PLC 在汽車生產線控制中的應用與優化

章 楠

（中國第一汽車股份有限公司，長春 130011）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）性能優越，所占內存較少，能夠最大限度滿足控制需求。PLC 利用網絡實施連接，由于難免出現網絡延時問題，當前急需增強其實時性。

1 PLC 在汽車車橋焊接生產線控制中的應用與優化

1.1 PLC 網絡控制系統

汽車車橋焊接生產線飛速發展，對焊接操作提出更高要求，相關設備應足夠精確并達到更高質量水準。為實現該目標，將網絡化先進控制系統應用于焊接生產線，以此提高其技術水平。以PLC 技術為基礎構建網絡控制系統并投入應用，能夠加強對汽車焊接生產線的控制。在此期間，首先應掌握生產線規范化工藝程序，明確控制方式及PLC 實施步驟，從整體上控制生產線，貫徹落實焊接操作。

該系統的設計要求如下。第一，針對生產線中的設備實施分布式控制。第二，焊接生產線所有設備均可獨立控制和運作。第三，系統具有顯著抗干擾性能，即使處于惡劣環境，仍舊能夠正常運行。第四，系統具有較強的可靠性，引入PLC 網絡控制系統。第五，針對整體焊接生產線實施遠程監控，主要涉及生產進度調整、故障排除等。

1.2 底層控制系統

在汽車車橋焊接生產線中，各環節均占據重要地位，包含控制層和底層執行機構等，這是焊接工作中的重點環節。針對底層控制系統，其所選取的硬件元件可以是PLC 中的Q12HCPU 或者FC2NCPU 等。結合執行機構來看，可將雙機器人等作為離子設備。其由支架、底座等構成，并通過搭設電纜有機結合。

1.3 3 層PLC 與監控

1.3.1 3 層PLC

3 層PLC 網絡控制系統主要由以太網、H 網、CC-Link 網這3 個通信模塊構成，并且各個構成部分具有以下功能。首先，以太網屬于上端網絡設施，負責各部門之間的信息傳遞和連接。其次，H 網負責控制器通信，具有通信快、可靠性強等優勢。最后，CC-Link 網負責PLC 集成設計，并且能夠減少與其他設施之間的線路連接，具有靈活度高、配置優越等優勢。

1.3.2 監控系統

上位監控即為監控生產線動態，確保汽車車橋焊接作業順暢，各處設備控制點均應加設人機交互界面，并且在中央控制系統中制作生產線監控圖，以確保所有設備發揮良好控制作用。監視與控制通用系統（Monitor and Control Generated System，MCGS）功能相對完善，使用方便，能夠收集現場數據以及實施后續監督和控制。該平臺主要包括5 個窗口，分別為主控、設備、用戶、數據和運行。平臺的工作方式如下：合理利用設備控制程序，實現同外部設備之間的信息傳遞與共享；作為動畫交互控制系統，可以利用圖形顯示功能；各類網絡結構與各種終端相連，進而實施分布式網絡控制；能夠采用自定義控制方式，形成單獨的運行策略。

2 PLC 在汽車沖壓生產線控制中的應用與優化

2.1 PLC 壓機線模擬仿真系統

我國的沖壓整線模擬技術相較于國外發展較慢，極少主機廠利用沖壓運動仿真PLC 軟件實施沖壓線和模具集成模擬分析數字化平臺研究[1]。在相關設備與模具之間利用自動化技術進行連接，該技術是生產線連續節拍的決定性因素。

2.2 壓機線模擬仿真技術的應用

2.2.1 PLC 在模具設計環節的應用

PLC 技術的首要優勢為能夠在模具生產期間進行自動化模擬分析。相關自動化工程師能夠采用詳細布局（Detailed Layout，DL）圖會簽操作時獲取的產品數據建立每道工序合適的模型，根據工序件布設、吸盤布設布置等相關信息數據，應用PLC 技術完成自動化曲線的初步設計，然后結合模具結構實際應用該技術詳細分析其“無干涉空間”，以此在結構圖會簽過程中干涉校驗。相關人員能夠結合“無干涉空間”模型及時討論和優化，從而獲得符合工藝規定的最合適的模具結構。

