1 引言
本項目實施于上汽集團在國內的生產基地。該生產基地主要從事乘用車、商用車的生產，本項目控制系統的主要功能是實現焊接生產線中主線和合裝工位的自動控制，以及與其他工位的聯鎖控制。
2 項目設計
2.1 汽車制造工藝流程
汽車的生產制造由四大工序組成：沖壓、焊接、涂裝和總裝。簡單來說，沖壓工序是完成車身各個部位零部件的加工；焊接工序是完成整個車身零部件的焊接；涂裝工序是完成車身的噴涂；總裝工序是完成發動機、座椅、汽車控制系統及內飾等的安裝。主線和合裝工位屬于焊接工序，是焊接生產線的重要組成部分。本系統由夾具和電控系統組成。項目簡要工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程簡圖
2.2 自動化裝配工位
(1) under body 1001 stn焊接夾具工位；
(2) under body 1002 stn焊接夾具工位；
(3) main line 2001 stn焊接夾具工位；
(4) main line 2002 stn 焊接夾具工位；
(5) main line 2003 stn 焊接夾具工位；
(6) main buck 合裝 焊接夾具工位；
(7) main line 2004 stn 焊接夾具工位；
(8) main line 2005 stn 焊接夾具工位；
(9) main line 2006 stn 焊接夾具工位；
(10) shutter工位(車身總成搬送機構)。
1 引言
本項目實施于上汽集團在國內的生產基地。該生產基地主要從事乘用車、商用車的生產，本項目控制系統的主要功能是實現焊接生產線中主線和合裝工位的自動控制，以及與其他工位的聯鎖控制。
2 項目設計
2.1 汽車制造工藝流程
汽車的生產制造由四大工序組成：沖壓、焊接、涂裝和總裝。簡單來說，沖壓工序是完成車身各個部位零部件的加工；焊接工序是完成整個車身零部件的焊接；涂裝工序是完成車身的噴涂；總裝工序是完成發動機、座椅、汽車控制系統及內飾等的安裝。主線和合裝工位屬于焊接工序，是焊接生產線的重要組成部分。本系統由夾具和電控系統組成。項目簡要工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程簡圖
2.2 自動化裝配工位
(1) under body 1001 stn焊接夾具工位；
(2) under body 1002 stn焊接夾具工位；
(3) main line 2001 stn焊接夾具工位；
(4) main line 2002 stn 焊接夾具工位；
(5) main line 2003 stn 焊接夾具工位；
(6) main buck 合裝 焊接夾具工位；
(7) main line 2004 stn 焊接夾具工位；
(8) main line 2005 stn 焊接夾具工位；
(9) main line 2006 stn 焊接夾具工位；
(10) shutter工位(車身總成搬送機構)。
2.3 電控系統設計
電控系統完成的主要自動化裝配功能是：汽車地板、發動機艙、頂艙和左右側圍的焊接，以及與其他焊接工位的聯鎖控制。
電控系統由控制系統和生產現場兩個部分組成。控制系統集中安裝在主控制柜內。主控制柜內安裝生產線plc控制器及i/o模塊、變頻調速器、信號端子排、電源單元和其他附屬器件。系統還配有操作面板和觸摸屏，用于電控系統的運行操作和運行狀態及故障顯示。
控制系統主要完成生產現場各種數據的實時采集及監控，并按焊裝線的操作時序向生產現場執行機構發出控制指令。生產現場部分由各個工位上的按鈕臺，現場采集模塊et200eco、現場信號傳感器(行程開關)、驅動元件(電磁閥)、一套往復桿機構電機等組成。這一部分向控制系統提供操作人員的操作信號和各種現場設備的運行狀態信號，同時接收來之控制系統的各種控制指令來驅動電磁閥、電機等執行機構。各個工位的傳感器信號電纜和驅動元件的控制電纜集中到附近的i/o采集模塊中，再通過profitbus總線同主控制柜plc相連。生產車間如圖2所示。
2.4 分布式自動化平臺
