1 引言
汽車同其他現(xiàn)代高級復(fù)雜工具如電子計算機一樣,在所有的歷史變遷,可謂與人們的生活息息相關(guān),都具有時代個性,代表著一種文化背景和品位[1]。隨著人們生活水平的不斷提高,對汽車的要求也越來越高,相應(yīng)的汽車生產(chǎn)線也向著高科技方向發(fā)展,利用先進的自動化技術(shù),控制技術(shù)和通訊技術(shù),設(shè)計智能化,高節(jié)能的汽車流水線控制系統(tǒng)成為必然趨勢。
可編程序控制器(簡稱PLC)由于具有功能強、可編程、智能化等特點,已成為汽車生產(chǎn)工業(yè)控制領(lǐng)域中最主要的自動化裝置之一,它是當(dāng)前電氣程控技術(shù)的主要實現(xiàn)手段。本工程采用羅克韋爾公司的Logix5561系列的PLC與軟件CIMPLICITY相結(jié)合,再連接三菱A700變頻器構(gòu)成全自動車間滾床控制系統(tǒng),既利用了變頻器調(diào)速技術(shù)優(yōu)良的控制性能,又利用了CIMPLICITY監(jiān)控軟件豐富的組態(tài)功能,操作方便,界面友好,與PLC通訊良好等功能。
2 工藝流程概述
在汽車制造過程,涂裝工藝是汽車裝配線上的重要環(huán)節(jié),涂裝有兩個重要作用,第一車防腐蝕,第二增加美觀,而滾床就是一種汽車裝配線上的運送裝置。變頻滾床,顧名思義速度可變,一般采用變頻器控制滾床上的電機,變頻啟動,0-50HZ工況運行。變頻滾床根據(jù)工藝運行方向運行,滾床上裝有傳感器。分為進位傳感器,減速傳感器,到位傳感器。進位傳感器為常開點,感應(yīng)到該傳感器時,表明橇體開始進入滾床;減速開關(guān)為常閉點,感應(yīng)到該傳感器時,橇體的運行速度由高速變?yōu)橹兴?/font>;到位傳感器為常開點,感應(yīng)到該傳感器時,橇體停止動作,表明橇體完全進入滾床。在承接汽車配件的撬體到達滾床并感應(yīng)到滾床上的傳感器時,給PLC輸入信號,PLC通過接觸器控制變頻器,從而調(diào)整滾床電機的運行速度[2]。采用PLC與軟件CIMPLICITY軟件相結(jié)合,對現(xiàn)場工藝流程進行實時監(jiān)控和輸出報警信息,并進行實時的報警匯總,便于工作人員調(diào)試維護,保證設(shè)備的正常運行。如圖1所示:
3 硬件組成
本工程的現(xiàn)場工藝設(shè)備是基于北美通用汽車的CCH1和CCS2標(biāo)準設(shè)計制造和安裝,采用美國羅克韋爾公司Allen-Bradley Logix5561系列的PLC作為設(shè)備層控制核心對滾床進行控制,也負責(zé)對現(xiàn)場的變頻器斷路器等器件的檢測控制,實現(xiàn)控制策略,其通信功能能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機監(jiān)控與遠程通訊。在本控制系統(tǒng)中有一個PLC控制器,其可以滿足系統(tǒng)對開關(guān)量的要求,一個以太網(wǎng)模塊,用于與個人電腦或者與上位機進行通訊,兩個輸入模塊,用于對配電柜里的變頻器和接觸器等器件控制檢測,兩個DEVICENET模塊,DEVICENET現(xiàn)場總線技術(shù)把主控柜和現(xiàn)場個遠程控制站連接成一個整體[3],保證PLC與遠程控制站,或者相鄰兩個PLC之間的數(shù)據(jù)讀取和寫入,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享。各個遠程控制站采用AB Control Logix系列1734-ADNX模塊,他能自動復(fù)制節(jié)點地址,在數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)置重試,基于連接的通訊,每個網(wǎng)路連接的錯誤計數(shù)器和受力狀態(tài)下有小于10-7的位誤碼率。硬件組成如圖2所示。
