PLC及CIMPLICITY在汽車流水線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

-.zPLC與CIMPLICITY在汽車流水線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用PLC/變頻器/滾床1

引言

汽車同其他現(xiàn)代高級(jí)復(fù)雜工具如電子計(jì)算機(jī)一樣,在所有的歷史變遷,可謂與人們的生活息息相關(guān),都具有時(shí)代個(gè)性,代表著一種文化背景和品位[1]。隨著人們生活水平的不斷提高,對(duì)汽車的要求也越來越高,相應(yīng)的汽車生產(chǎn)線也向著高科技方向開展,利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù),控制技術(shù)和通訊技術(shù),設(shè)計(jì)智能化,高節(jié)能的汽車流水線控制系統(tǒng)成為必然趨勢。

可編程序控制器(簡稱PLC)由于具有功能強(qiáng)、可編程、智能化等特點(diǎn),已成為汽車生產(chǎn)工業(yè)控制領(lǐng)域中最主要的自動(dòng)化裝置之一,它是當(dāng)前電氣程控技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)手段。本工程采用羅克韋爾公司的Logi*5561系列的PLC與軟件CIMPLICITY相結(jié)合,再連接三菱A700變頻器構(gòu)成全自動(dòng)車間滾床控制系統(tǒng),既利用了變頻器調(diào)速技術(shù)優(yōu)良的控制性能,又利用了CIMPLICITY監(jiān)控軟件豐富的組態(tài)功能,操作方便,界面友好,與PLC通訊良好等功能。2

工藝流程概述

在汽車制造過程,涂裝工藝是汽車裝配線上的重要環(huán)節(jié),涂裝有兩個(gè)重要作用,第一車防腐蝕,第二增加美觀,而滾床就是一種汽車裝配線上的運(yùn)送裝置。變頻滾床,顧名思義速度可變,一般采用變頻器控制滾床上的電機(jī),變頻啟動(dòng),0-50HZ工況運(yùn)行。變頻滾床根據(jù)工藝運(yùn)行方向運(yùn)行,滾床上裝有傳感器。分為進(jìn)位傳感器,減速傳感器,到位傳感器。進(jìn)位傳感器為常開點(diǎn),感應(yīng)到該傳感器時(shí),說明橇體開場進(jìn)入滾床;減速開關(guān)為常閉點(diǎn),感應(yīng)到該傳感器時(shí),橇體的運(yùn)行速度由高速變?yōu)橹兴?到位傳感器為常開點(diǎn),感應(yīng)到該傳感器時(shí),橇體停頓動(dòng)作,說明橇體完全進(jìn)入滾床。在承接汽車配件的撬體到達(dá)滾床并感應(yīng)到滾床上的傳感器時(shí),給PLC輸入信號(hào),PLC通過接觸器控制變頻器,從而調(diào)整滾床電機(jī)的運(yùn)行速度[2]。采用PLC與軟件CIMPLICITY軟件相結(jié)合,對(duì)現(xiàn)場工藝流程進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)控和輸出報(bào)警信息,并進(jìn)展實(shí)時(shí)的報(bào)警匯總,便于工作人員調(diào)試維護(hù),保證設(shè)備的正常運(yùn)行。如圖1所示:3