2.2.2 PLC 在提升機械手運動速度中的應用

在利用PLC 技術的過程中，結合傳輸機械手運動曲線，采用相關設計工具反復加快機械手的運動速度。該技術能夠以傳輸機械手為主體，更加方便、快捷地設計各個運動軸的具體運動曲線，而且更加直觀地檢測運動狀態下上下模之間需要保持的安全距離，從而在滿足安全需求的前提下盡可能加快整體生產線的生產節拍[2]。此外，能夠調節機械臂姿態，改進機械手每個軸的匹配動作，有效加快機械手的運動速度。

以諸多傳輸機械手為對象實施聯動調試操作，前后兩端機械手和同一壓機所形成的干涉區域容易出現不對稱情況，而合理調節相位差能夠有效平衡干涉曲線。同時，PLC 技術可以在相位匹配條件下縮短傳輸機械手距離，擴大滑塊運動空間，優化整體生產線的生產節拍。

2.2.3 PLC 在滑塊曲線設計中的應用

在加強推廣伺服技術的過程中，伺服電機被更加普遍地應用在壓力機中，以此設計形成滑塊曲線。相關工藝操作人員能夠按照模具工藝特征和性能合理設計模具生產方面的滑塊曲線，適當縮短滑塊運動時間，以達到工藝要求，并盡可能加快整體生產線的生產節拍。此外，該技術能夠根據模具數據離線規范設計自動化曲線，縮短自動化在線調試時間，降低設備調試成本。

3 PLC 在汽車涂裝生產線控制中的應用與優化

當前，PLC 功能日漸豐富，起到的作用也不斷增強。通過滲透PLC 結構化編程理念以及搭建PROFINET技術平臺，為汽車制造業注入活力。從現階段汽車涂裝控制系統來看，PLC 占據核心地位[3]。

3.1 PLC 在涂裝生產線控制中的常規應用

在汽車涂裝生產線控制中，利用PLC 能夠控制其底漆噴涂、面漆噴涂等多項作業。借助編程功能與傳感器反饋功能，能夠精確控制實施噴涂作業的速度、劑量以及機械臂運動，由此保證涂層具有較強均勻性且質量達標。

實施涂裝期間，溫濕度因素會對涂層質量產生很大影響。利用PLC 能夠監控涂裝室內溫濕度，按照設定值合理調節，創設穩定工作環境，在提高涂層質量的同時減小負面影響。對于噴涂速度、劑量、距離等各項涂裝參數，利用PLC 能夠做好存儲與管理工作。相關作業人員可以利用人機界面實現與PLC 的交互，改進涂裝參數，從而符合各類產品的涂裝要求。

PLC 可實施故障診斷，實時監控設備狀態及其異常。一旦發生涂裝故障，可利用PLC 快速識別并發送報警信息，方便盡快實施針對性維修，縮短停機時間，降低生產損失。在涂裝作業實施期間，可利用PLC 收集與記錄噴涂劑量、速度等各項重點數據。此外，PLC可以根據所得數據進行涂裝分析，從而提高涂裝效率和質量[4]。

3.2 PLC 在涂裝生產線控制中的應用拓展

3.2.1 標準化

汽車涂裝控制系統的控制對象多樣，控制邏輯類型主要劃分為或、與、非等相對簡單的數學邏輯。因此，減小噴漆、烘干等工藝功能差異，掌握控制邏輯相似點，能夠編制出符合不同設備要求的標準化模塊程序。基于此，相關技術人員能夠以PLC 為基礎合理構建數學模型，同時開發專用指令，從而在很大程度上提高設計、維護效率。另外，針對常規涂裝設備加強研發、制作具有智能化特征的專用硬件控制裝置，并利用PLC 技術構建指令系統。

