基于PLC 控制的氧傳感器緊固防錯系統設計與應用

許 歡，張 楠，冉啟勇

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430070）

在汽車整車裝配過程中，大部分零部件的聯接都是通過螺栓、螺母等緊固件聯接而成，緊固件的聯接在汽車裝配制造中的工作量約為31%[1]。緊固件聯接質量的好壞也直接影響著駕乘人員的生命、財產安全，關系到企業的信譽，是總裝裝配過程中的“生命線”。而我國對于汽車質量安全高度關注，對于存在質量缺陷的汽車，根據國家有關法律的規定需要依法進行召回，并對缺陷車輛進行調查。

在總裝車間汽車裝配過程中，對于所有涉及安全、法規的緊固件及大部分涉及功能的緊固件，均采用傳感器式電動工具進行緊固。傳感器式電動工具精度高，穩定性好，緊固精度可高達3%，能有效保證零件緊固質量；同時，電動工具通過電纜與控制器的連接，并利用串口實現PLC 信號輸入和輸出，最終實現扭矩的精準控制。

總裝車間零件的安裝分為在線工位安裝和離線工位安裝。在線工位的緊固件緊固可以通過動力工具控制器與暗燈相連來實現扭矩控制；當工具緊固合格時，動力工具將通過控制器輸出合格信號給暗燈系統，系統將正常運行；當工具緊固的扭矩不合格時，動力工具的控制器將無法輸出合格信號給暗燈系統，暗燈系統未接收到合格信號將流水線暫停，車輛將停于線尾，需要重新將緊固件緊固至合格或者利用鑰匙將開關解鎖，流水線才會繼續運行，這保證了緊固件扭矩的控制質量。但離線工位無法直接與暗燈系統相連，員工只能通過觀察動力工具信號燈和控制器顯示屏判定扭矩是否合格，質量漏出風險較大，無法有效保證扭矩準確性。

隨著信息技術的快速發展，PLC 控制技術取得了重大的突破，這使得PLC 控制技術成為了工業自動化的核心技術，有效滿足了各種工業自動化產品的控制要求。PLC 控制系統因其編程簡單、靈敏度高、操作簡單和控制功能易于修改等優點逐漸取代接觸式繼電器控制系統，廣泛應用于汽車制造行業[2]。本文以某工廠總裝車間離線工位氧傳感器緊固為例，引進PLC 控制系統對扭矩緊固進行控制，實現扭矩的有效管理，PLC控制系統的使用對企業生產效率的提升和智能制造升級具有里程碑式的意義。

1 氧傳感器緊固控制要求

氧傳感器又被稱為排氣氧傳感器，用于汽車發動機，作用就是通過實時監測發動機排出的尾氣中氧離子的含量以此計算獲取混合氣體的空燃比信號，并將獲得的空燃比信號轉化為發動機控制單元（ECU，Engine Control Unit）可識別的電信號，通過汽車線束傳遞給ECU。ECU 會根據氧傳感器輸入的信號，對汽車的噴油量進行修正，實現空燃比的逆向反饋控制。當實際空燃比高于理論空燃比時，減少噴油量；當實際空燃比低于理論空燃比時，增加噴油量，從而有效地將過量空氣系數λ 控制在0.98~1.02 的理論最佳范圍內，使發動機能持續得到最佳濃度的混合氣，有效降低一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等有害氣體的排放量，實現節約燃油、保護環境的目的[3]。

氧傳感器屬于法規零件，產品要求采用PS1 特殊特性代碼進行控制，需采用傳感器式電動工具進行緊固，并實現暗燈停線控制。由于車間工藝排布的要求，氧傳感器安裝至前節排氣管的工藝操作無法在主線進行，只能在離線工位進行操作，也無法實現暗燈停線，緊固質量無法保證，只能利用人工進行識別。

按照過程控制要求及車間現有工藝順序，員工取排氣管放置定位托臺并預擰氧傳感器，取電動工具緊固氧傳感器至工具亮綠燈，目視氧傳感器緊固到底，并畫漆筆進行確認，后道工位員工進行二次目視檢查并畫二次漆筆進行確認，如圖1 所示。使用的動力工具型號為APEX 48EAE58AM3，緊固精度為3%，配套使用MPro4000GC 控制器，可利用串口實現PLC 信號輸入和輸出，最終實現扭矩控制。

圖1 原氧傳感器緊固工藝

產品釋放的氧傳感器緊固標準扭矩為D46+/-4 Nm S42-50 Nm，當緊固扭矩過高或過低時，存在氧傳感器在車輛行駛過程中松脫的情況，當氧傳感器松脫后，電子燃油噴射系統將無法收到排氣管中氧濃度的信息，從而無法實現對空燃比的精準反饋控制，汽車發動機的油耗將會明顯提升，一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等有害氣體的排放量也會顯著提升，同時發動機也會出現怠速不穩、缺火和喘振等故障現象，直接影響汽車駕乘人員的行駛安全。

