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[焊接(连接)] 基于PLC的焊装生产线分装区的设计与应用

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发表于 2020-4-29 09:56:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于PLC的焊装生产线分装区的设计与应用

吴昊 陈新
(一汽解放汽车有限公司,长春 130011)
【中国汽车材料网】摘要:针对焊装生产线多个分装区进行整合设计,通过对控制系统的设计将多个分装区域统一由一个416F-2安全型PLC进行控制,硬件上各区域从站采用IP20、IP67耦合器及普通输入输出模块和安全模块进行通讯及控制,软件上采用分布式程序控制,使得各区域安全程序、人机交互程序各自独立,通过现场合理布线及调试验证,实现了PLC跨区域远距离控制各分装区自动运行,并实现了操作者对各自区域的独立操作,其他区域正常运行状态,满足相应的生产工艺要求,提升了焊装分装区的自动化率。
关键词:分装区 自动化 控制系统 分布式 PLC

[size=1em]目前工装制造行业高度自动化,焊装是其中自动化率较高的汽车工艺之一。提升焊装的自动化率对节省工装制造中的人工和材料成本有重要意义,而节省人工料口数量和改造人工分装区是提升焊装自动化率的关键问题。传统的手动线以手动焊钳和分装气动夹具为载体,对分装冲压件进行焊接,速度慢,焊点质量不稳定,自动化机器人式焊接能够提高产能并且性能稳定。在自动化控制系统中,从管理级到现场级,应用全集成技术,在应用过程中,减少故障处理时间和停台时间[1-2]。本文主要论述多分装区域集成化自动控制系统的设计及其应用。
2 硬件设计2.1 主要元件选型

[size=1em]本控制系统的核心元器件为西门子S7系列的416F-3 PN/DP PLC以及菲尼克斯防护等级为IP20、IP67的I/O模块。其控制系统示意图如图1所示。

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[size=0.8em]图1 控制系统示意

[size=1em]其中柜体内采用IP20防护等级的I/O模块,夹具、转台等工装设备上采用IP67防护等级的I/O模块,安全设备采用欧姆龙的激光扫描器、匹尔兹的光栅。通讯模块采用Profinet通讯模式的菲尼克斯8口交换机。采用Profinet的通讯模式可灵活随意得在各从站后继续增加从站,采用标准的RJ45通讯网口,有利于后续人工分装区自动化的改造以及网络系统的升级,同时可使接线费用最小化,并且Profinet工业线缆的屏蔽性能满足工业电磁兼容的相关要求。系统主要硬件参数如表1所示。

[size=0.8em]表1 主要电气元件明细
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2.2 区域设计

[size=1em]由于分装的控制系统设备数量与焊装线体内设备数量相比少很多,本系统的每个分装区只采用一个机器人,基于PLC的CPU利用率,一套PLC控制系统可控制多个分装区域,既节约成本也缩短了排查故障的时间。本控制系统可对两个分装区统一管理,如图2所示为PLC与各区域的拓扑结构。

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[size=0.8em]图2 拓扑结构

[size=1em]通过Profinet的网络通讯形式,将PLC与各分装区域建立起连接。PLC负责采集和处理各区域反馈回的实时数据,并将采集到的数据进行分析,同时将指令下发给各区域的夹具、机器人,使其完成程序里的既定动作。PLC具有高效稳定的运算能力以及严谨的程序逻辑,能够保证各区域正常的运转。

[size=1em]根据拓扑结构,结合规划设计区域的平面图纸,对该分装区下的设备进行位置确认,便于后续电气图纸的设计。本控制系统下设两个独立分装区,区域一的平面图如图3所示。

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[size=0.8em]图3 区域一硬件布局

[size=1em]PLC控制柜位于区域一,区域一下设8个从站,分别为机器人及机器人控制柜、转台两侧的夹具,人工上料口远程控制箱、工位区域控制箱、触摸屏,以及变频器Movipro,其中转台由Movipro控制,转台上夹具的通讯采用IP67通讯模块,人工上料口以及安全门统一由远程控制箱里的IP20耦合器模块及普通输入输出模块及安全模块完成通讯。人工上料口的安全区域设计采用光栅与扫描器共同作业的方式,通过立体式扫描对上料口进行监控,消除上料口的死角。在区域二下设10个从站,如图4所示。

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[size=0.8em]图4 区域二硬件布局

[size=1em]工装具体包括四套夹具、一个机器人本体及其控制器、四个远程控制箱。两个区域的连接采用铜网线连接,因现场区域受场地制约,两个分装区域不在同一个车间,通过空中桥架直接实现跨车间连接,两个网络从站间的距离根据设备使用手册的要求不允许超过90 m,现场安装在尽可能缩短距离的情况下,取相距最短的两个从站间的距离(根据实际测绘传输距离在35 m),保证了信号的传输稳定性,避免了信号的衰减。

[size=1em]对于区域一、区域二的各分装区域设计为两个独立的安全回路,互不影响,便于各区域的独立维护维修。

2.3 电路设计

[size=1em]对于设备间的电路连接,根据设备的接口及功率不同,采用5G35、3G1.5、5G1.5等型号的线缆进行接线。电路图纸具体包括区域平面布置图、设备网络连接图、设备地址分配表、设备供电图、箱柜体内部的接线图以及各柜体与机器人接线图等。

[size=1em]本控制系统的PLC柜体电路设计包含PLC与开关电源、交换机、耦合器的连接,以及各空气断路器、端子之间的接线等。部分远程I/O箱与PLC柜内端子的接线电路如图5所示。