3.2.2 節能

現階段，汽車涂裝生產線中大量設備啟動順序采用人工控制方式，出現工件和設備相互等待的情況，不但降低了效率，還造成了能源浪費。因為汽車涂裝車間產生很大能耗，通過建立生產線能夠大幅減少能源浪費，所以應先在PLC 之間建立規范化的通信網絡，保障信息交換暢通，不同系統的PLC 再結合關聯設備情況實施信息順序啟動操作[5]。此外，停止過程與故障后啟動過程也應實現最優化。

3.2.3 采樣統計分析預診斷

現階段，一些汽車涂裝車間仍未建立上位監控系統，沒有開發預診斷功能，而通過PLC 能夠豐富預診斷功能。例如，利用PLC 采集部分參數樣本，然后采用數學隨機統計方式詳細分析其趨勢，一旦發現偏離基準的趨勢，便可認定為預期故障。

3.2.4 系統保護

PLC 能夠利用編制保護程序避免設備故障。例如，簡單濾波程序可以避免電磁干擾、多方面辨別矛盾信息、阻止不當運行狀態等。又如，客車噴漆室中的空調風機和排風機未同時運行，且室體門關閉，此時PLC 會暫停處于運行狀態的風機。

3.2.5 利用PROFINET 提升靈活性和可靠性

在汽車涂裝車間，若使用西門子1500 系列PLC，則應選取PROFINET 網絡結構，以此為PLC 控制區域靈活劃分奠定良好基礎，方便涂裝車間進行冗余配置。如果某一PLC 發生故障，能夠通過相鄰PLC 實施控制。如果系統某一區域必須具備較強的可靠性，則應實施交叉比較控制，以此提升該區域的可靠性[6]。

3.2.6 CBA 理念和小型PLC 的應用

利用PROFINET 技術，一方面能夠充分發揮涂裝車間的良好作用，提升其靈活性和可靠性；另一方面還能搭建符合基于組件的自動化（Component Based Automation，CBA）技術使用要求的平臺。由于涂裝車間控制邏輯標準化具有較強可行性，并且PROFINET技術相對成熟，同時生產制造技術不斷朝著柔性化、層次化等方向發展，急需將CBA 技術應用于涂裝生產線。在標準化與CBA 技術不斷優化發展的背景下，分布式控制理念受到更多關注，其不僅可以讓實現PROFINET 通信目標的規模較小的專用PLC 在汽車涂裝生產線控制中起到更加顯著的作用，還可以方便工藝人員調節控制系統程序。另外，當前PLC 功能逐漸融入智能驅動功能，一些PLC 也許會履行區域管理職責，從而形成全新軟件平臺。

3.2.7 隨機控制

汽車涂裝車間實現柔性化，表明變化因素越來越多，包括計劃因素、節拍因素等，為PLC 程序帶來嚴峻挑戰。但是，在PLC 功能日漸豐富且容量不斷增加的條件下，可以利用PLC 隨機控制設備，由此更加積極有效地應對變化。首先需要制定可行性變化應對策略，然后開發策略執行邏輯，進而有機結合策略層和邏輯層。

4 PLC 在汽車動力總成生產線控制中的應用與優化

4.1 發動機變速器分裝線總成分裝線

該分裝線負責安裝配置發動機和油管等。相關操作人員借助KBK 電動葫蘆起吊發動機，將其放置于上層第一工位托盤上，進而在其他工位實施安裝配置，并將工件與托盤置于升降機位置，然后利用電動葫蘆起吊當前已經裝配完成的動力總成，使其到達前橋和動力總成合裝線位置。利用升降機將空托盤置于下層，再利用另一臺升降機使其升至上層，以此形成工作循環。在第一工位處，利用電動葫蘆起吊變速器總成，將其放置于變速器合裝臺位置，采取手動方式完成變速器合裝，并緊固螺栓。合理設置線體長度、托盤數量，均勻布設工位，在上層選取雙邊驅動摩擦滾道，按照相應間距安裝減速電機，同時在下層布設倍速鏈，并在其前端安裝減速電機。