“人都是會犯錯的”，現使用的氧傳感器離線工位安裝工藝無法有效實現扭矩的精準控制，對產品質量的控制有較大影響。利用PLC 控制系統與APEX MPro4000GC 控制器來實現氧傳感器緊固扭矩控制，一方面可以實現離線工位扭矩控制質量的不斷提升，另一方面還可以減少操作浪費，減少工時，提升生產企業的經濟效益。

2 氧傳感器緊固防錯系統設計

2.1 系統工作原理

氧傳感器緊固防錯系統基本工作原理如圖2 所示。員工取排氣管放置于定位托臺，取氧傳感器并預擰氧傳感器至前節排氣管，固定式掃描槍自動掃描排氣管自帶零件標簽，同時位置傳感器檢測零件放置到位，員工方可雙手按下氣缸夾緊按鈕，此時電磁閥通電，氣缸鎖緊，PLC 給電動工具控制器輸入使能信號，工具方可工作，員工取電動工具緊固氧傳感器至工具亮綠燈，控制器輸出合格信號給PLC，PLC 控制氣缸松開，員工檢查氧傳感器緊固到位后，員工取出排氣管。

圖2 氧傳感器緊固防錯系統工作原理

2.2 系統硬件

2.2.1 掃描槍、定位及夾持機構選型

由于車間同平臺多車型共線柔性化生產，不同車型之間使用的排氣管結構不同，故定位托臺需滿足多個車型同時使用。根據不同排氣管之間相同結構，采用凹槽式托臺并配以固定銷進行定位。為防止緊固過程中排氣管受力后頭部翹起，故采用氣缸推動機構進行夾緊。

為防止前節排氣管未放置到位，員工便按下啟動按鈕，造成安全事故，本系統采用KEYENCE ED-118U 獨立型金屬接近傳感器，可檢測到最遠11 mm 的物體接近并輸出信號。只有當傳感器檢測到前節排氣管完全放置到位，電磁閥才能導通給氣缸供氣，員工雙手按下啟動按鈕時，夾頭才能夾緊排氣管。

本系統選用ZEBRA DS457 固定式掃描器，此掃描器具備充分的全向掃描功能，無須將條碼與閱讀器精確對齊。同時，通過集成掃描觸發器，可在投射模式下實現免持自動掃描，減少了員工操作。通過位置調試，實現了不同車型間排氣管的掃描。

2.2.2 PLC 選型

PLC 是氧傳感器緊固防錯控制系統的核心，在選擇PLC 時，應重點考慮CPU 的性能、指令系統的可靠性、輸入/輸出點數和物理結構的類型等。

通過分析氧傳感器緊固防錯控制系統的運行原理，制定了PLC 的地址分配表（表1），本系統共需7 個輸入端子及2 個輸出端子來實現系統的有效控制。

表1 氧傳感器緊固防錯PLC 地址分配表

通過對比選型，由西門子公司生產的S7-200 系列PLC 硬件可實現氧傳感器緊固防錯控制系統PLC 地址的分配[4]。S7-200（CPU224）型號的PLC 內存為5 KB，有6 個計數器和256 個定時器，可實現14 個信號輸入和10 個信號輸出。

圖3 為氧傳感器緊固防錯控制系統PLC 和相關信號的接線圖。

圖3 PLC 外部接線圖

2.3 系統軟件

順序控制是PLC 控制技術中的一個重要控制方法，其原理是根據制造過程中生產工藝順序需求，在不同的輸入信號作用下，根據內部狀態和時間順序，各執行單元在生產制造過程中自動、有序地實現工藝操作。

順序功能圖（Sequential Function Chart，簡稱SFC）是一種專門用來描繪控制系統的控制過程、功能及特性的圖形。在使用PLC 控制技術進行順序控制時，程序的設計思想常常用順序功能圖來準確、形象地進行描述，然后再根據順序控制指令編寫符合程序設計思想的程序[5]。

本文根據氧傳感器緊固防錯系統的工作原理及相應的控制要求，按照每個輸出量不同的狀態變化，將防錯系統一個運行工作周期有效地分為5 個執行步，5個執行步順序相連（M0—M4），最終實現氧傳感器的有效緊固。如圖4 所示，即利用PLC 設計的氧傳感器緊固防錯系統的功能流程圖。

圖4 氧傳感器緊固防錯功能流程圖

3 結束語

本文設計了一種基于PLC 控制的氧傳感緊固防錯系統，可用于氧傳感器在離線工位的緊固。該系統將動力工具與PLC 系統相結合，并利用機械夾緊機構保證了扭矩的有效性和準確性。

氧傳感器緊固防錯系統結構簡單，效率高，上線使用后，現場返工次數降為0，質量溢出風險降為0，有效地保證了產品質量。同時此系統的工作原理可推廣至眾多離線工位緊固件的緊固，對提升產品的質量有巨大的理論意義和實際價值。