PLC 在汽車生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

章 楠

（中國第一汽車股份有限公司，長春 130011）

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）性能優(yōu)越，所占內(nèi)存較少，能夠最大限度滿足控制需求。PLC 利用網(wǎng)絡實施連接，由于難免出現(xiàn)網(wǎng)絡延時問題，當前急需增強其實時性。

1 PLC 在汽車車橋焊接生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

1.1 PLC 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

汽車車橋焊接生產(chǎn)線飛速發(fā)展，對焊接操作提出更高要求，相關設備應足夠精確并達到更高質(zhì)量水準。為實現(xiàn)該目標，將網(wǎng)絡化先進控制系統(tǒng)應用于焊接生產(chǎn)線，以此提高其技術水平。以PLC 技術為基礎構建網(wǎng)絡控制系統(tǒng)并投入應用，能夠加強對汽車焊接生產(chǎn)線的控制。在此期間，首先應掌握生產(chǎn)線規(guī)范化工藝程序，明確控制方式及PLC 實施步驟，從整體上控制生產(chǎn)線，貫徹落實焊接操作。

該系統(tǒng)的設計要求如下。第一，針對生產(chǎn)線中的設備實施分布式控制。第二，焊接生產(chǎn)線所有設備均可獨立控制和運作。第三，系統(tǒng)具有顯著抗干擾性能，即使處于惡劣環(huán)境，仍舊能夠正常運行。第四，系統(tǒng)具有較強的可靠性，引入PLC 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。第五，針對整體焊接生產(chǎn)線實施遠程監(jiān)控，主要涉及生產(chǎn)進度調(diào)整、故障排除等。

1.2 底層控制系統(tǒng)

在汽車車橋焊接生產(chǎn)線中，各環(huán)節(jié)均占據(jù)重要地位，包含控制層和底層執(zhí)行機構等，這是焊接工作中的重點環(huán)節(jié)。針對底層控制系統(tǒng)，其所選取的硬件元件可以是PLC 中的Q12HCPU 或者FC2NCPU 等。結合執(zhí)行機構來看，可將雙機器人等作為離子設備。其由支架、底座等構成，并通過搭設電纜有機結合。

1.3 3 層PLC 與監(jiān)控

1.3.1 3 層PLC

3 層PLC 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)主要由以太網(wǎng)、H 網(wǎng)、CC-Link 網(wǎng)這3 個通信模塊構成，并且各個構成部分具有以下功能。首先，以太網(wǎng)屬于上端網(wǎng)絡設施，負責各部門之間的信息傳遞和連接。其次，H 網(wǎng)負責控制器通信，具有通信快、可靠性強等優(yōu)勢。最后，CC-Link 網(wǎng)負責PLC 集成設計，并且能夠減少與其他設施之間的線路連接，具有靈活度高、配置優(yōu)越等優(yōu)勢。

1.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)

上位監(jiān)控即為監(jiān)控生產(chǎn)線動態(tài)，確保汽車車橋焊接作業(yè)順暢，各處設備控制點均應加設人機交互界面，并且在中央控制系統(tǒng)中制作生產(chǎn)線監(jiān)控圖，以確保所有設備發(fā)揮良好控制作用。監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）功能相對完善，使用方便，能夠收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及實施后續(xù)監(jiān)督和控制。該平臺主要包括5 個窗口，分別為主控、設備、用戶、數(shù)據(jù)和運行。平臺的工作方式如下：合理利用設備控制程序，實現(xiàn)同外部設備之間的信息傳遞與共享；作為動畫交互控制系統(tǒng)，可以利用圖形顯示功能；各類網(wǎng)絡結構與各種終端相連，進而實施分布式網(wǎng)絡控制；能夠采用自定義控制方式，形成單獨的運行策略。

2 PLC 在汽車沖壓生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

2.1 PLC 壓機線模擬仿真系統(tǒng)

我國的沖壓整線模擬技術相較于國外發(fā)展較慢，極少主機廠利用沖壓運動仿真PLC 軟件實施沖壓線和模具集成模擬分析數(shù)字化平臺研究[1]。在相關設備與模具之間利用自動化技術進行連接，該技術是生產(chǎn)線連續(xù)節(jié)拍的決定性因素。

