基于PROFINET通信的激光位移傳感器在汽車前懸外傾角檢測中的應用

梁增提　王莉莉　趙佳萌　覃京翎　曾慶文　林峻鋒

摘 要

為了檢測汽車前懸總成的外傾角，介紹了使用基恩士IL激光位移傳感器和西門子S7-1215C PLC進行PROFINET通信，將前懸減震支柱前后高度數據讀入PLC中，進而計算出前懸總成外傾角的方法。實現了前懸外傾角的實時、非接觸、高精度檢測和數字化處理，為汽車前懸總成外傾角檢測及追溯系統提供了參考。

關鍵詞

激光位移傳感器;PROFINET通信;前懸外傾角

中圖分類號： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.71

0 引言

車輪外傾角，是轉向輪定位中的重要參數之一[1]。偏離設計值的車輪外傾角，容易導致汽車跑偏，轉向沉重，輪胎異常磨損，降低機械零件的使用壽命。在汽車的裝配制造過程中，影響整車前車輪外傾角的重要參數是前懸總成外傾角（簡稱前懸外傾角）。通常，對前懸外傾角的檢測，主要采取線下角度尺或三坐標測量的方式。前者精度低、誤差大，后者效率低、成本高。兩種方式均無法做到100%的高精度在線檢測，既不能保證產品的合格率，也不方便進行數據的存儲、分析和追溯等操作。因此，在線、實時、高精度和數字化檢測前懸總成外傾角就具有了非常重要的意義。

1 檢測原理

汽車前懸外傾角θ是減振支柱與制動角總成安裝端面的夾角。檢測時，將前懸總成固定于定位機構上，通過氣缸將平行于制動角總成安裝端面的連接板下推，使兩個測量頭下壓接觸減振支柱。使用安裝于連接板上的兩個激光位移傳感器對前后兩個測量頭進行測距，得到高度值h1和h2。將h2減去h1得到的高度差除以傳感器的安裝間距L，即可得到前懸外傾角的正切值。最后，對正切值進行反正切運算，就能得出前懸外傾角的角度。檢測機構如圖1所示，外傾角的計算原理如圖2所示。

2 總體方案

采用兩個檢測范圍為200mm至1000mm的基恩士IL-600激光位移傳感器對測量頭進行測距，分別經IL-1000主放大器單元和IL-1050擴展放大器單元放大處理后，通過基恩士DL-PN1模塊以PROFINET通信的方式將測量值傳送給西門子S7-1215C PLC。PLC將兩個距離數據進行解析計算，得出前懸外傾角的角度值，并于西門子TP1200觸摸屏中進行顯示，總體方案如圖3所示。

其中，基恩士激光位移傳感器搭載多功能放大器，能進行測量數據顯示以及NPN/PNP判斷和模擬量輸出。配合通信模塊選件，還可以進行EtherCAT、CC-Link、DeviceNet、EtherNet/IP、ProfiNet等通信。激光位移傳感器常用于工業領域中對厚度、高度、振動等方面的高精度、高穩定性和非接觸式測量。

3 硬件組態

3.1 安裝設備描述（GSD）文件

IL-600激光位移傳感器通過DL-PN1通信模塊（IO設備），即可連接到工業以太網（PROFINET網絡），與西門子PLC（IO控制器）進行周期性的數據I/O通信。

IO設備的屬性以GSD（General Station Description）文件的形式描述[2]。作為第三方IO設備的DL-PN1模塊，只有安裝它的GSD文件（如圖4所示），才能將模塊的信息添加到TIA PORTAL軟件的硬件目錄中。

3.2 組態通信網絡

在設備“網絡視圖”中，添加DL-PN1模塊（硬件目錄：其他現場設備>PROFINET IO>Sensors>KEYENCE COR.），并指定通過“PLC_1.PROFINET接口_1”連接IO控制器（CPU 1215C），組態PROFINET的通信網絡（如圖5所示）。

3.3 組態IO數據地址

在DL-PN1模塊的“設備概覽”中，添加“IL-1***”傳感器放大器模塊，軟件自動分配模塊的IO數據地址（如圖6所示），此地址可由用戶自定義。從圖6中可知：放大器1的輸入數據地址范圍是IB18至IB24;放大器2的輸入數據地址范圍是IB25至IB31;每個傳感器放大器共有7個字節的輸入數據。

3.4 設定通信參數

查看或設定現場模塊的信息，在“在線訪問”下鏈接現場模塊進行操作。在DL-PN1模塊的屬性頁中，確定模塊的IP地址、IO更新周期和IO設備名稱與現場模塊信息一致，否則將導致通信失敗。

4 軟件編程

4.1 軟元件映射

各傳感器放大器模塊輸入到PLC的通信軟元件映射如表1所示。結合圖6的模塊IO數據地址和表1的模塊軟元件映射可知：各個激光位移傳感器的測量值為32位的整型數據（INT32），映射在放大器模塊7個字節輸入數據的最后4個字節中;傳感器1的測量值數據地址為ID21;傳感器2的測量值數據地址為ID28。

其中，P.V.判斷值在不使用內部保持功能、段差計數濾波器和計算功能時，和內部測量值相同。此外，根據容差設定，傳感器放大器的判斷值無效、超出范圍及小于范圍時不會更新值，而是保持上一次的值。在想要確認當前值是否正常時使用判斷值狀態屬性。

4.2 數據轉換

IL傳感器的實際測量值數據范圍為-999.99mm至+999.99mm，通過PROFINET通信輸入至PLC的數據為32位整型數據（即-99999至+99999）。因此，需將通信輸入的數據轉換成實數，然后除以100，才能得到傳感器的實際測量值，轉換程序如圖7所示。其中，變量"傳感器1輸入數據"為32位的雙整型數據（Dint）。

4.3 外傾角計算

對兩個傳感器的實際測量值按圖2所示的公式進行計算，即可得出前懸外傾角的角度值，程序如圖8所示。其中，兩個激光位移傳感器的安裝間距為101mm。由于反正切運算指令（ATAN）的運算結果是外傾角的弧度值，1弧度約為57.296度，故須將弧度值運算結果乘以57.296，才能得到正確的外傾角角度值。

5 檢測試驗

安裝檢測機構、傳感器和各臺設備，完成硬件組態、軟件編程和觸摸屏畫面組態后，對一個經三坐標檢測機測出外傾角為7.60°的前懸總成進行外傾角檢測，如圖9所示。PLC監視數據和計算結果如圖10所示，觸摸屏監視畫面如圖11所示。

由試驗結果可知，PLC正確通過PROFINET通信獲取了激光位移傳感器的測量數據，對測量頭的測距結果分別為200.10mm和213.57mm，前懸外傾角的計算結果為7.596532°，計算結果正確，和三坐標檢測機的測量結果誤差很小。

6 結束語

基于PROFINET通信的激光位移傳感器已在汽車前懸總成外傾角的檢測中通過了試驗，并已在工程現場應用。本方案免去了傳感器I/O信號線的連接工作，降低了系統維修成本和編程開發的難度。也實現了外傾角的數字化實時檢測，保證了產品的質量，為后續的數據追溯、質量分析和工藝優化提供了數據支持。將本方案稍做修改，即可應用于類似的其他場合中，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]莫立權，蘇萍.車輪外傾角偏差影響因素的分析研究[J].裝備制造技術，2010（05）：24-25.

[2]張永德，李鑫.PROFINET的組成及其應用[J].工業儀表與自動化裝置，2006（01）：25-28.