硬件組成

本工程的現(xiàn)場工藝設(shè)備是基于北美通用汽車的CCH1和CCS2標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造和安裝,采用美國羅克韋爾公司Allen-BradleyLogi*5561系列的PLC作為設(shè)備層控制核心對(duì)滾床進(jìn)展控制,也負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場的變頻器斷路器等器件的檢測控制,實(shí)現(xiàn)控制策略,其通信功能能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)監(jiān)控與遠(yuǎn)程通訊。在本控制系統(tǒng)中有一個(gè)PLC控制器,其可以滿足系統(tǒng)對(duì)開關(guān)量的要求,一個(gè)以太網(wǎng)模塊,用于與個(gè)人電腦或者與上位機(jī)進(jìn)展通訊,兩個(gè)輸入模塊,用于對(duì)配電柜里的變頻器和接觸器等器件控制檢測,兩個(gè)DEVICENET模塊,DEVICENET現(xiàn)場總線技術(shù)把主控柜和現(xiàn)場個(gè)遠(yuǎn)程控制站連接成一個(gè)整體[3],保證PLC與遠(yuǎn)程控制站,或者相鄰兩個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)讀取和寫入,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享。各個(gè)遠(yuǎn)程控制站采用ABControlLogi*系列1734-ADN*模塊,他能自動(dòng)復(fù)制節(jié)點(diǎn)地址,在數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)置重試,基于連接的通訊,每個(gè)網(wǎng)路連接的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和受力狀態(tài)下有小于10-7的位誤碼率。硬件組成如圖2所示。上位管理層以監(jiān)控中心上位機(jī)為核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜內(nèi)變頻器等器件以及現(xiàn)場檢測元件的監(jiān)控,處理來自控制器的數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息,維護(hù)數(shù)據(jù)庫,向管理人員提供友好的人機(jī)界面和報(bào)表打印等工作,同時(shí)支持企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)的遠(yuǎn)程,便于遠(yuǎn)程監(jiān)控。PLC模塊,變頻器,以太網(wǎng)交換機(jī)等均在同一個(gè)配電柜內(nèi),稱為主控制柜。主要用于對(duì)現(xiàn)場設(shè)備提供動(dòng)力電,并進(jìn)展實(shí)時(shí)控制。主控柜從構(gòu)造上可分為3局部:右側(cè)的單柜為該區(qū)域的設(shè)備提供電源,左側(cè)的單柜放置PLC、分布式總線模塊和交換機(jī),中間的連接柜為變頻器柜,變頻器和與其相連接的其他硬件均安裝在同一個(gè)配電柜中。外部380V電壓通過主斷路器連接到右側(cè)單柜內(nèi),作為主電源為柜內(nèi)的電氣元件供電。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,每一臺(tái)電機(jī)由一個(gè)變頻器控制,由一個(gè)斷路器來控制其通斷,變頻器采用三菱FR-A700,采用三種輸出頻率,高速頻率為50HZ,中速為30HZ,低速為10HZ,每一個(gè)滾床均有一個(gè)制動(dòng)單元,用于緊急制動(dòng)。由于現(xiàn)場工藝設(shè)備較多,根據(jù)現(xiàn)場工藝要求,將變頻器電路分為兩段,這樣既節(jié)省了本錢,又方便工作人員的調(diào)試及檢修。變頻器接線方式如圖3所示。

從主控柜中引出220V作為主控制柜內(nèi)空調(diào)電壓,用于轉(zhuǎn)移PLC,變頻器等精細(xì)電子元件產(chǎn)生的熱量,防止柜內(nèi)溫度升高影響電氣設(shè)備的穩(wěn)定性。柜內(nèi)有兩個(gè)變壓器,由于其所處的用途不同,一個(gè)為2.5千伏安處理器變壓器,位于主斷路器前,為上位機(jī)工程師站,柜內(nèi)的照明燈等供電,此變壓器與兩個(gè)穩(wěn)壓電源相連,一個(gè)為10A為PLC電源1756-PA72供電的基板電源,以及一個(gè)6.5A的直流穩(wěn)壓電源,主要給以太網(wǎng)總線供電,另一個(gè)為3千伏安變壓器,位于主斷路器后,主要用于給現(xiàn)場各遠(yuǎn)程控制站以及現(xiàn)場工藝流程的控制回路供電,此變壓器與一個(gè)兩個(gè)10A直流穩(wěn)壓電源相連,一個(gè)用于為D網(wǎng)總線供電,另一個(gè)用于I/O模塊和急停線路供電。此系統(tǒng)有兩個(gè)控制回路,都位于主控柜內(nèi),一個(gè)為220V電源控制回路,用于控制主控柜的總電源。另一個(gè)控制回路為24V急停控制回路,用于對(duì)各個(gè)操作站的的控制,在出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)停頓流水線,保證現(xiàn)場生產(chǎn)和工作人員的平安,此兩個(gè)控制回路均在主控柜柜面有控制旋鈕來控制回路的通斷。