上位管理層以監(jiān)控中心上位機為核心,實現(xiàn)對配電柜內(nèi)變頻器等器件以及現(xiàn)場檢測元件的監(jiān)控,處理來自控制器的數(shù)據(jù)以及報警信息,維護數(shù)據(jù)庫,向管理人員提供友好的人機界面和報表打印等工作,同時支持企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的遠程訪問,便于遠程監(jiān)控。
PLC模塊,變頻器,以太網(wǎng)交換機等均在同一個配電柜內(nèi),稱為主控制柜。主要用于對現(xiàn)場設(shè)備提供動力電,并進行實時控制。主控柜從結(jié)構(gòu)上可分為3部分:右側(cè)的單柜為該區(qū)域的設(shè)備提供電源,左側(cè)的單柜放置PLC、分布式總線模塊和交換機,中間的連接柜為變頻器柜,變頻器和與其相連接的其他硬件均安裝在同一個配電柜中。外部380V電壓通過主斷路器連接到右側(cè)單柜內(nèi),作為主電源為柜內(nèi)的電氣元件供電。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,每一臺電機由一個變頻器控制,由一個斷路器來控制其通斷,變頻器采用三菱FR-A700,采用三種輸出頻率,高速頻率為50HZ,中速為30HZ,低速為10HZ,每一個滾床均有一個制動單元,用于緊急制動。由于現(xiàn)場工藝設(shè)備較多,根據(jù)現(xiàn)場工藝要求,將變頻器電路分為兩段,這樣既節(jié)省了成本,又方便工作人員的調(diào)試及檢修。變頻器接線方式如圖3所示。
從主控柜中引出220V作為主控制柜內(nèi)空調(diào)電壓,用于轉(zhuǎn)移PLC,變頻器等精密電子元件產(chǎn)生的熱量,防止柜內(nèi)溫度升高影響電氣設(shè)備的穩(wěn)定性。柜內(nèi)有兩個變壓器,由于其所處的用途不同,一個為2.5千伏安處理器變壓器,位于主斷路器前,為上位機工程師站,柜內(nèi)的照明燈等供電,此變壓器與兩個穩(wěn)壓電源相連,一個為10A為PLC電源1756-PA72供電的基板電源,以及一個6.5A的直流穩(wěn)壓電源,主要給以太網(wǎng)總線供電,另一個為3千伏安變壓器,位于主斷路器后,主要用于給現(xiàn)場各遠程控制站以及現(xiàn)場工藝流程的控制回路供電,此變壓器與一個兩個10A直流穩(wěn)壓電源相連,一個用于為D網(wǎng)總線供電,另一個用于I/O模塊和急停線路供電。此系統(tǒng)有兩個控制回路,都位于主控柜內(nèi),一個為220V電源控制回路,用于控制主控柜的總電源。另一個控制回路為24V急停控制回路,用于對各個操作站的的控制,在出現(xiàn)故障時可以及時停止流水線,保證現(xiàn)場生產(chǎn)和工作人員的安全,此兩個控制回路均在主控柜柜面有控制旋鈕來控制回路的通斷。
主控柜的上電方法:當(dāng)主控柜內(nèi)所有開關(guān)都正常上電完成后,需要在控制柜面板上將控制回路接通的鑰匙旋鈕向右側(cè)旋轉(zhuǎn)一次,這時控制柜內(nèi)的控制回路接觸器接通,主控柜上電完成。當(dāng)需要將主控柜內(nèi)的控制回路斷開時,只要按下面板上的控制回路停止按鈕,這時控制回路接觸器斷開,同時段電源接觸器斷開,主控柜內(nèi)的變頻器也同時斷電。
在主控柜內(nèi)主機架中的兩個輸入模塊主要用于檢測主控柜內(nèi)各電器元件是否連接正常,輸出報警信號,如圖4所示。
另一個I/O模塊與柜內(nèi)斷路器,變頻器等電器元件相連,輸入信號主要為檢測斷路器的跳閘,變頻器的故障,輸出報警信號;輸出信號主要控制變頻器的運行狀態(tài)。各輸入輸出模塊的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場工藝設(shè)備以及變頻器的數(shù)量而定,但為以后維修調(diào)試方便,要有20%預(yù)留量。各滾床的輸入輸出點如下:
輸入:滾床斷路器跳閘;變頻器故障;變頻器頻率輸出;滾床電機輸出。
輸出:滾床正轉(zhuǎn)輸出;滾床反轉(zhuǎn)輸出;滾床高速輸出;滾床中速輸出;滾床低速輸出;滾床制動器動作。
