現(xiàn)代汽車發(fā)動機裝配線的工業(yè)監(jiān)控軟件設計

薛士龍，張輝，黃永峰，劉偉

(1.上海海事大學物流工程學院，上海 201306;2.上海勝屹自動化工程有限公司，上海 201399)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對汽車性能的要求不斷提高.提高汽車生產(chǎn)過程的精密程度是解決上述問題的重要措施，其中發(fā)動機的裝配是提高汽車性能的最重要環(huán)節(jié).人工操作已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度的要求，因此工業(yè)控制網(wǎng)絡成為現(xiàn)代汽車裝配生產(chǎn)的核心控制架構.［1-2］

小型汽車發(fā)動機裝配流水線的工位包括螺栓擰緊工位、凸輪軸連桿安裝工位、缸體打標工位、流水線線體控制工位、殼體密封油封壓裝工位等.數(shù)據(jù)的采集和管理系統(tǒng)是工業(yè)流水線中必不可少的系統(tǒng)，可以提高生產(chǎn)過程的精密程度，也可為后期產(chǎn)品的維護和數(shù)據(jù)追溯提供數(shù)據(jù)支持.油封壓裝工位用于發(fā)動機軸承密封圈安裝，是發(fā)動機裝配流水線中具有代表性的工位.本文采用OPC技術和串口通信技術，構建油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)［3］.

1 油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)構建

油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構分為數(shù)據(jù)管理層、監(jiān)控層、控制層、設備層，見圖1.

圖1 油封壓裝工位監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

管理層和監(jiān)控層的功能是對數(shù)據(jù)進行處理和應用.管理層位于整個系統(tǒng)頂部，負責對整條發(fā)動機裝配流水線進行數(shù)據(jù)采集、處理和管理.監(jiān)控層是嵌有監(jiān)控軟件的工控機，對流水線中具體工位進行數(shù)據(jù)管理.監(jiān)控軟件采用VB 6.0編寫，可實現(xiàn)設備層數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)處理、報警顯示等功能.［4］

控制層選用西門子CPU315-2PN/DP型PLC為系統(tǒng)主站，主站中分配有一個DI模塊和一個DO模塊，作為操控臺的數(shù)據(jù)輸入和顯示.PLC通過以太網(wǎng)與工控機實時通信，通過Profibus-DP通信方式與兩個DP從站進行通信.從站1主要實現(xiàn)對設備層上料滑臺的控制.從站2主要實現(xiàn)對設備層簡單I/O設備(包括油封壓機、輔助氣缸)的控制.

設備層包括油封壓裝工位的所有執(zhí)行機構.執(zhí)行機構包括上料滑臺、油封壓機、輔助氣缸.上料滑臺電機采用西門子MM440變頻器輸出控制，有利于實現(xiàn)定位;油封壓機通過數(shù)據(jù)采集傳感器和監(jiān)控軟件進行反饋控制;輔助氣缸通過I/O實現(xiàn)簡單控制.

監(jiān)控軟件通過現(xiàn)場壓力、位移傳感器進行數(shù)據(jù)采集，傳感器支持研華USB-4716數(shù)據(jù)采集卡，壓力、位移參數(shù)通過串口通信［5-6］進行采集.油封壓裝工位工作中，壓力、位移傳感器用于檢測壓機壓裝的位移值和壓機受到的壓力值，這兩個參數(shù)的精度直接影響到油封壓裝的質(zhì)量.

2 監(jiān)控軟件的設計

監(jiān)控軟件基于VB 6.0開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)的主要功能包括:用戶登錄、控制參數(shù)設定、通信設置與維護、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)報警顯示、歷史數(shù)據(jù)保存等.監(jiān)控軟件工作流程如下:

(1)壓裝前準備工作.用戶登錄，確認用戶使用權限;通信情況檢測，檢測監(jiān)控軟件與PLC通信是否正常.

(2)壓裝工位正常工作過程.下達壓機工作命令;讀取壓機工作的壓力、位移值;數(shù)據(jù)處理，生成壓裝曲線并顯示壓裝結果，或生成相應報警信息.

(3)工位工作結束.存儲歷史數(shù)據(jù).監(jiān)控軟件工作流程見圖2.

2.1 監(jiān)控軟件通信

監(jiān)控軟件設計的主要工作是實現(xiàn)監(jiān)控軟件與PLC和數(shù)據(jù)采集卡之間的通信，并設計軟件界面.實現(xiàn)通信是實現(xiàn)監(jiān)控功能的基礎條件.軟件通信的實現(xiàn)主要包括軟件與PLC的OPC通信和軟件與數(shù)據(jù)采集卡的串口通信.［7］

2.1.1 OPC 通信的實現(xiàn)

OPC是一種能夠提供高效信息集成和數(shù)據(jù)交互功能的工業(yè)通信接口標準，在工業(yè)網(wǎng)絡控制中具有廣泛的應用.實現(xiàn)OPC通信包括實現(xiàn)硬件組態(tài)和軟件程序的編寫.［8］在油封壓裝系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構中，利用OPC技術實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件與S7-300 PLC的通信，西門子PLC作為OPC服務器，VB作為OPC客戶端，在SIMATIC NET和STEP 7軟件環(huán)境下，完成OPC服務器與S7-300連接通信的硬件組態(tài)，用VB編寫OPC客戶端和服務器端程序［9］.圖3為工控機與PLC硬件連接.

