基于PROFIBUS-DP的某SRV車型車身合裝臺控制系統設計與實現

李 斌 王健強 王長潤 王華國

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

汽車車身焊合臺是把車身前后圍、左右側圍、底架及頂蓋總成等合裝組焊成骨架總成的設備，是車身焊裝生產線的關鍵設備，也是確保車身焊裝質量和效率的基礎和前提［1-2］。圖1所示為某SRV車型的合裝臺右側結構數模圖(左側對稱)。合裝臺由地板臺架、左右側圍活動臺架、地板定位夾具、左右側圍夾具、前圍夾具、頂蓋夾具等組成。地板總成裝夾在地板臺架上，左右側圍臺架帶動安裝在其上的左右側圍總成直線移動，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現場總線來實現信號采集和分散控制，最大程度地減少布線，節省安裝和維護費用。

1 PROFIBUS現場總線

PROFIBUS是目前國際上通用的現場總線標準之一，是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現場總線標準［3］。它以其顯著的特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，被納入歐洲標準(EN50170)和國際標準(IEC61158)的現場總線標準，廣泛應用于工業自動化。2006年10月成為中華人民共和國國家標準(GB/T 20540-2006)，這是目前我國唯一批準的現場總線國家標準。

PROFIBUS根據應用特點，分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中 PROFIBUS-DP(Decentralized Periphery，分布式外圍設備)是一種高速(數據傳輸速率9.6 kbit/s～12 Mbit/s)經濟的設備級網絡，用于現場控制器與分散I/O之間通信，在信號的傳輸精度、可靠性和抗干擾性有不俗的表現，其系統成本低、安裝簡單、維護調試方便且易于擴展，適用于加工自動化領域。

2 控制系統的構建

2.1 工藝過程分析

圖2為氣控原理圖。整個工作時序具體如下：

(1)采用“人工+電動葫蘆+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，固定點焊鉗是否在全打開狀態；

(2)人工將左右側圍總成分別安裝在左右側圍夾具上，完成夾緊2、夾緊3；

(3)左右滑臺由氣缸推動前進，前進到位后鎖緊氣缸鎖死滑臺；

(4)鎖緊側圍與地板，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)固定點焊鉗開始按照焊接工藝要求打點，人工點焊其他部位焊點；

(7)工作完成后，夾具按順序打開，人工操作滑臺后退；

(8)將車身送往下一工位。

2.2 控制系統框架

本項目電氣部分主要是用來控制總拼工位的夾具動作以及固定點焊鉗的動作。其特點是：夾具上氣缸數量多，信號多，且非常分散，一套焊接控制器要控制多把焊槍執行打點動作。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氣缸的信號，執行相應的動作。PLC與閥島通過PROFIBUS總線連接，焊接控制器的信號采用硬線連接。由于采用了SMC閥島單元，方便了氣缸磁性開關的走線，使整個硬件接線美觀；通過觸摸屏，可實時查看工位運行狀態。整個控制系統硬件部分如下：

(1)操作臺 位于本工位的四周。每個操作臺由急停按鈕、急停指示燈、滑臺前進帶燈按鈕、滑臺后退帶燈按鈕、地板操作帶燈按鈕、工作完成帶燈按鈕和備用按鈕構成。其中為了確保滑臺前進時工人的安全，所有滑臺前進后退按鈕均需雙人操作同時按下。

(2)操作面板 與觸摸屏一起安置在主控電氣柜的門外側，面板安裝了10個電氣元件，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、焊槍控制器報警或者磁性開關信號到位超時報警；綠燈代表側圍所有氣缸打開到位；黃燈代表側圍氣缸在中間位。

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作。

(3)按鈕盒 側圍夾具上安裝了共計14個獨立的按鈕盒，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行夾緊操作，后一次按下按鈕將會執行松開，如此循環。所有的急停按鈕產生的效果都是緊急停止滑臺的動作，但是在觸摸屏上顯示的報警信息有區別。

2.3 控制系統PROFIBUS總線網絡

左右側圍與地板夾具上的信號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移動過程中的磨損，保證正常的通訊，延長使用壽命。其他外圍信號(如焊接控制器相關信號，按鈕盒上的信號，安全信號等)硬線接入到S7-300的數字輸入輸出系列模塊上。

本控制系統硬件架構如圖4所示，該系統選擇PLC作為一類主站，SMC閥島單元作為PROFIBUSDP從站。PROFIBUS-DP總線將所有設備連接起來，這樣就實現了現場設備之間的通信。

3 控制系統軟件構成

3.1 編程軟件

系統采用SIEMENS STEP7 V5.4來完成PLC的硬件組態、參數設置、程序編制、測試、調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，強大的功能，以及更方便與STEP7符號表無縫連接，節省了工作時間。