遠程控制站位于現(xiàn)場設(shè)備的附近,用于對設(shè)備運行狀態(tài)的調(diào)整,和必要的手動控制。遠程控制站通過DEVICENET現(xiàn)場總線用1734-ADNX模塊與主控柜相連[4],在其控制面板有各滾床運行狀態(tài)的控制按鈕和自動手動旋鈕等,還有一個紅色柱狀燈,用于報警顯示。工作人員通過面板上得按鈕、旋鈕、急停等來控制該操作站所管轄區(qū)域設(shè)備的運行狀態(tài),面板的上指示燈可顯示設(shè)備的運行狀態(tài)。柜內(nèi)有直流電源為總線模塊提供24VDC電源,將現(xiàn)場信息采集到操作站內(nèi)的現(xiàn)場總線模塊,并發(fā)送到PLC中,由于個遠程控制站管轄設(shè)備數(shù)量不同,所以各控制站I/O模塊數(shù)量不同,但為以后維修調(diào)試方便,要有20%預(yù)留量,其模塊的輸入輸出點如下:
輸入: 自動模式;手動模式;急停;入口占位;正轉(zhuǎn)減速;正轉(zhuǎn)到位;
輸出: 報警信號;急停
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 下位機控制程序設(shè)計
下位機程序是由AB公司開發(fā)的RSLogix 5000軟件實現(xiàn)的,RSLogix 5000企業(yè)版序列軟件用來與羅克韋爾自動化Logix平臺協(xié)同工作。RSLogix 5000軟件兼容IEC 61131-3標(biāo)準,提供梯形圖邏輯、結(jié)構(gòu)化文本、功能塊圖、順序功能表編輯器以用于開發(fā)應(yīng)用程序,還包括支持運動控制的軸配置和編程,它應(yīng)用于Control Logix系列PLC[5],同時也可以作為實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)使用。整個控制系統(tǒng)的主要要求是檢測傳感器信號,按照系統(tǒng)的控制流程,通過執(zhí)行元件和變頻器對滾床上電機進行控制實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備對工件的合理交接,其整體控制流程圖如圖5所示。
系統(tǒng)程序流程說明如下:
1. 系統(tǒng)采用模塊化編程,每一段程序由主程序調(diào)用模塊,網(wǎng)絡(luò)及電源通訊模塊,運行模塊,故障診斷與報警輸出模塊等組成[6]。主程序調(diào)用模塊的作用是初始化子程序,調(diào)度子程序,降低程序復(fù)雜度,使程序的設(shè)計,調(diào)試和維護等操作簡單化。
2. 網(wǎng)絡(luò)及電源通訊模塊:在此模塊中,主要將主控柜中的IB16中的數(shù)據(jù)引入程序中,此處要根據(jù)實際情況添加報警,通過接收信號,保證主控柜內(nèi)各個電器元件工作正常,使系統(tǒng)能夠正常運行。圖6為其控制流程圖。
3. 故障診斷與報警輸出模塊:在此模塊中,程序通過接收到的電路保護信號,以及工藝設(shè)備的故障報警信號,根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒有故障,僅有報警的話,程序繼續(xù)執(zhí)行,但會在不影響現(xiàn)場工藝運行的情況下顯示報警狀態(tài)。如果有故障的話,現(xiàn)場設(shè)備停止運行,輸出報警信息,通知工作人員進行處理。
4. 運行模塊:按系統(tǒng)要求,在運行模塊下,系統(tǒng)的工作方式有兩種:自動模式和手動模式,此兩種模式均在遠程操作站的面板按鈕實現(xiàn)。
手動模式:用于系統(tǒng)出現(xiàn)故障和調(diào)試的情況,在CIMPLICITY監(jiān)控畫面上輸出報警信息,在此狀態(tài)下,變頻器的輸出均為低速輸出為10HZ,在遠程操作站控制面板上的按鈕來控制滾床的動作,使?jié)L床在正確的位置。當(dāng)把報警消除后,將自動/手動按鈕調(diào)至自動狀態(tài),復(fù)位啟動,圖7為該程序模塊的控制流程圖。
