汽車總裝生產(chǎn)線供液系統(tǒng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完顏瑞楠， 姚文

(上海海事大學(xué) 航運(yùn)技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306)

0 引 言

汽車總裝生產(chǎn)線供液系統(tǒng)即設(shè)置在總裝車間用來(lái)配合整車下線前的液體加注系統(tǒng)，是總裝生產(chǎn)線至關(guān)重要的一環(huán)，因此其質(zhì)量直接關(guān)系到整車的質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化的高速發(fā)展，社會(huì)需求的快速變化、產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)更為復(fù)雜且生命周期短[1]；傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法已經(jīng)不能滿足智能制造的需求[2]，將信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用于汽車總裝生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)中，構(gòu)成智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)提高供液系統(tǒng)效率、生產(chǎn)智能化水平和保證汽車品質(zhì)有重要的實(shí)用意義[3]。

本文所設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)某公司現(xiàn)有的供液系統(tǒng)監(jiān)控裝置，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，使之適應(yīng)智能制造的要求。

1 總裝生產(chǎn)線供液系統(tǒng)

汽車總裝生產(chǎn)線供液工藝包括風(fēng)窗液供應(yīng)站、洗滌液供應(yīng)站、防凍液供應(yīng)站、R134a(冷卻液)供應(yīng)站、制動(dòng)液供應(yīng)站和動(dòng)力轉(zhuǎn)向液供應(yīng)站六個(gè)部分,采用集中供液的方式，可實(shí)現(xiàn)各種液體的遠(yuǎn)距離輸送，如圖1所示。這種方式不僅改善了總裝車間的生產(chǎn)環(huán)境，還提高了生產(chǎn)的效率、節(jié)約成本。此外，集中供液還方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理[4]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)供液系統(tǒng)的智能監(jiān)控，每個(gè)供應(yīng)站分別裝配有電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、流量計(jì)和流量開(kāi)關(guān)，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)工藝過(guò)程分析可知，供液系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的要求有：根據(jù)工藝參數(shù)自動(dòng)控制相應(yīng)設(shè)備依次啟停，自動(dòng)完成各種液體的供應(yīng)；實(shí)現(xiàn)液位的智能監(jiān)控和濃度的精確配比；采用PROFIsafe以太網(wǎng)與總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)互聯(lián)，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的故障安全；監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證其正常運(yùn)行；主要設(shè)備有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式；緊急情況下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的急停。

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)由一個(gè)西門(mén)子故障安全型F-CPU為主站和12個(gè)分布式I/O ET200S為。從站組成，主站和之間網(wǎng)絡(luò)通訊是由集成了PROFIsafe協(xié)議的PROFInet網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)。由于風(fēng)窗液、洗滌液和防凍液相類似，制動(dòng)液和轉(zhuǎn)向液相類似，結(jié)構(gòu)圖以其中一個(gè)為例。

圖1 供液系統(tǒng)整體工藝圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了分布式安全系統(tǒng)。分布式安全系統(tǒng)采用故障安全型PLC,用于檢測(cè)系統(tǒng)故障尤其是檢測(cè)到危險(xiǎn)故障時(shí)能使系統(tǒng)回到安全狀態(tài)，并通過(guò)詳細(xì)的診斷信息來(lái)改善故障檢測(cè)和定位系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在安全相關(guān)的中斷后快速恢復(fù)生產(chǎn)[5]。與普通PLC相比，故障安全型PLC除了作為驅(qū)動(dòng)器和控制器的功能任務(wù)外，還參與安全任務(wù)[6]。

2.2 控制系統(tǒng)主要硬件選型

西門(mén)子故障安全型F-CPU具有安全控制功能，不僅確保可靠的安全性，還具有高度靈活性和高生產(chǎn)率的特點(diǎn)。

上位機(jī)即人機(jī)界面(Human Machine Interaction，簡(jiǎn)稱HMI)是人與計(jì)算機(jī)之間交互、信息交換的媒介。本系統(tǒng)中采用TP1500精智面板作為控制級(jí)的人機(jī)界面，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)設(shè)備電源故障時(shí)，可以保證控制系統(tǒng)和人機(jī)界面存儲(chǔ)卡的數(shù)據(jù)安全。

PROFInet為自動(dòng)化通信提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，包括諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、分布式自動(dòng)化、故障安全和網(wǎng)絡(luò)安全等，可適用于不同需求的解決方案。它的功能包括實(shí)時(shí)通信、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、分布式自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、IT標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)安裝、故障安全、過(guò)程自動(dòng)化和信息安全8個(gè)主要的模塊。

