1 引言
汽车同其他现代高级复杂工具如电子计算机一样,在所有的历史变迁,可谓与人们的生活息息相关,都具有时代个性,代表着一种文化背景和品位[1]。随着人们生活水平的不断提高,对汽车的要求也越来越高,相应的汽车生产线也向着高科技方向发展,利用先进的自动化技术,控制技术和通讯技术,设计智能化,高节能的汽车流水线控制系统成为必然趋势。
可编程序控制器(简称PLC)由于具有功能强、可编程、智能化等特点,已成为汽车生产工业控制领域中最主要的自动化装置之一,它是当前电气程控技术的主要实现手段。本工程采用罗克韦尔公司的Logix5561系列的PLC与软件CIMPLICITY相结合,再连接三菱A700变频器构成全自动车间滚床控制系统,既利用了变频器调速技术优良的控制性能,又利用了CIMPLICITY监控软件丰富的组态功能,操作方便,界面友好,与PLC通讯良好等功能。
2 工艺流程概述
在汽车制造过程,涂装工艺是汽车装配线上的重要环节,涂装有两个重要作用,第一车防腐蚀,第二增加美观,而滚床就是一种汽车装配线上的运送装置。变频滚床,顾名思义速度可变,一般采用变频器控制滚床上的电机,变频启动,0-50HZ工况运行。变频滚床根据工艺运行方向运行,滚床上装有传感器。分为进位传感器,减速传感器,到位传感器。进位传感器为常开点,感应到该传感器时,表明橇体开始进入滚床;减速开关为常闭点,感应到该传感器时,橇体的运行速度由高速变为中速;到位传感器为常开点,感应到该传感器时,橇体停止动作,表明橇体完全进入滚床。在承接汽车配件的撬体到达滚床并感应到滚床上的传感器时,给PLC输入信号,PLC通过接触器控制变频器,从而调整滚床电机的运行速度[2]。采用PLC与软件CIMPLICITY软件相结合,对现场工艺流程进行实时监控和输出报警信息,并进行实时的报警汇总,便于工作人员调试维护,保证设备的正常运行。如图1所示:
3 硬件组成
本工程的现场工艺设备是基于北美通用汽车的CCH1和CCS2标准设计制造和安装,采用美国罗克韦尔公司Allen-Bradley Logix5561系列的PLC作为设备层控制核心对滚床进行控制,也负责对现场的变频器断路器等器件的检测控制,实现控制策略,其通信功能能够实现与上位机监控与远程通讯。在本控制系统中有一个PLC控制器,其可以满足系统对开关量的要求,一个以太网模块,用于与个人电脑或者与上位机进行通讯,两个输入模块,用于对配电柜里的变频器和接触器等器件控制检测,两个DEVICENET模块,DEVICENET现场总线技术把主控柜和现场个远程控制站连接成一个整体[3],保证PLC与远程控制站,或者相邻两个PLC之间的数据读取和写入,实现数据信息的共享。各个远程控制站采用AB Control Logix系列1734-ADNX模块,他能自动复制节点地址,在数据链路层的内置重试,基于连接的通讯,每个网路连接的错误计数器和受力状态下有小于10-7的位误码率。硬件组成如图2所示。
上位管理层以监控中心上位机为核心,实现对配电柜内变频器等器件以及现场检测元件的监控,处理来自控制器的数据以及报警信息,维护数据库,向管理人员提供友好的人机界面和报表打印等工作,同时支持企业内部网的远程访问,便于远程监控。
PLC模块,变频器,以太网交换机等均在同一个配电柜内,称为主控制柜。主要用于对现场设备提供动力电,并进行实时控制。主控柜从结构上可分为3部分:右侧的单柜为该区域的设备提供电源,左侧的单柜放置PLC、分布式总线模块和交换机,中间的连接柜为变频器柜,变频器和与其相连接的其他硬件均安装在同一个配电柜中。外部380V电压通过主断路器连接到右侧单柜内,作为主电源为柜内的电气元件供电。为保证系统的稳定性,每一台电机由一个变频器控制,由一个断路器来控制其通断,变频器采用三菱FR-A700,采用三种输出频率,高速频率为50HZ,中速为30HZ,低速为10HZ,每一个滚床均有一个制动单元,用于紧急制动。由于现场工艺设备较多,根据现场工艺要求,将变频器电路分为两段,这样既节省了成本,又方便工作人员的调试及检修。变频器接线方式如图3所示。