在STEP7中，用戶程序由組織塊(OB)、功能/功能塊(FC、FB)和數據塊(DB)構成。其中，OB是系統操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存取數據的存儲區，本系統中它是監控軟件WinCC Flexible與STEP7程序的數據接口。

3.2 程序的規劃

對于一個較為復雜的應用系統，程序的前期規劃顯得尤為重要［6］，在充分分析本工位工藝的基礎上，通過合理的程序規劃與編寫，可以縮短程序開發的時間，提高程序的可靠性和可維護性。圖5為實際應用程序，其中：FB5為焊接規范功能塊，主要解決焊接規范的設置，配合觸摸屏使用；FB6/FB7為地板夾具和側圍夾具上磁性開關屏蔽功能塊，配合觸摸屏使用；FB21主要實現一個按鈕兩種功能，用于側圍工件裝夾上；FB31實現四個按鈕兩種功能，用于工作完成時；FB50為夾具磁性開關信號到位超時報警模塊；FC1主要用于燈測試等初始化工作；FC3/FC5主要是左/右側的工作狀態，如左/右側圍夾具氣缸的狀態，左/右滑臺的狀態，左/右滑臺鎖緊氣缸的狀態等；FC7主要是固定焊鉗的狀態；FC8/FC9急停狀態處理，與觸摸屏的交互信號，便于判斷哪個急停按鈕按下；FC11/FC13主要是控制左/右側的夾具工作，如左/右側圍夾具氣缸的夾緊松開，左/右滑臺的前進后退，左/右滑臺鎖緊氣缸的鎖緊解鎖等，調用FB21，FB31；FC12多次調用FB50，用于觸摸屏顯示夾具磁性開關信號到位超時報警；FC15與觸摸屏配合，控制8把固定焊鉗，完成焊接功能。

3.3 控制系統的監控與故障診斷

車身焊合臺工藝過程比較復雜，我們通過人機界面(HMI)來實時監控。本控制系統采用西門子TP177B PN DP型號的觸摸屏，由信息顯示畫面、設備控制畫面、實時報警處理等3大類33個畫面組成，主要包括夾具畫面，點焊畫面，報警畫面，歷史記錄畫面和時間設置畫面。

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

點焊畫面：主要監視當前自動焊接一個循環內的焊點數，焊接規范選擇，PLC和焊槍控制器的交互信號，手動夾緊或者松開焊鉗，焊鉗空運行等，便于調試；

報警畫面：可以查看關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：查看歷史紀錄，查看報警和消息，幫助解決和清除故障；

時間設置畫面：設定觸摸屏時間。

通過對人機界面(HMI)的查找，快速地找到是哪個設備出現了問題，從而為判斷故障節約了時間，減少了因故障所造成的生產停歇時間上的浪費，節約了成本。下面以左側圍夾緊1畫面(圖6)為例來說明：

畫面主體中的小方框內數字代表的是氣缸編號(也可將本夾緊所用氣缸CAD氣路圖紙導入，使氣缸編號在圖中的位置與氣缸的實際位置相似，有助于查找氣缸)。每個編號旁邊的三個圓形圖形，分別在觸摸屏上定義不同的顏色并與PLC數據相連：綠色，夾緊到位；藍色，松開到位；紅色，信號被屏蔽。綠色信號到位之后會自動將其取代即屏蔽位復位。畫面頂部右側兩個按鈕分別用于設置及復位某個需要屏蔽的磁性開關，數字輸入框用來輸入需要屏蔽的氣缸磁性開關編號。畫面底部四個按鈕分別實現畫面的返回，工步的跳轉，以及手動夾緊和松開。

4 結語

PROFIBUS-DP現場總線以其信號傳輸安全可靠、安裝維護簡單及成本低等特點，在工業自動化控制領域中得到了廣泛應用。西門子PLC功能強，可靠性高，環境適應能力和抗干擾能力強，接線簡單，編程靈活、方便等特點能保證系統可靠和穩定地工作。HMI設備以其直觀明了的監控畫面使得控制管理系統更高效，能夠準確判斷故障的發生部位，節省了檢修的時間。目前，該技術已成功地運用于某SRV車型車身合裝臺控制系統中，該系統投入運行近一年來，取得了良好的經濟效益和社會效益。

［1］王元勛，何可敬，高銀，等.汽車車身合裝臺設計研究［J］.汽車工藝與材料，2001，3：32.

［2］陳延河.客車焊合臺的柔性設計及應用［J］.客車技術與研究，2008(6)：36.

［3］廖常初.S7-300/400 PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］王慧鋒，何衍慶.現場總線控制系統原理及應用［M］.北京：化學工業出版社工業裝備與信息工程出版中心，2006.

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

［6］郭宗仁，吳亦鋒，郭永.可編程序控制器應用系統設計及網絡技術［M］.北京：人民郵電出版社，2000：240.

［7］韓兵.現場總線系統監控與組態軟件［M］.北京：化學工業出版社，2008.

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