智能制造的电控在白车身生产中的设计与实现
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中汽迈赫（天津）工程设计研究院有限公司的研究人员韩光宇，在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文，针对白车身焊装生产线的控制系统进行设计,使用SIEMENS公司的SIMATIC控制平台,以PLC为控制核心,Profinet网络架构作为控制网络,构造可以实现多种车型混合生产的柔性化生产线。
在汽车工业领域，随着汽车工业的发展,汽车白车身焊装生产线的自动化水平在逐渐提高,汽车生产企业对生产线控制系统的要求也逐步提高,安全高效的控制系统[1]可以保证安全稳定的生产。
本文通过案例阐明了应用门子公司的SIMATIC控制平台来实现工业智能制造的功能。
主要内容有：(1)电控软件使用，介绍了通过SIMATIC Manager，SEW的MotionStudio来实现硬件配置，参数的优化整定。(2)根据汽车白车身生产线的组成以及生产流程确定控制网络架构Profinet[3]。确定PLC与ET200S，SEW变频器, Robot，SMC阀岛及现场信息模块等的通讯使用网络架构。(3)程序的编写及相关参数优化，FANUC Robot在Profinet系统中的应用。
本实施方案可以对生产线进行实时监控,满足了安全生产，年产达到8万辆的生产要求。[2]
1 白车身生产中电控软件使用
1.1 SIMATIC控制平台
使用SIEMENS Profinet平台，在硬件组态中，SIEMENS Profinet[3]集成了网络系统中的所有节点，包含HMI工作站，SEW 伺服控制器，SMC阀岛单元，SIEMENS的远程站ET200S，Profinet IoSystem Gateway[4], FANUC Robot CP1604[8]及现场模块。具体如图1所示。
1.2伺服控制器的使用
用 MOVITOOLS MotionStudio[5]，配置网络参数并进行电机参数的设定和优化。如图2所示。
图1 白车身在SIMATIC控制平台的硬件组态\
图2 MotionStudio配置伺服变频电机Profinet网络
设定自动运行时目标位置设时序: PA1:8 = Start，PA1:11 = ModeLow，PA1:12 =ModeHigh，PE1:3=Target positionreached，[1]自动模式选择，[2]开始位置控制，3]目标位置到达。如图3所示。
图3 自动模式时序图
2白车身生产线的Profinet网络结构
主站SIEMENSCPU 414-3 PN/DP组态，从站其他节点完成[6]。如图4所示。
图4 本项目中Profinet网络的组成结构[6]
2.1 SEW伺服控制的组态
本项目使用了6个控制字使用方式，IPOS[6]控制方式，配合电机的编码器，精确的定位工件行走距离，重复精度能达到0.01mm。信息交互如图5所示。
图5 伺服控制器在控制字交互图
参数通道为非周期性的数据交换，用于访问和设置控制器的参数；过程字通道为周期性的数据交换，用于访问和设置过程值；过程输出值为PLC→控制器的数值，包括控制字和设定值；过程输入值为控制器→PLC的数值，包括状态字和实际值。
2.2 FANUC Robot与PLC 进行组态
FANUC Robot CP1604[7] [8]支持Profinet的网络通信协议要求。（1）作为PLC 从站组态，完成与PLC的通信，(2)FANUC RobotCP1604作为主站进行二次Profinet的通信配置,分配16 bytes DIDO的地址区间配置，数据量128bit。配置如图6所示。
图6 FANUC Robot在PLC系统地址分配
实际节点按照如下配置表执行，将FANUC Robot的控制信号与PLC通信建立起来，完成硬件底层配置。如图7所示。
图7 FANUC Robot与PLC的信息交互地址表
3 程序及控制伺服驱动的优化
3.1 PLC程序的设计
由于本项目是白车身的焊接柔性生产线，设备数量多，其中一个工位工艺生产的生产流程如图8所示。
在设计PLC控制系统时，应满足被控对象的基本要求，并在满足各方控制要求的前提下，考虑控制系统的简单性与经济性，方便后期的使用及维修，并增加电气控制的安全性、稳定性。
在本项目中，使用了Step7中逻辑快的有效集成，在不同种类的设备中，根据设备工艺的不同要求，制订了部分标准块，标准块是一个一个的模块化结构，使用时将程序块有序的整合起来，形成新的控制系统，节约了时间和开发成本，保证程序动作的稳定性并提高项目进行的效率。在程序中，调用标准块，添加合适的变量来完成部分逻辑的控制功能。如图9所示。
图8 一个白车身工艺生产工位的简要流程
图9 SIMATIC PLC的标准程序块的调用
3.2 SEW 伺服控制模块的调试
调试中使用的是IPOS[6] 控制模式，通过软件的系统优化，达到下面效果，方便简单的使用控制字来控制电机的启动爬坡减速和停止，使用效果流畅顺滑，未发现任何阻尼现象出现。如图10所示。
图10 伺服控制器在调试过程中的优化
3.3与FANUC Robot进行的信息交互
项目中使用了38台Robot来实现点焊的工作，实际生产时Robot的逻辑控制包含在PLC控制系统中，生产过程中的外部安全，工作开始，工作请求，工作许可，工作完成，工作故障，紧急处理，等均有PLC通过Profinet与Robot进行信息处理，集中控制，提高工作效率，保证安全生产。PLC与Robot进行信息交互的部分程序。如图11所示。
图11 FANUC Robot 在SIMATICPLC的程序块的调用
4结束语
由上可见，在白车身系统中内，以PLC为核心构造的自动化智能制造平台中，集成了伺服电机，FANUC Robot，SMC阀岛等一系列分布式现场终端，以其高性能，适应性强、可靠性高、维护使用方便等突出特点在汽车工业生产领域中得到广泛应用。