數字i/o點多而且比較分散，對電氣故障安全性能要求高是汽車生產行業的特點，針對具體的工藝控制要求，我們提出了一套低成本、結構緊湊、配置靈活、高安全性能的控制系統。經過認真調研和周密思考，最終選擇西門子s7-300plc作為控制系統。本系統選用cpu 315-2dp作主控制器，總線采用profibus通訊。現場操作臺控制采用et200s擴展。現場各個工位的傳感器信號和電磁閥控制采用分布式i/o et200eco模塊。傳送電機控制部分采用了simens的micromaster 440變頻器，plc通過總線通訊控制電機的運行速度及運轉方向。還有兩套西門子的人機界面，采用的是mp270b。它們與plc都是通過 profibus進行通訊的。最終選定西門子的主要硬件配置如附表所示。
附表 主要硬件配置
3 控制系統設計
3.1 西門子s7-300
plc是控制系統的核心，控制的性能，適用性，可靠性和性價比是選型的依據。本系統的控制要求高穩定，高指令處理速度控制。并且要求安裝簡單、維護方便、擴展靈活、組網方便。基于西門子s7-300plc具有如下特點：
(1) 模塊化微型plc系統及功能模塊，滿足中、小規模的性能要求；
(2) din標準導軌安裝，安裝簡單，布置靈活；
(3) 簡單實用的分布式結構和多界面網絡能力，應用靈活多變；
(4) 0.6~0.1μs高速的指令處理，功能豐富的模塊可以非常好地滿足和適應自動化控制任務；
(5)編程軟件step7，結構化程序開發思想，多種編程語言選擇，編程靈活，高效。組態軟件wincc，功能強大，畫面豐富，使用方便。完全可以實現本系統的控制功能。
人機界面的選擇，選用的是西門子的mp270b(規格：10.4" 640*480 256色)，特點是可靠性高，組網方便，大屏幕，組態畫面豐富，功能強大，從操作性，易用性，友好性上可以完全滿足用戶的要求。人機界面主畫面如圖3所示。
圖3 人機界面i/o檢測點畫
經過縝密思考，最終我們選用了西門子s7-300 plc，考慮到系統的擴展以及與其它廠家西門子系統的互聯，系統的通訊都采用了profibus，互連采用工業以太網，cpu選用的是315-2dp，通訊模塊用的是cp343-1 lean和cp342-5。系統的硬件配置及系統結構如圖4所示。
圖4 系統結構
3.2 分布式裝配線自動化系統
分布式i/o的選擇，主要是根據汽車生產行業數字i/o點多而且比較分散，對電氣故障安全性能要求高的特點，以安裝簡單，擴展靈活，結構緊湊，防護等級高，故障安全性能高為選型依據。系統選用的是西門子的et200s和et200eco分布式i/0。et200s是一種位-模塊式的分布式i/o系統，它集成了siguard安全技術，精確模塊化的面向功能的站結構，集成了profibus-dp連接的接口模塊，可以在運行中更換使用著的模塊，結構緊湊，安裝簡便，靈活性大，以及運行費用較低等特點。et200eco是西門子經濟型的ip65/67的分布式i/o系統，它由profibus接口模塊，m12或ecofast連接件，現場i/o的端子模塊組成。
et200eco具有緊湊型、一體化的設計，高達p67的防護等級，采用了端子模塊和接口模塊分離的設計，端子模塊上所有的i/o通道都支持短路保護和過載保護。同時支持通過profibus網絡進行遠程診斷等特點。硬件組態畫面如圖5所示。
圖5 工藝流程組態畫面
3.3 控制系統功能設計
本系統允許操作者以兩種方式進行操作——手動方式和自動方式。設備啟動前應確保plc模塊接線正確，電纜聯接正確，并且cpu模塊處于run狀態。設備啟動(自動方式)，將各主控制柜的“自動／手動”轉換開關置于“自動”位置。按主控制柜上的運轉準備按鈕，當主控柜上的“運轉準備”指示燈點亮后按主控制柜上的自動啟動按鈕，當主控柜上的“自動啟動”指示燈點亮后，設備啟動(自動方式)完成。
(1) 手動控制：在手動方式下，由操作者在運行條件允許的情況下，手動控制設備的每一個動作。將主控制柜上的“自動／手動”轉換開關置于“手動”位置。在“手動”控制狀態，1001stn、1002stn和輸送機構可通過觸摸屏操作。2001－2006stn操作者可以通過操作臺上的按鈕來操作本工位的動作。在手動控制方式下，當滿足以下條件時，可通過按鈕來控制夾具動作。