2.2 壓機線模擬仿真技術的應用

2.2.1 PLC 在模具設計環(huán)節(jié)的應用

PLC 技術的首要優(yōu)勢為能夠在模具生產(chǎn)期間進行自動化模擬分析。相關自動化工程師能夠采用詳細布局（Detailed Layout，DL）圖會簽操作時獲取的產(chǎn)品數(shù)據(jù)建立每道工序合適的模型，根據(jù)工序件布設、吸盤布設布置等相關信息數(shù)據(jù)，應用PLC 技術完成自動化曲線的初步設計，然后結合模具結構實際應用該技術詳細分析其“無干涉空間”，以此在結構圖會簽過程中干涉校驗。相關人員能夠結合“無干涉空間”模型及時討論和優(yōu)化，從而獲得符合工藝規(guī)定的最合適的模具結構。

2.2.2 PLC 在提升機械手運動速度中的應用

在利用PLC 技術的過程中，結合傳輸機械手運動曲線，采用相關設計工具反復加快機械手的運動速度。該技術能夠以傳輸機械手為主體，更加方便、快捷地設計各個運動軸的具體運動曲線，而且更加直觀地檢測運動狀態(tài)下上下模之間需要保持的安全距離，從而在滿足安全需求的前提下盡可能加快整體生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍[2]。此外，能夠調(diào)節(jié)機械臂姿態(tài)，改進機械手每個軸的匹配動作，有效加快機械手的運動速度。

以諸多傳輸機械手為對象實施聯(lián)動調(diào)試操作，前后兩端機械手和同一壓機所形成的干涉區(qū)域容易出現(xiàn)不對稱情況，而合理調(diào)節(jié)相位差能夠有效平衡干涉曲線。同時，PLC 技術可以在相位匹配條件下縮短傳輸機械手距離，擴大滑塊運動空間，優(yōu)化整體生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。

2.2.3 PLC 在滑塊曲線設計中的應用

在加強推廣伺服技術的過程中，伺服電機被更加普遍地應用在壓力機中，以此設計形成滑塊曲線。相關工藝操作人員能夠按照模具工藝特征和性能合理設計模具生產(chǎn)方面的滑塊曲線，適當縮短滑塊運動時間，以達到工藝要求，并盡可能加快整體生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。此外，該技術能夠根據(jù)模具數(shù)據(jù)離線規(guī)范設計自動化曲線，縮短自動化在線調(diào)試時間，降低設備調(diào)試成本。

3 PLC 在汽車涂裝生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

當前，PLC 功能日漸豐富，起到的作用也不斷增強。通過滲透PLC 結構化編程理念以及搭建PROFINET技術平臺，為汽車制造業(yè)注入活力。從現(xiàn)階段汽車涂裝控制系統(tǒng)來看，PLC 占據(jù)核心地位[3]。

3.1 PLC 在涂裝生產(chǎn)線控制中的常規(guī)應用

在汽車涂裝生產(chǎn)線控制中，利用PLC 能夠控制其底漆噴涂、面漆噴涂等多項作業(yè)。借助編程功能與傳感器反饋功能，能夠精確控制實施噴涂作業(yè)的速度、劑量以及機械臂運動，由此保證涂層具有較強均勻性且質(zhì)量達標。

實施涂裝期間，溫濕度因素會對涂層質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。利用PLC 能夠監(jiān)控涂裝室內(nèi)溫濕度，按照設定值合理調(diào)節(jié)，創(chuàng)設穩(wěn)定工作環(huán)境，在提高涂層質(zhì)量的同時減小負面影響。對于噴涂速度、劑量、距離等各項涂裝參數(shù)，利用PLC 能夠做好存儲與管理工作。相關作業(yè)人員可以利用人機界面實現(xiàn)與PLC 的交互，改進涂裝參數(shù)，從而符合各類產(chǎn)品的涂裝要求。

PLC 可實施故障診斷，實時監(jiān)控設備狀態(tài)及其異常。一旦發(fā)生涂裝故障，可利用PLC 快速識別并發(fā)送報警信息，方便盡快實施針對性維修，縮短停機時間，降低生產(chǎn)損失。在涂裝作業(yè)實施期間，可利用PLC 收集與記錄噴涂劑量、速度等各項重點數(shù)據(jù)。此外，PLC可以根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行涂裝分析，從而提高涂裝效率和質(zhì)量[4]。

3.2 PLC 在涂裝生產(chǎn)線控制中的應用拓展

3.2.1 標準化

汽車涂裝控制系統(tǒng)的控制對象多樣，控制邏輯類型主要劃分為或、與、非等相對簡單的數(shù)學邏輯。因此，減小噴漆、烘干等工藝功能差異，掌握控制邏輯相似點，能夠編制出符合不同設備要求的標準化模塊程序?；诖耍嚓P技術人員能夠以PLC 為基礎合理構建數(shù)學模型，同時開發(fā)專用指令，從而在很大程度上提高設計、維護效率。另外，針對常規(guī)涂裝設備加強研發(fā)、制作具有智能化特征的專用硬件控制裝置，并利用PLC 技術構建指令系統(tǒng)。