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[size=0.8em]图5 PLC柜电路图

[size=1em]从PLC柜体内空气断路器经端子,通过5G2.5型号的线缆向远程控制箱及机器人控制柜供电,如图5所示包含各箱体需要提供两路24 V电源,并且进行接地保护,同时标明断路器的编号、端子号、断路器到端子的线号标注以及柜体到其他外设箱体的标牌,以便施工人员接线和后续设备维修人员的故障查找。

3 软件设计

[size=1em]软件的设计分为PLC程序设计以及人机交互界面设计两部分,PLC程序设计采用西门子STEP7编程软件,人机交互界面编程采用菲尼克斯画面编程软件Visu+(功能与西门子Wincc软件类似),两个软件通过接口文件进行数据的实时传递。

3.1 PLC程序设计

[size=1em]PLC程序的设计分为硬件组态配置和程序的编写两部分。首先将相关设备的GSD文件导入STEP7软件,进行硬件组态设置,具体包括设备名称的设定、以太网络IP的设定、相关模块的配置等。完成硬件组态的设置后,然后进入正式的程序设计,根据配置的相关安全模块以及电路设计图纸分配的I/O地址进行安全程序的编写,如图6所示为机器人安全程序块的设计与配置。

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[size=0.8em]图6 机器人安全控制块

[size=1em]由于实际现场需求两个独立的安全回路,在软件上也要进行匹配,在程序上设计2个FC块分别对应各安全区域,在程序上做到各区域的安全使能相互独立互不干扰。根据线体程序标准,结合线体内机器人、夹具、转台的动作时序,编写FB块和FC块的程序,并依据程序需求建立符号表中的变量地址及其名称。在普通程序的设计上,由于各区域的程序分别独立运行且每个区域仅有一个机器人,机器人之间无干涉区。各FC块独立控制各区域下辖的机器人、夹具、远程控制箱。

[size=1em]PLC与机器人的信号交互设计如图7所示。通过指针传递的方式将PLC的采集数据输送到机器人的输入端口中。程序按照线体标准,划分指定的区间位置,具体包括机器人程序选择信号、使能信号、维修信号、确认工作完成信号、夹具有件/无件信号等,此线体采用的416F-3型号PLC可与每个机器人交互信号的数量为256个,此线体系统与一个机器人之间的交互最多采用了158个信号、其余字节作为预留信号,可用于后续改造及增加其他相关功能。

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[size=0.8em]图7 PLC与机器人信号传递

3.2 人机交互程序设计

[size=1em]如2.1节所述,此控制系统采用菲尼克斯品牌的工控机以及人机交互屏幕,其厂商提供了独立的人机交互程序编写软件Visu+。在编写画面程序前,需要先选择所采用的PLC型号,然后结合实际的硬件条件,在每一个单独的区域配备的HMI上编写不同的画面程序,最后分别写入各自的HMI屏幕内,实现控制独立。即A区域可实现对B区域的状态监视,但不能对B区域各类设备进行操控,B区域的HMI屏幕对A区域可实现状态监视,但不能对A区域进行操控,以免各区域操作人员对其他区域进行误操作,导致停产、安全等相关问题的出现。设计完成的人机交互操作界面如图8所示。

[size=1em]在自动模式下,画面显示转台的具体位置,相应的变频器码值以及与机器人的交互信号;在手动模式下,触摸上述虚拟按钮,即可对转台进行位置、速度的切换。根据实际的需要,也可对其他区域的画面进行切换,实时监控其他分装区域的工作状态。

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[size=0.8em]图8 人机交互操作界面

4 现场调试与应用

[size=1em]在完成设备的安装与接线后,结合硬件图纸、软件程序的设计内容,将上述内容应用到实际的设备上。

4.1 PLC程序的调试

[size=1em]在完成软件设计后,需要对系统从站的每一个硬件设备进行配置。主要有设备的扫描、IP地址、设备名称的写入,I/O模块的参数化配置、电机驱动器的初始化及设置等,完成上述内容后,将PLC程序下载至PLC及其存储卡中。图9为组态的网络设置与连接验证。

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[size=0.8em]图9 网络连接验证

[size=1em]通过在线监控,检测到未连入Profinet网络的设备,对上述设备根据Step7的提示进行问题分析及故障排查,待所有设备接入网络,且没有任何的故障提示后,可进行程序的写入以及各个信号点的在线确认。完成上述内容后,可对夹具、机器人进行信号交互和手动控制操作。

4.2 变频器的参数设置及调试

[size=1em]通过Step软件完成基本的工装设备组网和I/O点的设置后,再对区域内的电机变频器进行参数设置,MOVITOOLS软件对变频器Movipro进行初始化及电机参数的设置如图10所示。

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[size=0.8em]图10 Movipro参数化设置

[size=1em]完成相关的电机参数配置以后,需先通过此软件手动控制电机的转动,验证参数配置的正确性。在完成上述工作后,通过PLC程序链接的人机交互程序控制电机运动,验证程序的准确性,在验证无误后,再切换成自动程序,验证电机与其他设备之间逻辑动作顺序的正确性。

[size=1em]所有的参数配置,和机器人轨迹示教完成后,即可通过空循环的方式,对机器人、夹具、转台等设备的逻辑进行验证,验证无问题后,机器人由慢速到满速逐步带件验证,最终实现控制系统的自动化运行。

5 总结

[size=1em]控制系统在实际应用中验证了PLC在远距离、多区域的操控上具备优秀的控制能力,对于焊装线多个分装区域的集成化和提高焊装自动化率具有一定的参考价值。改造后的分装自动区在量产后,达到了单班450量份的产出,并且满足双班连续工作1 000 h的耐久性要求,完全满足了焊装线体的生产要求。本文设计的控制系统同时具备后续升级改造的空间,具体包括由有线远距离传输变为无线远距离传输,以及在此分装系统上继续增加独立的分装区域即预留了增加分装区间的裕度。



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