(2) 自動控制：在自動方式下，由操作者啟動設備的自動控制程序，由系統自動控制設備的運行。將主控制柜與各工位上的“自動／手動”轉換開關均置于“自動”位置后按住“自動啟動”按鈕約三秒鐘，系統進入自動狀態，此時若將某工位操作臺上的“自動／手動”轉換開關置于“手動”位置，系統即停止自動運行。在自動控制方式下1001、1002工位上件后可通過工位旁的按鈕操作相應夾具動作，其余工位地板夾具當車體放好后夾具自動夾緊。每個焊接完成后分別按鈕該工位兩側的兩個完成按鈕后夾具會自動打開，頂升氣缸自動將車體升起，待所有工位工作完成車體全部頂起后輸送機構自動前進將車體整體向前移動一個工位。
(3) cpu故障：當cpu的sf指示燈點亮時，則cpu存在硬件或軟件故障。當cpu出現不可處理故障時，cpu轉入stop(停止)狀態，設備不能運行。cpu故障的處理：關閉cpu電源，再重新上電；如故障仍然存在，則關閉cpu電源；接通cpu電源；執行復位cpu寄存器操作；如故障仍存在，則cpu存在硬件故障，更換cpu模塊；重新下裝plc控制程序；將cpu的運行模式置于運行模式。
(4) 直流電源保護：當為plc的數字量模塊端子提供電源的24v直流電源輸出端出現短路情況時，直流電源可能進入保護狀態。此時直流電源輸出端電壓急劇降低，無法驅動系統的輸入/輸出設備。當出現直流電源保護時，需將直流電源輸入端斷開后再重新接通，系統即恢復正常。
(5) 急停報警：觸發：當按下主按控制柜或任意工位操作面板或按鈕臺上的急停按鈕時，將觸發急停報警；影響：當急停報警觸發后，所有工位及主控制柜急停報警燈亮，主控柜報警聲音輸出，觸摸屏顯示相應報警工位。報警將停止整條生產線設備的運行；復位：將各急停按鈕恢復正常狀態，并按下主控制柜或任意工位操作面板上的“故障復位”按鈕，則急停報警信號被清除。
(6)壓力報警：觸發：在1001、2001、2003、2005工位左側有個壓力檢測開關，用來檢測氣壓的大小。當無氣壓或氣壓過小時，則壓力檢測開關發送信號，觸發壓力報警。觸摸屏上壓力故障指示燈亮；影響：觸摸屏顯示報警，主控柜報警聲音輸出。報警將停止整條生產線設備的運行；復位：壓力狀態恢復正常后，按主控柜或任意工位操作面板上的“故障復位”按鈕，壓力報警信號自動被清除，按啟動順序重新啟動設備運行；
(7) 限位開關和電磁閥故障報警：觸發：當控制夾具動作的電磁閥接通時間超過夾具動作所需的時間，而夾具動作到位的限位開關信號未返回時，或者當檢測夾具開、關的限位開關信號同時存在時，觸發限位故障報警，相應工位ls故障指示燈點亮；影響：限位開關故障報警將暫停相關工位的設備的動作；原因：氣壓過低導致夾具動作未到位。夾具與工件間的位置偏差導致夾具動作未到位。plc到電磁閥的控制線路故障導致電磁閥未動作。電磁閥故障導致電磁閥未動作。復位：當故障解決后按主控柜或任意操作臺“故障復位”按鈕，報警狀態清除。
(8) 傳送電機報警：觸發：當傳送電機過載，觸發變頻器報警；處理：傳送電機報警將禁止shtl的動作；復位：當過載保護信號及變頻器故障信號均消失后，按下主控制柜上的復位按鈕，傳送電機報警被清除。
(9) 車體落位異常故障：觸發：在設備的每個工位有兩個接近開關，用來檢測車體落位情況。車體落位共三種狀態：車體落位正常、車體落位異常、無工件。當一個接近開關感應到信號而另一個接近開關沒感應到信號這種狀態達到三秒示為車體落位異常，該工位車體落位異常故障指示燈亮；影響：該工位車體落位異常故障指示燈亮。該工位動作將停止運行；復位：車體落位狀態恢復正常后，按主控柜或任意工位操作面板上的“故障復位”按鈕，車體落位異常報警信號自動被清除，按啟動順序重新啟動設備運行。
4 結束語
目前，本項目正處在試運行階段，系統運行穩定、可靠。程序功能強大，畫面操作友好、靈活、方便。獲得該公司領導和技術人員的一致好評，深得現場操作人員的喜愛。據悉，等項目完全運行之后，該公司準備上二期工程。通過項目的實施和調試，對西門子的控制系統有了更深層次的把握，對西門子分布式i/o的應用有了更深的認識。
(1) 西門子的控制系統功能強大，模塊豐富，組態靈活，擴展方便。
(2)西門子的編程軟件step7，結構化程序開發思想，多種編程語言選擇，編程靈活，高效。組態軟件wincc，功能強大，畫面豐富，使用方便。
(3)本系統的優點在于采用了profibus通訊和分布式i/o控制的結構模式，不但大大節省了控制線纜，而且充分發揮了西門子控制系統的優勢，提高了系統的穩定性和可靠性。