自動控制模式:在自動模式下,主控柜內(nèi)的交流接觸器吸合,電機與變頻器接通。此時變頻器在PLC控制下有兩個輸出頻率,高速50HZ與中速30HZ,滾床與電氣元件將根據(jù)現(xiàn)場工藝條件動作,調(diào)整撬體的運行速度,合理的完成滾床間承載汽車配件的交接,使汽車裝配線流快捷,控制流程圖如圖8所示:
滾床上件的動作條件:
本單元滾床:1 滾床上無橇體,2硬件驅(qū)動工作正常,3入口沒有封鎖。
前單元滾床:1 滾床上有橇體,2硬件驅(qū)動工作正常,3出口沒有封鎖。
正向上件的動作過程:
首先,橇體從前單元滾床由本單元設(shè)備的入口高速進入滾床,橇體先感應(yīng)進占位開關(guān),本單元滾床的變頻器將輸出高速頻率;當(dāng)橇體感應(yīng)到進減速開關(guān)時,變頻器輸出中速頻率;最后,當(dāng)橇體感應(yīng)到進到位開關(guān)時,變頻器停止,橇體停止,上件過程完畢。此時,橇體應(yīng)該且必須感應(yīng)到所有傳感器開關(guān),即進占位開關(guān),進減速開關(guān)和進到位開關(guān)。
滾床下件的動作條件:
本單元滾床:1 滾床上有橇體,2硬件驅(qū)動工作正常,3出口沒有封鎖
后單元滾床:1 設(shè)備上無橇體,2硬件驅(qū)動工作正常,3入口沒有封鎖
正向下件的動作過程:
首先,橇體從本單元設(shè)備由后單元設(shè)備的入口高速進入后單元設(shè)備,橇體先感應(yīng)后單元設(shè)備進占位開關(guān),此時后單元設(shè)備的變頻器輸出高速頻率;當(dāng)橇體感應(yīng)到進減速開關(guān)時,變頻器中速輸出中速頻率;最后,當(dāng)橇體移完全動到后單元設(shè)備且感應(yīng)到進到位開關(guān)時,變頻器停止輸出,橇體停止,下件過程完畢。此時,本單元設(shè)備上所有傳感器進占位開關(guān),進減速開關(guān)與進到位開關(guān)均無感應(yīng)。
4.2 上位機控制程序設(shè)計
CIMPLICITY HMI是由通用公司針對于汽車領(lǐng)域開發(fā)的上位機監(jiān)控組態(tài)軟件,基于Microsoft WINOOWs NT和WINOOWs 95的產(chǎn)品,它可以適用于單一的人機界面到完全網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在各個層次上都具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力,能夠獲得各個層次的集成而不需要在一個網(wǎng)絡(luò)中進行重復(fù)的組態(tài)。它是由服務(wù)器和瀏覽站組成的基于客戶服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),服務(wù)器負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分配,瀏覽站連接到服務(wù)器上可以對被采集的數(shù)據(jù)進行完全的訪問以便觀察和控制。
首先通過軟件的編程界面設(shè)置通訊連接,通過RJ45線利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機將Logix5561PLC與CIMPLICITY建立連接[7],利用RSLinx OPC Sever作為其的數(shù)據(jù)傳輸方式。然后建立變量標(biāo)簽,將PLC中的變量傳送到CIMPLICITY中,最后建立過程畫面。使用CIMPLICITY中的圖形編輯器可以繪制各種元素和圖形,該系統(tǒng)畫面主要由主畫面、各個遠程控制站的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、歷史報警、實時報警等畫面組成。上位機可以顯示每臺滾床的實時狀態(tài):滾床停機顯示白色;正在運行顯示綠色;滾床有故障顯示紅色。以及各遠程操作站的的狀態(tài),每個畫面的下方可以及時的顯示當(dāng)前的報警及故障信息,便于工作人員進行及時的維修調(diào)試。建立好CIMPLICITY和PLC的通訊連接后,PLC上得事件將是可視和可操作的,在實際運行中為了防止誤操作而對系統(tǒng)產(chǎn)生傷害,對不同的操作人員設(shè)定不同的操作密碼和相應(yīng)的操作權(quán)限。