PROFIsafe是與安全相關(guān)的自動(dòng)化通訊協(xié)議，對(duì)安全外圍設(shè)備和安全控制器間的通信進(jìn)行了描述。它將與安全相關(guān)的傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間相互連接，使得符合PROFIsafe協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了普通電氣元件和與安全相關(guān)電氣元件的全集成自動(dòng)化，大大降低配線的復(fù)雜性和維修的困難，也相應(yīng)節(jié)約了成本費(fèi)用，同時(shí)還減少了安全控制器和安全設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖屎湾e(cuò)誤率從而可以使系統(tǒng)達(dá)到或超過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的等級(jí)[7-11]。

ET200S分布式I/O具有豐富的信號(hào)模塊，其防護(hù)等級(jí)為IP20，可以分散在現(xiàn)場(chǎng)，將任意數(shù)量的I/O模塊以任意的方式進(jìn)行組合，通過(guò)總線將中央控制器和現(xiàn)場(chǎng)的各類信號(hào)連接起來(lái)，提高了系統(tǒng)的可靠性。ET200S分為標(biāo)準(zhǔn)模塊和故障模塊兩部分，其中故障安全的內(nèi)部有兩個(gè)通道。在正常工作時(shí)，兩個(gè)集成處理器互相監(jiān)視，自動(dòng)測(cè)試I/O電路，并在發(fā)生故障時(shí)，將F模塊設(shè)置為安全狀態(tài)[12]。此時(shí)，F(xiàn)-CPU可通過(guò)PROFIsafe的相關(guān)總線安全規(guī)約與故障安全模塊進(jìn)行通信。

每個(gè)供應(yīng)站都有急停按鈕、高/低液位極限、故障檢修、管道高/低壓、配比濃度等報(bào)警信號(hào)，這些信號(hào)需連接故障安全輸入輸出模塊，其他的信號(hào)連接標(biāo)準(zhǔn)模塊。

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

控制程序通過(guò)TIA Portal V13進(jìn)行編制，采用模塊化的編程方法，以梯形圖的方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)，下面分別進(jìn)行介紹。

2.3.1下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)的控制系統(tǒng)主要由IM151 F-CPU和12個(gè)從站ET200S組成。由于采用的是故障安全控制，下位機(jī)的設(shè)計(jì)還需完成故障安全系統(tǒng)的編程和組態(tài)。該系統(tǒng)硬件組態(tài)F-CPU和從站F-IO，硬件組態(tài)采用TIA V13，ET200S輸入采用4/8 F-DI，輸出采用4 F-DO，其網(wǎng)絡(luò)視圖如圖3所示。

組態(tài)F-CPU還需要配置密碼保護(hù)和F參數(shù)。硬件配置完成之后，還需要進(jìn)行安全程序的編寫(xiě)：首先建立安全的F-CALL，用來(lái)調(diào)用故障安全模塊；然后插入F-FB,FB100是主安全程序包含所有安全信息和邏輯，在FB100中編寫(xiě)故障急停程序；最后在OB35中調(diào)用F-CALL，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障安全程序的調(diào)用[13]。

圖3 系統(tǒng)組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

2.3.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)供液系統(tǒng)的監(jiān)控要求，監(jiān)控畫(huà)面要實(shí)時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，包括工藝流程、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表等，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)窗液、洗滌液、防凍液、轉(zhuǎn)向液、制動(dòng)液和空調(diào)液的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

由于TIA博途軟件中STEP7和WINCC使用相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，PLC與HMI的通信連接建立非常方便，可以直接在網(wǎng)絡(luò)視圖中建立通信連接[14]。

圖4 風(fēng)窗液、制動(dòng)液、R134a液供應(yīng)站監(jiān)控畫(huà)面

圖4是各子供液系統(tǒng)的監(jiān)控畫(huà)面。由于各個(gè)液體供應(yīng)站的工藝過(guò)程基本相似，下面主要對(duì)風(fēng)窗液予以重點(diǎn)介紹：

啟動(dòng)風(fēng)窗液(洗滌液、防凍液)加液系統(tǒng)按鈕，設(shè)備配比參數(shù)，電磁閥7打開(kāi)，3#角閥、3#和4#空氣隔膜泵開(kāi)始工作，本系統(tǒng)處于供液狀態(tài)。儲(chǔ)液罐、風(fēng)窗液槽和離子水槽都分設(shè)有高低限位，根據(jù)液位的高低來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)液。電磁閥1和電磁閥2分別與1#角閥和2#角閥相連，用來(lái)選擇原液的供液桶；當(dāng)風(fēng)窗液槽液位減少到低限位時(shí)，電磁閥3動(dòng)作，1#和2#隔膜泵打開(kāi)，原液進(jìn)液；電磁閥4與4#角閥相連，保證離子水槽的供應(yīng)。電磁閥5和電磁閥6分別與5#和6#角閥相連，用于控制原液和離子水的輸送。此時(shí)，根據(jù)所設(shè)置的配比參數(shù)，從風(fēng)窗液和離子水槽中加入相應(yīng)的量來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)窗液的配比。當(dāng)儲(chǔ)液罐液位達(dá)到高限位時(shí)，停止進(jìn)液。