从主控柜中引出220V作为主控制柜内空调电压,用于转移PLC,变频器等精密电子元件产生的热量,防止柜内温度升高影响电气设备的稳定性。柜内有两个变压器,由于其所处的用途不同,一个为2.5千伏安处理器变压器,位于主断路器前,为上位机工程师站,柜内的照明灯等供电,此变压器与两个稳压电源相连,一个为10A为PLC电源1756-PA72供电的基板电源,以及一个6.5A的直流稳压电源,主要给以太网总线供电,另一个为3千伏安变压器,位于主断路器后,主要用于给现场各远程控制站以及现场工艺流程的控制回路供电,此变压器与一个两个10A直流稳压电源相连,一个用于为D网总线供电,另一个用于I/O模块和急停线路供电。此系统有两个控制回路,都位于主控柜内,一个为220V电源控制回路,用于控制主控柜的总电源。另一个控制回路为24V急停控制回路,用于对各个操作站的的控制,在出现故障时可以及时停止流水线,保证现场生产和工作人员的安全,此两个控制回路均在主控柜柜面有控制旋钮来控制回路的通断。
主控柜的上电方法:当主控柜内所有开关都正常上电完成后,需要在控制柜面板上将控制回路接通的钥匙旋钮向右侧旋转一次,这时控制柜内的控制回路接触器接通,主控柜上电完成。当需要将主控柜内的控制回路断开时,只要按下面板上的控制回路停止按钮,这时控制回路接触器断开,同时段电源接触器断开,主控柜内的变频器也同时断电。
在主控柜内主机架中的两个输入模块主要用于检测主控柜内各电器元件是否连接正常,输出报警信号,如图4所示。
另一个I/O模块与柜内断路器,变频器等电器元件相连,输入信号主要为检测断路器的跳闸,变频器的故障,输出报警信号;输出信号主要控制变频器的运行状态。各输入输出模块的数量根据现场工艺设备以及变频器的数量而定,但为以后维修调试方便,要有20%预留量。各滚床的输入输出点如下:
输入:滚床断路器跳闸;变频器故障;变频器频率输出;滚床电机输出。
输出:滚床正转输出;滚床反转输出;滚床高速输出;滚床中速输出;滚床低速输出;滚床制动器动作。
远程控制站位于现场设备的附近,用于对设备运行状态的调整,和必要的手动控制。远程控制站通过DEVICENET现场总线用1734-ADNX模块与主控柜相连[4],在其控制面板有各滚床运行状态的控制按钮和自动手动旋钮等,还有一个红色柱状灯,用于报警显示。工作人员通过面板上得按钮、旋钮、急停等来控制该操作站所管辖区域设备的运行状态,面板的上指示灯可显示设备的运行状态。柜内有直流电源为总线模块提供24VDC电源,将现场信息采集到操作站内的现场总线模块,并发送到PLC中,由于个远程控制站管辖设备数量不同,所以各控制站I/O模块数量不同,但为以后维修调试方便,要有20%预留量,其模块的输入输出点如下:
输入: 自动模式;手动模式;急停;入口占位;正转减速;正转到位;
输出: 报警信号;急停
4 系统软件设计
4.1 下位机控制程序设计
下位机程序是由AB公司开发的RSLogix 5000软件实现的,RSLogix 5000企业版序列软件用来与罗克韦尔自动化Logix平台协同工作。RSLogix 5000软件兼容IEC 61131-3标准,提供梯形图逻辑、结构化文本、功能块图、顺序功能表编辑器以用于开发应用程序,还包括支持运动控制的轴配置和编程,它应用于Control Logix系列PLC[5],同时也可以作为实时监控用户程序的执行状态使用。整个控制系统的主要要求是检测传感器信号,按照系统的控制流程,通过执行元件和变频器对滚床上电机进行控制实现现场设备对工件的合理交接,其整体控制流程图如图5所示。
系统程序流程说明如下:
1. 系统采用模块化编程,每一段程序由主程序调用模块,网络及电源通讯模块,运行模块,故障诊断与报警输出模块等组成[6]。主程序调用模块的作用是初始化子程序,调度子程序,降低程序复杂度,使程序的设计,调试和维护等操作简单化。