主控柜的上電方法:當(dāng)主控柜內(nèi)所有開關(guān)都正常上電完成后,需要在控制柜面板上將控制回路接通的鑰匙旋鈕向右側(cè)旋轉(zhuǎn)一次,這時(shí)控制柜內(nèi)的控制回路接觸器接通,主控柜上電完成。當(dāng)需要將主控柜內(nèi)的控制回路斷開時(shí),只要按下面板上的控制回路停頓按鈕,這時(shí)控制回路接觸器斷開,同時(shí)段電源接觸器斷開,主控柜內(nèi)的變頻器也同時(shí)斷電。

在主控柜內(nèi)主機(jī)架中的兩個(gè)輸入模塊主要用于檢測主控柜內(nèi)各電器元件是否連接正常,輸出報(bào)警信號(hào),如圖4所示。

另一個(gè)I/O模塊與柜內(nèi)斷路器,變頻器等電器元件相連,輸入信號(hào)主要為檢測斷路器的跳閘,變頻器的故障,輸出報(bào)警信號(hào);輸出信號(hào)主要控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。各輸入輸出模塊的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場工藝設(shè)備以及變頻器的數(shù)量而定,但為以后維修調(diào)試方便,要有20%預(yù)留量。各滾床的輸入輸出點(diǎn)如下:

輸入:滾床斷路器跳閘;變頻器故障;變頻器頻率輸出;滾床電機(jī)輸出。

輸出:滾床正轉(zhuǎn)輸出;滾床反轉(zhuǎn)輸出;滾床高速輸出;滾床中速輸出;滾床低速輸出;滾床制動(dòng)器動(dòng)作。遠(yuǎn)程控制站位于現(xiàn)場設(shè)備的附近,用于對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整,和必要的手動(dòng)控制。遠(yuǎn)程控制站通過DEVICENET現(xiàn)場總線用1734-ADN*模塊與主控柜相連[4],在其控制面板有各滾床運(yùn)行狀態(tài)的控制按鈕和自動(dòng)手動(dòng)旋鈕等,還有一個(gè)紅色柱狀燈,用于報(bào)警顯示。工作人員通過面板上得按鈕、旋鈕、急停等來控制該操作站所管轄區(qū)域設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),面板的上指示燈可顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。柜內(nèi)有直流電源為總線模塊提供24VDC電源,將現(xiàn)場信息采集到操作站內(nèi)的現(xiàn)場總線模塊,并發(fā)送到PLC中,由于個(gè)遠(yuǎn)程控制站管轄設(shè)備數(shù)量不同,所以各控制站I/O模塊數(shù)量不同,但為以后維修調(diào)試方便,要有20%預(yù)留量,其模塊的輸入輸出點(diǎn)如下:

輸入:自動(dòng)模式;手動(dòng)模式;急停;入口占位;正轉(zhuǎn)減速;正轉(zhuǎn)到位;

輸出:報(bào)警信號(hào);急停

4

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1

下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序是由AB公司開發(fā)的RSLogi*5000軟件實(shí)現(xiàn)的,RSLogi*5000企業(yè)版序列軟件用來與羅克韋爾自動(dòng)化Logi*平臺(tái)協(xié)同工作。RSLogi*5000軟件兼容IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn),提供梯形圖邏輯、構(gòu)造化文本、功能塊圖、順序功能表編輯器以用于開發(fā)應(yīng)用程序,還包括支持運(yùn)動(dòng)控制的軸配置和編程,它應(yīng)用于ControlLogi*系列PLC[5],同時(shí)也可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)使用。整個(gè)控制系統(tǒng)的主要要求是檢測傳感器信號(hào),按照系統(tǒng)的控制流程,通過執(zhí)行元件和變頻器對(duì)滾床上電機(jī)進(jìn)展控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備對(duì)工件的合理交接,其整體控制流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)程序流程說明如下:

