基于PLC遠程I/O的汽車裝配線生產信息系統的應用

周海輝

摘 要：針對汽車裝配線生產信息采集和管理的實際需求，提出了一種基于PLC遠程I/O的解決方案，并給出了具體實施措施。利用SIEMENS S7-200、S7-300PLC和IPC、LED大屏幕組成裝配線生產信息系統，實現裝配線上各工位申請求助、申請停線故障報警信息及裝配線生產節拍、年月日生產計劃、當前完成情況等生產信息顯示，以便于故障及時排除和生產狀況的動態掌握。系統信息采樣及時、信息顯示直觀、信息保存完整。

關鍵詞：汽車裝配生產線；PLC；遠程 I/O

中圖分類號：U468 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0091-04

Abstract： To meet the practical demand of collecting and managing producing information in auto assembly line， the paper gives the solution based on PLC I/O and practical implement measures. In order to remove the fault on time and master the dynamic of producing condition， we can receive the help signals from every workplace in assembly line， apply for display of the alert information of Stagnation fault， the producing time in assembly line， the yearly monthly or daily producing plan， and producing information of current schedule， by using of assembly line information system consisted of SIEMENS， S7-200， S7-300PLC， IPC， LED screen. According the system mentioned in the solution， we can pick up system information in time， display information intuitively and save information perfectly.

Key Words： Auto assembly line； PLC； long-distance I/O

1 引言

汽車裝配生產線是整個汽車生產線的重要組成環節，除了生產線基本自動控制之外，還需要獲得一些對生產的動態調度、設備故障及時排除和頻發故障設備的及時檢修和更換所需要的動態生產信息，如裝配線生產節拍、年月日生產計劃、當前計劃進度、當前實際完成情況、裝配線上各工位申請求助、故障報警和數據統計等，這些信息及時且有效地反饋對保障汽車生產數量和質量具有重要意義[1]。然而，汽車裝配線通常具有幾百米長的距離，若對沿裝配線分布的各采樣監控點采用單一主控制器集中采樣控制，現場將需要鋪設大量信號線纜，造成系統結構臃腫、呆板，不便于日后系統檢修和系統擴展。為此，系統基于SIEMENS S7-200、S7-300PLC和IPC、LED大屏幕和SIEMENS WinCC6.2 組態軟件，實現了汽車總裝生產線生產信息監控及報警系統的設計。

2 系統設計

基于PC的操作員控制和監視系統正處于快速發展階段。西門子公司的SIMATIC? WinCC，是運行于Windows系列操作系統環境下的Windows控制中心，它可將PLC控制、數據處理、通訊、可視化集成于一臺PC機上，非常適合于基于個人計算機的生產過程數據采集與監視控制系統[2]。

為此，系統利用SIEMENS S7-200PLC、SIEMENS S7-300PLC、PROFIBUS現場總線、MPI網絡、工控PC機及5塊2平方米單色LED顯示屏，構建了基于PLC遠程I/O的汽車裝配線生產信息系統的硬件環境，并利用SIEMENS WinCC6.2監控軟件編程完成了工況顯示畫面的設計，系統結構如圖1所示：

本系統總裝生產線共有68個工位，配置11臺SIEMENS S7-200 PLC分組控制。S7-200 PLC由CPU224和EM277 PROFIBUS-DP接口模塊構成，負責將各工位的生產狀態采樣后通過PROFIBUS-DP總線送至主控室內SIEMENS S7-300PLC。S7-300 PLC采用CPU315-2 DP，其內部配置的兩個通訊接口分別用于與PROFIBUS-DP和MPI網絡連接。S7-300 PLC將所有工位采樣信息做相應處理后通過MPI網與工控PC機進行數據通訊[3]。

系統中生產信息實時動態顯示體現在中控室中的工控PC機和分布在裝配車間內的5塊LED大屏幕上，其結構如圖2所示：

顯示畫面的生成利用運行在WindowsXP環境下的SIEMENS WinCC6.2監控軟件編程完成，LED發送卡將LED顯示窗口的掃描值通過網線傳送至各LED顯示屏接收卡，由接收卡解析后送至控制卡形成生產信息的LED點陣顯示[4]。

3 系統實現

3.1 數據通信

S7-200 PLC與S7-300 PLC的數據通信系統采用PROFIBUS-DP現場總線完成，S7-300 PLC與工控PC機的數據通信系統采用MPI網絡完成。

ROFIBUS-DP現場總線在S7-300 PLC上進行組態[1][2][5]，其拓撲結構設計如圖3所示。此結構下將S7-300 PLC設置為PROFIBUS-DP主站，站號定義為2；各S7-200 PLC設置為PROFIBUS-DP從站，站號分別定義為3-13。

