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1  引言

汽車同其他現代高級復雜工具如電子計算機一樣,在所有的歷史變遷,可謂與人們的生活息息相關,都具有時代個性,代表著一種文化背景和品位[1]。隨著人們生活水平的不斷提高,對汽車的要求也越來越高,相應的汽車生產線也向著高科技方向發展,利用先進的自動化技術,控制技術和通訊技術,設計智能化,高節能的汽車流水線控制系統成為必然趨勢。

可編程序控制器(簡稱PLC)由于具有功能強、可編程、智能化等特點,已成為汽車生產工業控制領域中最主要的自動化裝置之一,它是當前電氣程控技術的主要實現手段。本工程采用羅克韋爾公司的Logix5561系列的PLC與軟件CIMPLICITY相結合,再連接三菱A700變頻器構成全自動車間滾床控制系統,既利用了變頻器調速技術優良的控制性能,又利用了CIMPLICITY監控軟件豐富的組態功能,操作方便,界面友好,與PLC通訊良好等功能。 

2  工藝流程概述

在汽車制造過程,涂裝工藝是汽車裝配線上的重要環節,涂裝有兩個重要作用,第一車防腐蝕,第二增加美觀,而滾床就是一種汽車裝配線上的運送裝置。變頻滾床,顧名思義速度可變,一般采用變頻器控制滾床上的電機,變頻啟動,0-50HZ工況運行。變頻滾床根據工藝運行方向運行,滾床上裝有傳感器。分為進位傳感器,減速傳感器,到位傳感器。進位傳感器為常開點,感應到該傳感器時,表明橇體開始進入滾床;減速開關為常閉點,感應到該傳感器時,橇體的運行速度由高速變為中速;到位傳感器為常開點,感應到該傳感器時,橇體停止動作,表明橇體完全進入滾床。在承接汽車配件的撬體到達滾床并感應到滾床上的傳感器時,給PLC輸入信號,PLC通過接觸器控制變頻器,從而調整滾床電機的運行速度[2]。采用PLC與軟件CIMPLICITY軟件相結合,對現場工藝流程進行實時監控和輸出報警信息,并進行實時的報警匯總,便于工作人員調試維護,保證設備的正常運行。如圖1所示: 

3  硬件組成

本工程的現場工藝設備是基于北美通用汽車的CCH1和CCS2標準設計制造和安裝,采用美國羅克韋爾公司Allen-Bradley Logix5561系列的PLC作為設備層控制核心對滾床進行控制,也負責對現場的變頻器斷路器等器件的檢測控制,實現控制策略,其通信功能能夠實現與上位機監控與遠程通訊。在本控制系統中有一個PLC控制器,其可以滿足系統對開關量的要求,一個以太網模塊,用于與個人電腦或者與上位機進行通訊,兩個輸入模塊,用于對配電柜里的變頻器和接觸器等器件控制檢測,兩個DEVICENET模塊,DEVICENET現場總線技術把主控柜和現場個遠程控制站連接成一個整體[3],保證PLC與遠程控制站,或者相鄰兩個PLC之間的數據讀取和寫入,實現數據信息的共享。各個遠程控制站采用AB Control Logix系列1734-ADNX模塊,他能自動復制節點地址,在數據鏈路層的內置重試,基于連接的通訊,每個網路連接的錯誤計數器和受力狀態下有小于10-7的位誤碼率。硬件組成如圖2所示。 

上位管理層以監控中心上位機為核心,實現對配電柜內變頻器等器件以及現場檢測元件的監控,處理來自控制器的數據以及報警信息,維護數據庫,向管理人員提供友好的人機界面和報表打印等工作,同時支持企業內部網的遠程訪問,便于遠程監控。 