2. 网络及电源通讯模块:在此模块中,主要将主控柜中的IB16中的数据引入程序中,此处要根据实际情况添加报警,通过接收信号,保证主控柜内各个电器元件工作正常,使系统能够正常运行。图6为其控制流程图。
3. 故障诊断与报警输出模块:在此模块中,程序通过接收到的电路保护信号,以及工艺设备的故障报警信号,根据一定的条件得出诊断结果。如果没有故障,仅有报警的话,程序继续执行,但会在不影响现场工艺运行的情况下显示报警状态。如果有故障的话,现场设备停止运行,输出报警信息,通知工作人员进行处理。
4. 运行模块:按系统要求,在运行模块下,系统的工作方式有两种:自动模式和手动模式,此两种模式均在远程操作站的面板按钮实现。
手动模式:用于系统出现故障和调试的情况,在CIMPLICITY监控画面上输出报警信息,在此状态下,变频器的输出均为低速输出为10HZ,在远程操作站控制面板上的按钮来控制滚床的动作,使滚床在正确的位置。当把报警消除后,将自动/手动按钮调至自动状态,复位启动,图7为该程序模块的控制流程图。
自动控制模式:在自动模式下,主控柜内的交流接触器吸合,电机与变频器接通。此时变频器在PLC控制下有两个输出频率,高速50HZ与中速30HZ,滚床与电气元件将根据现场工艺条件动作,调整撬体的运行速度,合理的完成滚床间承载汽车配件的交接,使汽车装配线流快捷,控制流程图如图8所示:
滚床上件的动作条件:
本单元滚床:1 滚床上无橇体,2硬件驱动工作正常,3入口没有封锁。
前单元滚床:1 滚床上有橇体,2硬件驱动工作正常,3出口没有封锁。
正向上件的动作过程:
首先,橇体从前单元滚床由本单元设备的入口高速进入滚床,橇体先感应进占位开关,本单元滚床的变频器将输出高速频率;当橇体感应到进减速开关时,变频器输出中速频率;最后,当橇体感应到进到位开关时,变频器停止,橇体停止,上件过程完毕。此时,橇体应该且必须感应到所有传感器开关,即进占位开关,进减速开关和进到位开关。
滚床下件的动作条件:
本单元滚床:1 滚床上有橇体,2硬件驱动工作正常,3出口没有封锁
后单元滚床:1 设备上无橇体,2硬件驱动工作正常,3入口没有封锁
正向下件的动作过程:
首先,橇体从本单元设备由后单元设备的入口高速进入后单元设备,橇体先感应后单元设备进占位开关,此时后单元设备的变频器输出高速频率;当橇体感应到进减速开关时,变频器中速输出中速频率;最后,当橇体移完全动到后单元设备且感应到进到位开关时,变频器停止输出,橇体停止,下件过程完毕。此时,本单元设备上所有传感器进占位开关,进减速开关与进到位开关均无感应。
4.2 上位机控制程序设计
CIMPLICITY HMI是由通用公司针对于汽车领域开发的上位机监控组态软件,基于Microsoft Windows NT和Windows 95的产品,它可以适用于单一的人机界面到完全网络化的监督控制和数据采集系统,在各个层次上都具有网络互联能力,能够获得各个层次的集成而不需要在一个网络中进行重复的组态。它是由服务器和浏览站组成的基于客户服务体系结构的系统,服务器负责数据的采集和数据的分配,浏览站连接到服务器上可以对被采集的数据进行完全的访问以便观察和控制。
首先通过软件的编程界面设置通讯连接,通过RJ45线利用工业以太网交换机将Logix5561PLC与CIMPLICITY建立连接[7],利用RSLinx OPC Sever作为其的数据传输方式。然后建立变量标签,将PLC中的变量传送到CIMPLICITY中,最后建立过程画面。使用CIMPLICITY中的图形编辑器可以绘制各种元素和图形,该系统画面主要由主画面、各个远程控制站的状态、网络状态、历史报警、实时报警等画面组成。上位机可以显示每台滚床的实时状态:滚床停机显示白色;正在运行显示绿色;滚床有故障显示红色。以及各远程操作站的的状态,每个画面的下方可以及时的显示当前的报警及故障信息,便于工作人员进行及时的维修调试。建立好CIMPLICITY和PLC的通讯连接后,PLC上得事件将是可视和可操作的,在实际运行中为了防止误操作而对系统产生伤害,对不同的操作人员设定不同的操作密码和相应的操作权限。