4.2 后橋分裝線

該分裝線負責安裝配置后橋總成，相關操作人員借助電動葫蘆起吊后橋總成，將其放置于上層第一工位托盤位置，進而落實各項裝配操作。完成該項操作后，利用電動葫蘆起吊已經完成裝配的后橋總成，使其到達后橋合裝線處，以此形成工作循環。

4.3 確定PLC 輸入、輸出點

明確PLC 的輸入點和輸出點，也就是輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址的分配。安裝總控制柜，可選取西門子1500 系列的PLC，其中包括規模較大的程序存儲器與中央處理器，既可以用于集中式I/O 結構，也可以用于分布式自動化結構。結合動力總成分裝線具體狀況，其線體位置構建的PLC 控制系統使用PROFIBUS 總線結構。不管是輸入點還是輸出點，均需預留10%及以上余量，確定合適的輸入點、輸出點及其備用點。

4.4 程序的編寫與調試

以西門子1500 系列編程軟件為例，選取STEP7V5.5簡體中文版。開啟STEP7 管理器，貫徹落實硬件組態，可分為4 個部分：新建STEP7 項目、插入新對象、選擇插入的300 站、配置具體模塊。根據模塊具體組態信息，雙擊各模塊均可彈出“Properties”對話框，相關操作人員能夠按照要求設置一系列參數。在硬件組態窗口下，完成硬件組態操作后，通過單擊“編譯”按鈕及時保存現階段的硬件組態，最后單擊“下載”按鈕。

5 PLC 在汽車總裝生產線控制中的應用與優化

5.1 硬件調試

實施程序調試操作時，要連接個人計算機（Personal Computer，PC）和PLC，采取PC 或編程設備（Programming Device，PG）通信方式進行連接。需注意，要注重選擇高性能的PLC 來改善布局、減少延遲，并加入冗余設計，以增強可靠性。同時，提高程序運行效率，運用高級控制算法優化精度和速度，并定期維護、升級程序，改善PLC 與其他系統的集成，利用高速通信技術提高數據交換效率和穩定性。

5.2 軟件調試

5.2.1 程序的上傳和下載

對程序進行上傳或者下載時，應采取梯形邏輯（Ladder Logic，LAD）等編輯器開啟所需上傳和下載的相關程序塊，進而選擇上傳或下載按鈕。

5.2.2 建立在線連接

規范連接程序下載線和PLC，然后單擊在線按鈕，以此完成在線連接。觀察下載程序塊，保證能夠進行在線刪除等操作。此外，單擊離線按鈕方可停止在線連接。

5.2.3 利用監視方法調試程序

當監視程序運行操作時，一定要處于在線狀態，通過監視工具可以實時查看PLC 的輸入輸出信號、內部變量以及程序的執行流程等。如果發現某個信號或變量的值不符合預期，或者程序執行出現異常，則相關人員能夠及時發現并采取相應的措施，確保PLC程序的正確性和穩定性。

5.2.4 利用診斷緩沖器調試程序

利用診斷緩沖器可以加快判定故障源，從而增強系統的可靠性。借助診斷緩沖器調試程序能夠實時記錄PLC 運行的數據，工作人員根據各個模塊之間的協作情況及輸入輸出信號變化情況，可以更好地掌握其運行狀態，有利于及時優化和維護。例如，首個條目呈現出近期事件，若該設備已滿，則新形成的條目能夠覆蓋發生時間過長的事件。

6 結語

近年來，科學技術迅速發展，不斷推動信息化、網絡化進程，在此過程中PLC 技術應用范圍持續擴大。PLC 具有周期短、可靠性強等優勢，在工業控制領域前景良好。在我國制造業中，汽車產業鏈始終是一大支柱產業，在其生產線控制中應用PLC 技術，能夠實現分布式控制，促進生產線產業化發展。