PLC模塊,變頻器,以太網交換機等均在同一個配電柜內,稱為主控制柜。主要用于對現場設備提供動力電,并進行實時控制。主控柜從結構上可分為3部分:右側的單柜為該區域的設備提供電源,左側的單柜放置PLC、分布式總線模塊和交換機,中間的連接柜為變頻器柜,變頻器和與其相連接的其他硬件均安裝在同一個配電柜中。外部380V電壓通過主斷路器連接到右側單柜內,作為主電源為柜內的電氣元件供電。為保證系統的穩定性,每一臺電機由一個變頻器控制,由一個斷路器來控制其通斷,變頻器采用三菱FR-A700,采用三種輸出頻率,高速頻率為50HZ,中速為30HZ,低速為10HZ,每一個滾床均有一個制動單元,用于緊急制動。由于現場工藝設備較多,根據現場工藝要求,將變頻器電路分為兩段,這樣既節省了成本,又方便工作人員的調試及檢修。變頻器接線方式如圖3所示。

從主控柜中引出220V作為主控制柜內空調電壓,用于轉移PLC,變頻器等精密電子元件產生的熱量,防止柜內溫度升高影響電氣設備的穩定性。柜內有兩個變壓器,由于其所處的用途不同,一個為2.5千伏安處理器變壓器,位于主斷路器前,為上位機工程師站,柜內的照明燈等供電,此變壓器與兩個穩壓電源相連,一個為10A為PLC電源1756-PA72供電的基板電源,以及一個6.5A的直流穩壓電源,主要給以太網總線供電,另一個為3千伏安變壓器,位于主斷路器后,主要用于給現場各遠程控制站以及現場工藝流程的控制回路供電,此變壓器與一個兩個10A直流穩壓電源相連,一個用于為D網總線供電,另一個用于I/O模塊和急停線路供電。此系統有兩個控制回路,都位于主控柜內,一個為220V電源控制回路,用于控制主控柜的總電源。另一個控制回路為24V急停控制回路,用于對各個操作站的的控制,在出現故障時可以及時停止流水線,保證現場生產和工作人員的安全,此兩個控制回路均在主控柜柜面有控制旋鈕來控制回路的通斷。

主控柜的上電方法:當主控柜內所有開關都正常上電完成后,需要在控制柜面板上將控制回路接通的鑰匙旋鈕向右側旋轉一次,這時控制柜內的控制回路接觸器接通,主控柜上電完成。當需要將主控柜內的控制回路斷開時,只要按下面板上的控制回路停止按鈕,這時控制回路接觸器斷開,同時段電源接觸器斷開,主控柜內的變頻器也同時斷電。

在主控柜內主機架中的兩個輸入模塊主要用于檢測主控柜內各電器元件是否連接正常,輸出報警信號,如圖4所示。

另一個I/O模塊與柜內斷路器,變頻器等電器元件相連,輸入信號主要為檢測斷路器的跳閘,變頻器的故障,輸出報警信號;輸出信號主要控制變頻器的運行狀態。各輸入輸出模塊的數量根據現場工藝設備以及變頻器的數量而定,但為以后維修調試方便,要有20%預留量。各滾床的輸入輸出點如下:

輸入:滾床斷路器跳閘;變頻器故障;變頻器頻率輸出;滾床電機輸出。

輸出:滾床正轉輸出;滾床反轉輸出;滾床高速輸出;滾床中速輸出;滾床低速輸出;滾床制動器動作。 

遠程控制站位于現場設備的附近,用于對設備運行狀態的調整,和必要的手動控制。遠程控制站通過DEVICENET現場總線用1734-ADNX模塊與主控柜相連[4],在其控制面板有各滾床運行狀態的控制按鈕和自動手動旋鈕等,還有一個紅色柱狀燈,用于報警顯示。工作人員通過面板上得按鈕、旋鈕、急停等來控制該操作站所管轄區域設備的運行狀態,面板的上指示燈可顯示設備的運行狀態。柜內有直流電源為總線模塊提供24VDC電源,將現場信息采集到操作站內的現場總線模塊,并發送到PLC中,由于個遠程控制站管轄設備數量不同,所以各控制站I/O模塊數量不同,但為以后維修調試方便,要有20%預留量,其模塊的輸入輸出點如下:

輸入: 自動模式;手動模式;急停;入口占位;正轉減速;正轉到位;