從站PLC（S7-200）編程將各工位現場采樣信號映射到組態的V存儲區內，由EM277接口模塊通過PROFIBUS-DP供主站PLC（S7-300）遠程讀寫。IPC選配SIEMENS CP5611通訊卡，采用MPI網絡通信協議由WinCC6.2監控軟件變量管理器編程完成與S7-300PLC的數據通信[5]。

3.2 主站PLC

主站PLC（S7-300）由一塊CPU315-2 DP和一塊電源模塊組成，完成該系統的所有邏輯編程和生產信息加工。它除了完成生產線現場信號的遠程讀取外，還對各工位提出的停線申請信號進行響應，通過PROFIBUS-DP向S7-200控制器輸出停線控制信號。同時，根據車輛下線計數自動完成產量的年累計、月累計和當日當前產量累計，并根據裝配線生產節拍自動計算當日當前計劃進度。這些生產信息顯示在LED大屏幕上給生產管理人員實時動態掌握生產情況提供了直觀有效的手段。為正確反映當日實際產量與計劃進度的比照情況，系統采用WinCC變量與PLC當前計劃進度定時器連鎖，即當WinCC裝配線工況顯示窗口選取停線休息、停線待料等文本列表項時停止計時，以避免非生產線原因造成計劃進度數量增長而出現實際產量與計劃進度的差距。連鎖處理程序主要邏輯如圖4所示：

3.3 監控系統

本系統監控系統組態主要包括監控系統畫面組態和報警系統組態，利用SIEMENS WinCC6.2監控軟件編程完成。監控系統畫面組態利用圖形編輯器繪制組態畫面、定義控件屬性和利用變量管理器建立變量標簽，實現WinCC控件屬性值與S7-300 PLC Step7程序數據區的動態鏈接。報警系統組態利用Alarm Control報警控件生成報警窗口，完成對各種報警的觸發條件、報警文本和報警顯示格式的配置，并實現實時和歷史數據的顯示。監控系統組態如圖5所示：

主畫面由LED顯示屏掃描窗口、報警記錄顯示確認窗口、各工位運行狀態圖示區和相關操作命令按鈕組成。其中LED顯示屏掃描窗口分生產基本信息顯示部分和裝配線當前狀態動態顯示部分，后者用來顯示最新發生的報警信息、正常運行和因何種原因停線的裝配線當前狀態信息。此窗口信息在LED大屏幕上向現場全體工作人員實時發布，以期相關人員及時作出對生產的動態調度、對設備故障的及時排除。此外，在LED顯示屏掃描窗口內可顯示即時輸入的臨時信息供LED顯示屏滿屏大字醒目顯示，即時發布臨時信息的內容在系統提供的PPT模板中錄入。系統還另配有獨立的報警信息畫面，用以顯示報警歷史記錄。

WinCC內部集成了ANSI-C腳本語言系統，根據WinCC報警事件的到來和離去利用Time函數獲取報警起始時間和結束時間，并與求解的持續時間和報警工位號形成一條記錄記載在以日期為單位格式為.TXT的工作日志中。編程實現查詢瀏覽以日期、時間、工位號、報警類型排序所有工位發生的每條報警記錄和總累計持續時間以及某一工位在一段時間內所發生的每條報警記錄和總累計持續時間，并可生成文件打印。此信息對生產管理人員及時定量了解裝配線設備故障或待料停線的發生地點、發生頻率、停線時間以便頻發故障設備的及時檢修和加強物流管理十分重要。

4 結束語

采用現場總線傳輸方式，不但大大降低了系統搭建線纜敷設和日后線纜檢修成本，而且系統配置靈活，可隨工藝要求方便地增減PLC子站的配置數量。同時，PLC子站除了與PLC主站實現遠程I/O外，它還可根據現場工藝要求編程獨立承擔局部控制任務。因此，在長距離PLC集中監控系統中采用遠程I/O方式是上佳選擇。

參考文獻：

[1]路澤永，李立華，冷向東. 汽車裝配線中的信息化和網絡化建設[J]. 可編程控制器與工廠自動化. 2011（11）.

[2]楊路明，雷亞軍. 組態軟件WinCC在自動監控系統中的應用[J]. 計算技術與自動化. 2003（04）.

[3]杜波. 西門子WinCC與S7-300/400 PLC數據通訊[J]. 可編程控制器與工廠自動化. 2009（05）.

[4]申屠南瑛， 裘國華，夏哲雷， 金寧.遠程分布式多LED顯示屏控制系統研究[J].中國計量學院學報 2005（01）.

[5]李波，宋顯明，王明紅. 與SIEMENS WINCC的動態數據交換[J]. 自動化與儀器儀表. 2002（06）.