jìn)，前進(jìn)到位后鎖緊氣缸鎖死滑臺(tái)；

(4)鎖緊側(cè)圍與地板，完成夾緊4；

(5)上頂蓋，前圍上蓋并按順序完成夾緊7、夾緊6、夾緊 8、夾緊5；

(6)固定點(diǎn)焊鉗開始按照焊接工藝要求打點(diǎn)，人工點(diǎn)焊其他部位焊點(diǎn)；

(7)工作完成后，夾具按順序打開，人工操作滑臺(tái)后退；

(8)將車身送往下一工位。

2.2 控制系統(tǒng)框架

本項(xiàng)目電氣部分主要是用來控制總拼工位的夾具動(dòng)作以及固定點(diǎn)焊鉗的動(dòng)作。其特點(diǎn)是：夾具上氣缸數(shù)量多，信號(hào)多，且非常分散，一套焊接控制器要控制多把焊槍執(zhí)行打點(diǎn)動(dòng)作。我們采用PLC作為控制的核心，利用SMC的閥島單元來收集各個(gè)氣缸的信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。PLC與閥島通過PROFIBUS總線連接，焊接控制器的信號(hào)采用硬線連接。由于采用了SMC閥島單元，方便了氣缸磁性開關(guān)的走線，使整個(gè)硬件接線美觀；通過觸摸屏，可實(shí)時(shí)查看工位運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)控制系統(tǒng)硬件部分如下：

(1)操作臺(tái) 位于本工位的四周。每個(gè)操作臺(tái)由急停按鈕、急停指示燈、滑臺(tái)前進(jìn)帶燈按鈕、滑臺(tái)后退帶燈按鈕、地板操作帶燈按鈕、工作完成帶燈按鈕和備用按鈕構(gòu)成。其中為了確?；_(tái)前進(jìn)時(shí)工人的安全，所有滑臺(tái)前進(jìn)后退按鈕均需雙人操作同時(shí)按下。

(2)操作面板 與觸摸屏一起安置在主控電氣柜的門外側(cè)，面板安裝了10個(gè)電氣元件，如圖3所示。帶有蜂鳴器的Stack light置于電氣柜頂部。紅燈代表急停故障、焊槍控制器報(bào)警或者磁性開關(guān)信號(hào)到位超時(shí)報(bào)警；綠燈代表側(cè)圍所有氣缸打開到位；黃燈代表側(cè)圍氣缸在中間位。

電氣柜以PLC為核心，控制總拼工位的裝夾邏輯與固定焊鉗動(dòng)作。

(3)按鈕盒 側(cè)圍夾具上安裝了共計(jì)14個(gè)獨(dú)立的按鈕盒，除急停按鈕盒之外，還有裝夾按鈕盒與焊接使能按鈕盒。裝夾按鈕用于裝夾側(cè)圍 、前圍上蓋 、頂蓋，出于安全考慮，均需雙人操作，另外裝夾按鈕都有兩種功能：夾緊和松開，前一次按下按鈕之后進(jìn)行夾緊操作，后一次按下按鈕將會(huì)執(zhí)行松開，如此循環(huán)。所有的急停按鈕產(chǎn)生的效果都是緊急停止滑臺(tái)的動(dòng)作，但是在觸摸屏上顯示的報(bào)警信息有區(qū)別。

2.3 控制系統(tǒng)PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)

左右側(cè)圍與地板夾具上的信號(hào)采集與氣缸控制采用SMC閥島單元，其具備PROFIBUS-DP通訊接口，方便與總線的連接。三套SMC閥島單元分別固定在工位的三塊平板上。閥島通過PROFIBUS總線連接到西門子CPU315-2DP上。閥島模塊上接入的紫色通訊線為柔性屏蔽電纜；閥島上的黑色線是24 V電源線，為5芯柔性電纜。均采用柔性電纜減少滑臺(tái)移動(dòng)過程中的磨損，保證正常的通訊，延長(zhǎng)使用壽命。其他外圍信號(hào)(如焊接控制器相關(guān)信號(hào)，按鈕盒上的信號(hào)，安全信號(hào)等)硬線接入到S7-300的數(shù)字輸入輸出系列模塊上。

本控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)選擇PLC作為一類主站，SMC閥島單元作為PROFIBUSDP從站。PROFIBUS-DP總線將所有設(shè)備連接起來，這樣就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。

3 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 編程軟件

系統(tǒng)采用SIEMENS STEP7 V5.4來完成PLC的硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理等功能。采用WinCC Flexible編寫觸摸屏程序，其良好的操作界面，快捷的入門，強(qiáng)大的功能，以及更方便與STEP7符號(hào)表無縫連接，節(jié)省了工作時(shí)間。

在STEP7中，用戶程序由組織塊(OB)、功能/功能塊(FC、FB)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，本系統(tǒng)中它是監(jiān)控軟件WinCC Flexible與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口。