輸出: 報警信號;急停

4  系統軟件設計

4.1  下位機控制程序設計

下位機程序是由AB公司開發的RSLogix 5000軟件實現的,RSLogix 5000企業版序列軟件用來與羅克韋爾自動化Logix平臺協同工作。RSLogix 5000軟件兼容IEC 61131-3標準,提供梯形圖邏輯、結構化文本、功能塊圖、順序功能表編輯器以用于開發應用程序,還包括支持運動控制的軸配置和編程,它應用于Control Logix系列PLC[5],同時也可以作為實時監控用戶程序的執行狀態使用。整個控制系統的主要要求是檢測傳感器信號,按照系統的控制流程,通過執行元件和變頻器對滾床上電機進行控制實現現場設備對工件的合理交接,其整體控制流程圖如圖5所示。

系統程序流程說明如下:

1. 系統采用模塊化編程,每一段程序由主程序調用模塊,網絡及電源通訊模塊,運行模塊,故障診斷與報警輸出模塊等組成[6]。主程序調用模塊的作用是初始化子程序,調度子程序,降低程序復雜度,使程序的設計,調試和維護等操作簡單化。

2. 網絡及電源通訊模塊:在此模塊中,主要將主控柜中的IB16中的數據引入程序中,此處要根據實際情況添加報警,通過接收信號,保證主控柜內各個電器元件工作正常,使系統能夠正常運行。圖6為其控制流程圖。 

3. 故障診斷與報警輸出模塊:在此模塊中,程序通過接收到的電路保護信號,以及工藝設備的故障報警信號,根據一定的條件得出診斷結果。如果沒有故障,僅有報警的話,程序繼續執行,但會在不影響現場工藝運行的情況下顯示報警狀態。如果有故障的話,現場設備停止運行,輸出報警信息,通知工作人員進行處理。

4. 運行模塊:按系統要求,在運行模塊下,系統的工作方式有兩種:自動模式和手動模式,此兩種模式均在遠程操作站的面板按鈕實現。

手動模式:用于系統出現故障和調試的情況,在CIMPLICITY監控畫面上輸出報警信息,在此狀態下,變頻器的輸出均為低速輸出為10HZ,在遠程操作站控制面板上的按鈕來控制滾床的動作,使滾床在正確的位置。當把報警消除后,將自動/手動按鈕調至自動狀態,復位啟動,圖7為該程序模塊的控制流程圖。 

自動控制模式:在自動模式下,主控柜內的交流接觸器吸合,電機與變頻器接通。此時變頻器在PLC控制下有兩個輸出頻率,高速50HZ與中速30HZ,滾床與電氣元件將根據現場工藝條件動作,調整撬體的運行速度,合理的完成滾床間承載汽車配件的交接,使汽車裝配線流快捷,控制流程圖如圖8所示:

滾床上件的動作條件:

本單元滾床:1 滾床上無橇體,2硬件驅動工作正常,3入口沒有封鎖。

前單元滾床:1 滾床上有橇體,2硬件驅動工作正常,3出口沒有封鎖。

正向上件的動作過程:

首先,橇體從前單元滾床由本單元設備的入口高速進入滾床,橇體先感應進占位開關,本單元滾床的變頻器將輸出高速頻率;當橇體感應到進減速開關時,變頻器輸出中速頻率;最后,當橇體感應到進到位開關時,變頻器停止,橇體停止,上件過程完畢。此時,橇體應該且必須感應到所有傳感器開關,即進占位開關,進減速開關和進到位開關。 

滾床下件的動作條件:

本單元滾床:1 滾床上有橇體,2硬件驅動工作正常,3出口沒有封鎖

后單元滾床:1 設備上無橇體,2硬件驅動工作正常,3入口沒有封鎖

正向下件的動作過程:

首先,橇體從本單元設備由后單元設備的入口高速進入后單元設備,橇體先感應后單元設備進占位開關,此時后單元設備的變頻器輸出高速頻率;當橇體感應到進減速開關時,變頻器中速輸出中速頻率;最后,當橇體移完全動到后單元設備且感應到進到位開關時,變頻器停止輸出,橇體停止,下件過程完畢。此時,本單元設備上所有傳感器進占位開關,進減速開關與進到位開關均無感應。