圖2 監(jiān)控軟件工作流程

圖3 工控機與PLC硬件連接

在硬件連接的基礎上需要進行硬件的組態(tài)，組態(tài)過程在SIMATIC NET和STEP 7軟件環(huán)境下完成.安裝SIMATIC NET之后，通過運行Station Configuration Editor，配置PC站硬件機架，作為OPC通信的服務器;通過STEP 7組態(tài)PC Station，并下載到OPC服務器中，完成硬件組態(tài).然后，調(diào)用 OPCDAAuto.DLL控件，并定義監(jiān)控軟件與PLC通信的變量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組發(fā)送和接收.［10-11］

2.1.2 數(shù)據(jù)采集卡與監(jiān)控軟件之間通信的實現(xiàn)

本設計采用的USB-4716數(shù)據(jù)采集卡提供帶有16位分辨率的16SE/8Diff.模擬量輸入、傳輸速度為200 kS/s.USB-4716數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與工控機連接，實現(xiàn)串口通信.數(shù)據(jù)采集卡的讀入電壓范圍為－5～+5 V，壓力值采用TOX-ZPS壓力傳感器采集，位移值采用NOVO電阻式位移傳感器采集.TOX-ZPS壓力傳感器需要根據(jù)功率選擇信號放大器處理其讀入的信號，方能接入板卡.

在實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集卡通信的過程中，直接采用研華提供的標準動態(tài)鏈接庫文件和第三方制作的ActiveX控件，可在一定程度上降低程序開發(fā)的難度和成本，具有較好的靈活性和標準性.研華公司的Advantech DLL Driver軟件支持USB-4716等多種型號數(shù)據(jù)采集卡的設備驅動，提供adsapI32.DLL動態(tài)鏈接庫，其中包含一系列能對硬件設備進行底層I/O操作的函數(shù).在全局模塊的說明部分用Declare聲明所要使用的DLL函數(shù)，就可以從VB調(diào)用這些DLL函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡中數(shù)據(jù)的讀取和應用.［12-13］

2.2 軟件界面的設計

在VB 6.0的環(huán)境下，運用OPC和串口通信技術設計汽車裝配流水線的監(jiān)控界面.界面設計主要包括人機交互界面的設計和軟件功能的設計，其中實現(xiàn)監(jiān)控軟件功能是關鍵步驟.

(1)登錄界面.用戶通過輸入用戶名和密碼登錄監(jiān)控系統(tǒng).根據(jù)客戶要求，登錄界面具備分權限登錄功能，不同權限的用戶對系統(tǒng)的可控范圍不同.

(2)應用主界面.主界面(見圖4)分為工具欄、產(chǎn)品型號選擇欄、檢測狀態(tài)欄、通信狀態(tài)欄、壓裝曲線表等5部分.工具欄的功能包括系統(tǒng)參數(shù)設定、歷史數(shù)據(jù)查看、退出系統(tǒng)等;產(chǎn)品型號選擇欄可根據(jù)預先設定的數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品型號的選擇;檢測狀態(tài)欄顯示壓裝過程中的壓力、位移實時數(shù)據(jù)和壓裝結束后的壓裝結果;通信狀態(tài)欄顯示監(jiān)控軟件與PLC的通信情況;壓裝曲線表包括一個循環(huán)過程的壓力和位移曲線.

圖4 監(jiān)控軟件主界面

(3)數(shù)據(jù)庫應用.在系統(tǒng)應用過程中，數(shù)據(jù)的處理和存儲功能具有非常重要的作用.本文設計的軟件應用ADODB函數(shù)組件對Access數(shù)據(jù)庫進行管理應用，界面數(shù)據(jù)顯示使用DataGrid控件.［14］功能包括:用戶數(shù)據(jù)設定、新型號產(chǎn)品入檔、歷史數(shù)據(jù)存儲.圖5為數(shù)據(jù)庫在監(jiān)控軟件中的應用.

3 結束語

圖5 壓裝歷史數(shù)據(jù)保存界面

本設計可實現(xiàn)上位機與PLC、上位機與數(shù)據(jù)采集卡的通信，完成數(shù)據(jù)的采集分析處理和對現(xiàn)場控制層的反饋控制，真正實現(xiàn)監(jiān)控軟件的檢測和控制功能，達到預期的設計要求.該油封壓裝工位監(jiān)控軟件已經(jīng)投入實際生產(chǎn)，實踐證明，本設計的結果比較理想，具有一定的實用價值.

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