3.2.2 節(jié)能

現(xiàn)階段，汽車涂裝生產(chǎn)線中大量設備啟動順序采用人工控制方式，出現(xiàn)工件和設備相互等待的情況，不但降低了效率，還造成了能源浪費。因為汽車涂裝車間產(chǎn)生很大能耗，通過建立生產(chǎn)線能夠大幅減少能源浪費，所以應先在PLC 之間建立規(guī)范化的通信網(wǎng)絡，保障信息交換暢通，不同系統(tǒng)的PLC 再結合關聯(lián)設備情況實施信息順序啟動操作[5]。此外，停止過程與故障后啟動過程也應實現(xiàn)最優(yōu)化。

3.2.3 采樣統(tǒng)計分析預診斷

現(xiàn)階段，一些汽車涂裝車間仍未建立上位監(jiān)控系統(tǒng)，沒有開發(fā)預診斷功能，而通過PLC 能夠豐富預診斷功能。例如，利用PLC 采集部分參數(shù)樣本，然后采用數(shù)學隨機統(tǒng)計方式詳細分析其趨勢，一旦發(fā)現(xiàn)偏離基準的趨勢，便可認定為預期故障。

3.2.4 系統(tǒng)保護

PLC 能夠利用編制保護程序避免設備故障。例如，簡單濾波程序可以避免電磁干擾、多方面辨別矛盾信息、阻止不當運行狀態(tài)等。又如，客車噴漆室中的空調(diào)風機和排風機未同時運行，且室體門關閉，此時PLC 會暫停處于運行狀態(tài)的風機。

3.2.5 利用PROFINET 提升靈活性和可靠性

在汽車涂裝車間，若使用西門子1500 系列PLC，則應選取PROFINET 網(wǎng)絡結構，以此為PLC 控制區(qū)域靈活劃分奠定良好基礎，方便涂裝車間進行冗余配置。如果某一PLC 發(fā)生故障，能夠通過相鄰PLC 實施控制。如果系統(tǒng)某一區(qū)域必須具備較強的可靠性，則應實施交叉比較控制，以此提升該區(qū)域的可靠性[6]。

3.2.6 CBA 理念和小型PLC 的應用

利用PROFINET 技術，一方面能夠充分發(fā)揮涂裝車間的良好作用，提升其靈活性和可靠性；另一方面還能搭建符合基于組件的自動化（Component Based Automation，CBA）技術使用要求的平臺。由于涂裝車間控制邏輯標準化具有較強可行性，并且PROFINET技術相對成熟，同時生產(chǎn)制造技術不斷朝著柔性化、層次化等方向發(fā)展，急需將CBA 技術應用于涂裝生產(chǎn)線。在標準化與CBA 技術不斷優(yōu)化發(fā)展的背景下，分布式控制理念受到更多關注，其不僅可以讓實現(xiàn)PROFINET 通信目標的規(guī)模較小的專用PLC 在汽車涂裝生產(chǎn)線控制中起到更加顯著的作用，還可以方便工藝人員調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)程序。另外，當前PLC 功能逐漸融入智能驅動功能，一些PLC 也許會履行區(qū)域管理職責，從而形成全新軟件平臺。

3.2.7 隨機控制

汽車涂裝車間實現(xiàn)柔性化，表明變化因素越來越多，包括計劃因素、節(jié)拍因素等，為PLC 程序帶來嚴峻挑戰(zhàn)。但是，在PLC 功能日漸豐富且容量不斷增加的條件下，可以利用PLC 隨機控制設備，由此更加積極有效地應對變化。首先需要制定可行性變化應對策略，然后開發(fā)策略執(zhí)行邏輯，進而有機結合策略層和邏輯層。

4 PLC 在汽車動力總成生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

4.1 發(fā)動機變速器分裝線總成分裝線

該分裝線負責安裝配置發(fā)動機和油管等。相關操作人員借助KBK 電動葫蘆起吊發(fā)動機，將其放置于上層第一工位托盤上，進而在其他工位實施安裝配置，并將工件與托盤置于升降機位置，然后利用電動葫蘆起吊當前已經(jīng)裝配完成的動力總成，使其到達前橋和動力總成合裝線位置。利用升降機將空托盤置于下層，再利用另一臺升降機使其升至上層，以此形成工作循環(huán)。在第一工位處，利用電動葫蘆起吊變速器總成，將其放置于變速器合裝臺位置，采取手動方式完成變速器合裝，并緊固螺栓。合理設置線體長度、托盤數(shù)量，均勻布設工位，在上層選取雙邊驅動摩擦滾道，按照相應間距安裝減速電機，同時在下層布設倍速鏈，并在其前端安裝減速電機。