4.2  上位機控制程序設計

CIMPLICITY HMI是由通用公司針對于汽車領域開發的上位機監控組態軟件,基于Microsoft WINOOWs NT和WINOOWs 95的產品,它可以適用于單一的人機界面到完全網絡化的監督控制和數據采集系統,在各個層次上都具有網絡互聯能力,能夠獲得各個層次的集成而不需要在一個網絡中進行重復的組態。它是由服務器和瀏覽站組成的基于客戶服務體系結構的系統,服務器負責數據的采集和數據的分配,瀏覽站連接到服務器上可以對被采集的數據進行完全的訪問以便觀察和控制。

首先通過軟件的編程界面設置通訊連接,通過RJ45線利用工業以太網交換機將Logix5561PLC與CIMPLICITY建立連接[7],利用RSLinx OPC Sever作為其的數據傳輸方式。然后建立變量標簽,將PLC中的變量傳送到CIMPLICITY中,最后建立過程畫面。使用CIMPLICITY中的圖形編輯器可以繪制各種元素和圖形,該系統畫面主要由主畫面、各個遠程控制站的狀態、網絡狀態、歷史報警、實時報警等畫面組成。上位機可以顯示每臺滾床的實時狀態:滾床停機顯示白色;正在運行顯示綠色;滾床有故障顯示紅色。以及各遠程操作站的的狀態,每個畫面的下方可以及時的顯示當前的報警及故障信息,便于工作人員進行及時的維修調試。建立好CIMPLICITY和PLC的通訊連接后,PLC上得事件將是可視和可操作的,在實際運行中為了防止誤操作而對系統產生傷害,對不同的操作人員設定不同的操作密碼和相應的操作權限。 

主監控畫面如圖9所示,能夠實時顯示工藝設備的狀態[8],下面的白色方框不僅可以顯示工藝設備及電機的報警和故障信息,還能顯示主控柜及各遠程控制站的報警及故障信息,可以很迅速的可以查出哪個部分出現了異常,進行及時的調整維護。點擊下面的按鈕可以進入相應的界面,點擊前一區跟后一區進入別的區域的滾床運行狀態。此外,該監控系統還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設定了兩個權限,一個為操作權限,此權限僅能監控;另一個為維修權限,可以對系統進行修改,這樣用相對應的權限來實現相對應的操作,有效的保證了系統操作的安全性。

如果沒有監控系統,一旦發生故障,操作人員無法立即知道出現異常的部分,只能一段一段的尋找或者按照經驗來查找,對當前個部分的運行狀態也沒有一個整體的觀測,這給系統的運行和操作帶來了很多不便,影響生產效率,實時報警和歷史報警很好的解決了這一問題,通過對現場工藝的監控并記錄報警和故障信息,操作人員只要檢查相對應的部分設施即可,大大提高了生產效率,歷史報警記錄了最近的6天報警記錄,連接到企業網絡中還可以進行實時打印,將報警記錄進行匯總,找出發生報警頻率較高的部分,方便操作人員進行及時的修改,避免以后造成更大的故障。 

5  結束語

此控制系統運行系統穩定可靠。極大地提高了勞動生產率,該系統有效地解決了生產中的很多問題,如減少了生產過程中的突發故障,縮短了生產準備時間和搶修時間,減少了工人的勞動強度,為汽車生產創造了可觀的經濟效益和社會效益,達到了節能降耗的目的。與其他系統相比,本系統具有以下優點:

1) 采用DEVICENET現場總線技術,具有良好的開放性和完整、周密的網絡協議,通過總線將主控柜和現場的遠程控制柜連成一個整體,保證PLC與遠程控制站間的數據讀取和寫入,實現數據信息的共存。從而保證了全線自動化生產、順序啟動和順序停車。

2)  系統控制方案簡單,結構簡潔,維修方便,系統根據設備布置了遠程操作站,分別設置于就近的設備附近,可以方便快捷的進行設備調整和生產線上個別環節需要手動進行的工作以及日后的維修。

3) 系統采用柜裝變頻器控制,具有成本低,運行可靠,維護方便的優點。