主监控画面如图9所示,能够实时显示工艺设备的状态[8],下面的白色方框不仅可以显示工艺设备及电机的报警和故障信息,还能显示主控柜及各远程控制站的报警及故障信息,可以很迅速的可以查出哪个部分出现了异常,进行及时的调整维护。点击下面的按钮可以进入相应的界面,点击前一区跟后一区进入别的区域的滚床运行状态。此外,该监控系统还提供了登陆用户、退出用户、修改密码等功能,设定了两个权限,一个为操作权限,此权限仅能监控;另一个为维修权限,可以对系统进行修改,这样用相对应的权限来实现相对应的操作,有效的保证了系统操作的安全性。
如果没有监控系统,一旦发生故障,操作人员无法立即知道出现异常的部分,只能一段一段的寻找或者按照经验来查找,对当前个部分的运行状态也没有一个整体的观测,这给系统的运行和操作带来了很多不便,影响生产效率,实时报警和历史报警很好的解决了这一问题,通过对现场工艺的监控并记录报警和故障信息,操作人员只要检查相对应的部分设施即可,大大提高了生产效率,历史报警记录了最近的6天报警记录,连接到企业网络中还可以进行实时打印,将报警记录进行汇总,找出发生报警频率较高的部分,方便操作人员进行及时的修改,避免以后造成更大的故障。
5 结束语
此控制系统运行系统稳定可靠。极大地提高了劳动生产率,该系统有效地解决了生产中的很多问题,如减少了生产过程中的突发故障,缩短了生产准备时间和抢修时间,减少了工人的劳动强度,为汽车生产创造了可观的经济效益和社会效益,达到了节能降耗的目的。与其他系统相比,本系统具有以下优点:
1) 采用DEVICENET现场总线技术,具有良好的开放性和完整、周密的网络协议,通过总线将主控柜和现场的远程控制柜连成一个整体,保证PLC与远程控制站间的数据读取和写入,实现数据信息的共存。从而保证了全线自动化生产、顺序启动和顺序停车。
2) 系统控制方案简单,结构简洁,维修方便,系统根据设备布置了远程操作站,分别设置于就近的设备附近,可以方便快捷的进行设备调整和生产线上个别环节需要手动进行的工作以及日后的维修。
3) 系统采用柜装变频器控制,具有成本低,运行可靠,维护方便的优点。
参考文献:
[1] 侯凤云,张凡荣.基于PLC的自动化流水线上得自动小车的控制系统[J].机电设备,2007,(6):26-28.
[2] 邓李.Control logix系统实用手册[M].北京:机械工业出版社,2008,(1):40-56.
[3] 苗淑奎,韩仿仿,贾志勇,彭丽.基于OPC的In Touch与AB-PLC的通信[J].能源技术与管理,2008,(4): 35-40.
[4] 许益民.关于AB PLC系统的网络结构和通信方式的探讨[J].大重科技,2003,(2):3-5.
[5] Logix5000 Data Access Reference Manual[R].1756-RM005A-EN-E-March,2000.
[6] Control Net International and Open DeviceNet Vendor And Association. CIP Common Spacifucation Volume 1 Release 1.0[R].2006,(1).
[7] 赵艳龙,李军生.CIMPLICITY HMI 组态软件在玻壳生产中的应用[J].设备管理与维修,2009,(1):53-56.
[8] 薛迎成,舒锋,王瑞臣.工业组态技术基础及应用[M].中国电力出版社,2011,(5):33-45.
作者简介:张彦军(1960-),男,教授,硕士研究生导师,研究方向:过程控制和自动化装置的研究。