3.2 程序的規(guī)劃

對(duì)于一個(gè)較為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，程序的前期規(guī)劃顯得尤為重要［6］，在充分分析本工位工藝的基礎(chǔ)上，通過合理的程序規(guī)劃與編寫，可以縮短程序開發(fā)的時(shí)間，提高程序的可靠性和可維護(hù)性。圖5為實(shí)際應(yīng)用程序，其中：FB5為焊接規(guī)范功能塊，主要解決焊接規(guī)范的設(shè)置，配合觸摸屏使用；FB6/FB7為地板夾具和側(cè)圍夾具上磁性開關(guān)屏蔽功能塊，配合觸摸屏使用；FB21主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)按鈕兩種功能，用于側(cè)圍工件裝夾上；FB31實(shí)現(xiàn)四個(gè)按鈕兩種功能，用于工作完成時(shí)；FB50為夾具磁性開關(guān)信號(hào)到位超時(shí)報(bào)警模塊；FC1主要用于燈測(cè)試等初始化工作；FC3/FC5主要是左/右側(cè)的工作狀態(tài)，如左/右側(cè)圍夾具氣缸的狀態(tài)，左/右滑臺(tái)的狀態(tài)，左/右滑臺(tái)鎖緊氣缸的狀態(tài)等；FC7主要是固定焊鉗的狀態(tài)；FC8/FC9急停狀態(tài)處理，與觸摸屏的交互信號(hào)，便于判斷哪個(gè)急停按鈕按下；FC11/FC13主要是控制左/右側(cè)的夾具工作，如左/右側(cè)圍夾具氣缸的夾緊松開，左/右滑臺(tái)的前進(jìn)后退，左/右滑臺(tái)鎖緊氣缸的鎖緊解鎖等，調(diào)用FB21，F(xiàn)B31；FC12多次調(diào)用FB50，用于觸摸屏顯示夾具磁性開關(guān)信號(hào)到位超時(shí)報(bào)警；FC15與觸摸屏配合，控制8把固定焊鉗，完成焊接功能。

3.3 控制系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷

車身焊合臺(tái)工藝過程比較復(fù)雜，我們通過人機(jī)界面(HMI)來實(shí)時(shí)監(jiān)控。本控制系統(tǒng)采用西門子TP177B PN DP型號(hào)的觸摸屏，由信息顯示畫面、設(shè)備控制畫面、實(shí)時(shí)報(bào)警處理等3大類33個(gè)畫面組成，主要包括夾具畫面，點(diǎn)焊畫面，報(bào)警畫面，歷史記錄畫面和時(shí)間設(shè)置畫面。

夾具畫面：主要用于協(xié)助上件，借助觸摸屏上的提示信息幫助文本查看磁性開關(guān)到位情況，以調(diào)整或者更換磁性開關(guān)；或者使用屏蔽替代不能得到的信號(hào)；手動(dòng)夾緊或者松開氣缸等；

點(diǎn)焊畫面：主要監(jiān)視當(dāng)前自動(dòng)焊接一個(gè)循環(huán)內(nèi)的焊點(diǎn)數(shù)，焊接規(guī)范選擇，PLC和焊槍控制器的交互信號(hào)，手動(dòng)夾緊或者松開焊鉗，焊鉗空運(yùn)行等，便于調(diào)試；

報(bào)警畫面：可以查看關(guān)于急停按鈕被按下或者焊槍控制器出故障的信息；

歷史記錄畫面：查看歷史紀(jì)錄，查看報(bào)警和消息，幫助解決和清除故障；

時(shí)間設(shè)置畫面：設(shè)定觸摸屏?xí)r間。

通過對(duì)人機(jī)界面(HMI)的查找，快速地找到是哪個(gè)設(shè)備出現(xiàn)了問題，從而為判斷故障節(jié)約了時(shí)間，減少了因故障所造成的生產(chǎn)停歇時(shí)間上的浪費(fèi)，節(jié)約了成本。下面以左側(cè)圍夾緊1畫面(圖6)為例來說明：

畫面主體中的小方框內(nèi)數(shù)字代表的是氣缸編號(hào)(也可將本夾緊所用氣缸CAD氣路圖紙導(dǎo)入，使氣缸編號(hào)在圖中的位置與氣缸的實(shí)際位置相似，有助于查找氣缸)。每個(gè)編號(hào)旁邊的三個(gè)圓形圖形，分別在觸摸屏上定義不同的顏色并與PLC數(shù)據(jù)相連：綠色，夾緊到位；藍(lán)色，松開到位；紅色，信號(hào)被屏蔽。綠色信號(hào)到位之后會(huì)自動(dòng)將其取代即屏蔽位復(fù)位。畫面頂部右側(cè)兩個(gè)按鈕分別用于設(shè)置及復(fù)位某個(gè)需要屏蔽的磁性開關(guān)，數(shù)字輸入框用來輸入需要屏蔽的氣缸磁性開關(guān)編號(hào)。畫面底部四個(gè)按鈕分別實(shí)現(xiàn)畫面的返回，工步的跳轉(zhuǎn)，以及手動(dòng)夾緊和松開。

4 結(jié)語

PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線以其信號(hào)傳輸安全可靠、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單及成本低等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。西門子PLC功能強(qiáng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾能力強(qiáng)，接線簡(jiǎn)單，編程靈活、方便等特點(diǎn)能保證系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作。HMI設(shè)備以其直觀明了的監(jiān)控畫面使得控制管理系統(tǒng)更高效，能夠準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生部位，節(jié)省了檢修的時(shí)間。目前，該技術(shù)已成功地運(yùn)用于某SRV車型車身合裝臺(tái)控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)投入運(yùn)行近一年來，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］王元?jiǎng)?，何可敬，高銀，等.汽車車身合裝臺(tái)設(shè)計(jì)研究［J］.汽車工藝與材料，2001，3：32.

［2］陳延河.客車焊合臺(tái)的柔性設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.客車技術(shù)與研究，2008(6)：36.

［3］廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］王慧鋒，何衍慶.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2006.

［5］劉美俊.西門子S7-300/400 PLC應(yīng)用案例解析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［6］郭宗仁，吳亦鋒，郭永.可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2000：240.

［7］韓兵.現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)監(jiān)控與組態(tài)軟件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［8］WinCC flexible 2007 Compact/Standard/Advanced User's Manual Issued：07/2007.SIMATIC