主監(jiān)控畫面如圖9所示,能夠?qū)崟r顯示工藝設(shè)備的狀態(tài)[8],下面的白色方框不僅可以顯示工藝設(shè)備及電機的報警和故障信息,還能顯示主控柜及各遠程控制站的報警及故障信息,可以很迅速的可以查出哪個部分出現(xiàn)了異常,進行及時的調(diào)整維護。點擊下面的按鈕可以進入相應(yīng)的界面,點擊前一區(qū)跟后一區(qū)進入別的區(qū)域的滾床運行狀態(tài)。此外,該監(jiān)控系統(tǒng)還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設(shè)定了兩個權(quán)限,一個為操作權(quán)限,此權(quán)限僅能監(jiān)控;另一個為維修權(quán)限,可以對系統(tǒng)進行修改,這樣用相對應(yīng)的權(quán)限來實現(xiàn)相對應(yīng)的操作,有效的保證了系統(tǒng)操作的安全性。
如果沒有監(jiān)控系統(tǒng),一旦發(fā)生故障,操作人員無法立即知道出現(xiàn)異常的部分,只能一段一段的尋找或者按照經(jīng)驗來查找,對當(dāng)前個部分的運行狀態(tài)也沒有一個整體的觀測,這給系統(tǒng)的運行和操作帶來了很多不便,影響生產(chǎn)效率,實時報警和歷史報警很好的解決了這一問題,通過對現(xiàn)場工藝的監(jiān)控并記錄報警和故障信息,操作人員只要檢查相對應(yīng)的部分設(shè)施即可,大大提高了生產(chǎn)效率,歷史報警記錄了最近的6天報警記錄,連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中還可以進行實時打印,將報警記錄進行匯總,找出發(fā)生報警頻率較高的部分,方便操作人員進行及時的修改,避免以后造成更大的故障。
5 結(jié)束語
此控制系統(tǒng)運行系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。極大地提高了勞動生產(chǎn)率,該系統(tǒng)有效地解決了生產(chǎn)中的很多問題,如減少了生產(chǎn)過程中的突發(fā)故障,縮短了生產(chǎn)準備時間和搶修時間,減少了工人的勞動強度,為汽車生產(chǎn)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益,達到了節(jié)能降耗的目的。與其他系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
1) 采用DEVICENET現(xiàn)場總線技術(shù),具有良好的開放性和完整、周密的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,通過總線將主控柜和現(xiàn)場的遠程控制柜連成一個整體,保證PLC與遠程控制站間的數(shù)據(jù)讀取和寫入,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共存。從而保證了全線自動化生產(chǎn)、順序啟動和順序停車。
2) 系統(tǒng)控制方案簡單,結(jié)構(gòu)簡潔,維修方便,系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備布置了遠程操作站,分別設(shè)置于就近的設(shè)備附近,可以方便快捷的進行設(shè)備調(diào)整和生產(chǎn)線上個別環(huán)節(jié)需要手動進行的工作以及日后的維修。
3) 系統(tǒng)采用柜裝變頻器控制,具有成本低,運行可靠,維護方便的優(yōu)點。