4.2 后橋分裝線

該分裝線負責安裝配置后橋總成，相關操作人員借助電動葫蘆起吊后橋總成，將其放置于上層第一工位托盤位置，進而落實各項裝配操作。完成該項操作后，利用電動葫蘆起吊已經(jīng)完成裝配的后橋總成，使其到達后橋合裝線處，以此形成工作循環(huán)。

4.3 確定PLC 輸入、輸出點

明確PLC 的輸入點和輸出點，也就是輸入/輸出（Input/Output，I/O）地址的分配。安裝總控制柜，可選取西門子1500 系列的PLC，其中包括規(guī)模較大的程序存儲器與中央處理器，既可以用于集中式I/O 結構，也可以用于分布式自動化結構。結合動力總成分裝線具體狀況，其線體位置構建的PLC 控制系統(tǒng)使用PROFIBUS 總線結構。不管是輸入點還是輸出點，均需預留10%及以上余量，確定合適的輸入點、輸出點及其備用點。

4.4 程序的編寫與調(diào)試

以西門子1500 系列編程軟件為例，選取STEP7V5.5簡體中文版。開啟STEP7 管理器，貫徹落實硬件組態(tài)，可分為4 個部分：新建STEP7 項目、插入新對象、選擇插入的300 站、配置具體模塊。根據(jù)模塊具體組態(tài)信息，雙擊各模塊均可彈出“Properties”對話框，相關操作人員能夠按照要求設置一系列參數(shù)。在硬件組態(tài)窗口下，完成硬件組態(tài)操作后，通過單擊“編譯”按鈕及時保存現(xiàn)階段的硬件組態(tài)，最后單擊“下載”按鈕。

5 PLC 在汽車總裝生產(chǎn)線控制中的應用與優(yōu)化

5.1 硬件調(diào)試

實施程序調(diào)試操作時，要連接個人計算機（Personal Computer，PC）和PLC，采取PC 或編程設備（Programming Device，PG）通信方式進行連接。需注意，要注重選擇高性能的PLC 來改善布局、減少延遲，并加入冗余設計，以增強可靠性。同時，提高程序運行效率，運用高級控制算法優(yōu)化精度和速度，并定期維護、升級程序，改善PLC 與其他系統(tǒng)的集成，利用高速通信技術提高數(shù)據(jù)交換效率和穩(wěn)定性。

5.2 軟件調(diào)試

5.2.1 程序的上傳和下載

對程序進行上傳或者下載時，應采取梯形邏輯（Ladder Logic，LAD）等編輯器開啟所需上傳和下載的相關程序塊，進而選擇上傳或下載按鈕。

5.2.2 建立在線連接

規(guī)范連接程序下載線和PLC，然后單擊在線按鈕，以此完成在線連接。觀察下載程序塊，保證能夠進行在線刪除等操作。此外，單擊離線按鈕方可停止在線連接。

5.2.3 利用監(jiān)視方法調(diào)試程序

當監(jiān)視程序運行操作時，一定要處于在線狀態(tài)，通過監(jiān)視工具可以實時查看PLC 的輸入輸出信號、內(nèi)部變量以及程序的執(zhí)行流程等。如果發(fā)現(xiàn)某個信號或變量的值不符合預期，或者程序執(zhí)行出現(xiàn)異常，則相關人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取相應的措施，確保PLC程序的正確性和穩(wěn)定性。

5.2.4 利用診斷緩沖器調(diào)試程序

利用診斷緩沖器可以加快判定故障源，從而增強系統(tǒng)的可靠性。借助診斷緩沖器調(diào)試程序能夠實時記錄PLC 運行的數(shù)據(jù)，工作人員根據(jù)各個模塊之間的協(xié)作情況及輸入輸出信號變化情況，可以更好地掌握其運行狀態(tài)，有利于及時優(yōu)化和維護。例如，首個條目呈現(xiàn)出近期事件，若該設備已滿，則新形成的條目能夠覆蓋發(fā)生時間過長的事件。

6 結語

近年來，科學技術迅速發(fā)展，不斷推動信息化、網(wǎng)絡化進程，在此過程中PLC 技術應用范圍持續(xù)擴大。PLC 具有周期短、可靠性強等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域前景良好。在我國制造業(yè)中，汽車產(chǎn)業(yè)鏈始終是一大支柱產(chǎn)業(yè)，在其生產(chǎn)線控制中應用PLC 技術，能夠實現(xiàn)分布式控制，促進生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。