接下來(lái)從兩個(gè)方面對(duì)智能監(jiān)控系統(tǒng)予以介紹：

(1)風(fēng)窗液智能液位監(jiān)控和濃度的配比：在原系統(tǒng)中，儲(chǔ)液罐的液位由液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，但當(dāng)液體進(jìn)行配比時(shí)，由于風(fēng)窗原液和去離子水的注入，會(huì)引起液位的波動(dòng)，這樣就導(dǎo)致液位計(jì)的監(jiān)測(cè)存在一定的誤差，誤差不斷累計(jì)，配比精度大大降低。因此本系統(tǒng)中，在原有液位計(jì)的基礎(chǔ)上，加入了超聲波液位計(jì)對(duì)儲(chǔ)液罐的液位進(jìn)行監(jiān)測(cè)；還分別在風(fēng)窗原液和去離子水輸出端增設(shè)了流量計(jì)。首先對(duì)具體的配比算法進(jìn)行介紹。

假設(shè)HMI設(shè)定濃度為X%,且X?50，不妨令原液桶和水桶的大小是一樣的，那么原液量和水量就能由以下公式可計(jì)算得到：

100%配置液=X%原液+(1-X%)水

(1)

液桶體積=π*R*2*H

(2)

X=100*ΔH液/(ΔH液+ΔH水)

(3)

原液Hset=X(水Hset-水Lset)/(100-X)+原液Lset

(4)

在公式(3)中ΔH水=水Hset-水Lset，ΔH液=原液Hset-原液Lset。當(dāng)X?50時(shí)，計(jì)算得原液高液位超限，可通過(guò)調(diào)低水的高限來(lái)完成，可由公式(4)來(lái)計(jì)算得。

通過(guò)上述公式可計(jì)算得濃度為X%的風(fēng)窗配置液所需的原液和去離子水的數(shù)量，圖5是配置的具體算法。

圖5 智能液位監(jiān)控算法流程圖

在該控制策略中，虛框內(nèi)的部分是軟測(cè)量模塊，當(dāng)液位正常沒(méi)有波動(dòng)時(shí)，它不起作用；只有當(dāng)液位發(fā)生波動(dòng)才投入運(yùn)行，此時(shí)它通過(guò)流量信息間接地測(cè)量?jī)?chǔ)液罐的液位。

圖6 液位限值設(shè)定

圖6是液位限值設(shè)定畫(huà)面，可以分別設(shè)置每個(gè)供應(yīng)站的高低限位和相應(yīng)的配比濃度。當(dāng)限值設(shè)定完畢之后，啟動(dòng)相應(yīng)的自動(dòng)/手動(dòng)按鈕，根據(jù)工藝需求，完成自動(dòng)/手動(dòng)供液過(guò)程，并通過(guò)控制系統(tǒng)的判斷和決策來(lái)實(shí)現(xiàn)液位的智能監(jiān)控。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與系統(tǒng)互聯(lián)：圖7為報(bào)警記錄畫(huà)面，對(duì)每個(gè)報(bào)警情況進(jìn)行記錄，用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)分析和改善。圖8是數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)畫(huà)面，分別對(duì)用量、液位濃度及運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)傳送到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云端，將數(shù)據(jù)在云端共享，提高生產(chǎn)效率和定制化服務(wù)程度。

圖7 報(bào)警記錄

圖8 數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于PLC集成故障安全控制系統(tǒng)的汽車總裝生產(chǎn)線供液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。控制器采用了配置有安全功能的西門(mén)子F-CPU，從站使用的是分布式I/O ET200S，現(xiàn)場(chǎng)總線采用的是具有PROFIsafe通訊協(xié)議的PROFInet組網(wǎng)。這些設(shè)計(jì)構(gòu)成了西門(mén)

子故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)，都滿足了故障安全控制的需要，使得本系統(tǒng)滿足高級(jí)安全的要求。通過(guò)詳細(xì)的診斷信息，本系統(tǒng)能在生產(chǎn)出現(xiàn)安全相關(guān)的中斷后快速恢復(fù)運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的汽車總裝生產(chǎn)線供液系統(tǒng)不僅滿足了智能監(jiān)控的需求，還大大提高了供液系統(tǒng)的安全性和生產(chǎn)線的效率。隨著柔性制造技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷進(jìn)步，故障安全系統(tǒng)會(huì)在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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