1.系統(tǒng)采用模塊化編程,每一段程序由主程序調(diào)用模塊,網(wǎng)絡(luò)及電源通訊模塊,運(yùn)行模塊,故障診斷與報(bào)警輸出模塊等組成[6]。主程序調(diào)用模塊的作用是初始化子程序,調(diào)度子程序,降低程序復(fù)雜度,使程序的設(shè)計(jì),調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。

2.網(wǎng)絡(luò)及電源通訊模塊:在此模塊中,主要將主控柜中的IB16中的數(shù)據(jù)引入程序中,此處要根據(jù)實(shí)際情況添加報(bào)警,通過接收信號(hào),保證主控柜內(nèi)各個(gè)電器元件工作正常,使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。圖6為其控制流程圖。3.故障診斷與報(bào)警輸出模塊:在此模塊中,程序通過接收到的電路保護(hù)信號(hào),以及工藝設(shè)備的故障報(bào)警信號(hào),根據(jù)一定的條件得出診斷結(jié)果。如果沒有故障,僅有報(bào)警的話,程序繼續(xù)執(zhí)行,但會(huì)在不影響現(xiàn)場工藝運(yùn)行的情況下顯示報(bào)警狀態(tài)。如果有故障的話,現(xiàn)場設(shè)備停頓運(yùn)行,輸出報(bào)警信息,通知工作人員進(jìn)展處理。

4.運(yùn)行模塊:按系統(tǒng)要求,在運(yùn)行模塊下,系統(tǒng)的工作方式有兩種:自動(dòng)模式和手動(dòng)模式,此兩種模式均在遠(yuǎn)程操作站的面板按鈕實(shí)現(xiàn)。

手動(dòng)模式:用于系統(tǒng)出現(xiàn)故障和調(diào)試的情況,在CIMPLICITY監(jiān)控畫面上輸出報(bào)警信息,在此狀態(tài)下,變頻器的輸出均為低速輸出為10HZ,在遠(yuǎn)程操作站控制面板上的按鈕來控制滾床的動(dòng)作,使?jié)L床在正確的位置。當(dāng)把報(bào)警消除后,將自動(dòng)/手動(dòng)按鈕調(diào)至自動(dòng)狀態(tài),復(fù)位啟動(dòng),圖7為該程序模塊的控制流程圖。自動(dòng)控制模式:在自動(dòng)模式下,主控柜內(nèi)的交流接觸器吸合,電機(jī)與變頻器接通。此時(shí)變頻器在PLC控制下有兩個(gè)輸出頻率,高速50HZ與中速30HZ,滾床與電氣元件將根據(jù)現(xiàn)場工藝條件動(dòng)作,調(diào)整撬體的運(yùn)行速度,合理的完成滾床間承載汽車配件的交接,使汽車裝配線流快捷,控制流程圖如圖8所示:

滾床上件的動(dòng)作條件:

本單元滾床:1滾床上無橇體,2硬件驅(qū)開工作正常,3入口沒有封鎖。

前單元滾床:1滾床上有橇體,2硬件驅(qū)開工作正常,3出口沒有封鎖。

正向上件的動(dòng)作過程:

首先,橇體從前單元滾床由本單元設(shè)備的入口高速進(jìn)入滾床,橇體先感應(yīng)進(jìn)占位開關(guān),本單元滾床的變頻器將輸出高速頻率;當(dāng)橇體感應(yīng)到進(jìn)減速開關(guān)時(shí),變頻器輸出中速頻率;最后,當(dāng)橇體感應(yīng)到進(jìn)到位開關(guān)時(shí),變頻器停頓,橇體停頓,上件過程完畢。此時(shí),橇體應(yīng)該且必須感應(yīng)到所有傳感器開關(guān),即進(jìn)占位開關(guān),進(jìn)減速開關(guān)和進(jìn)到位開關(guān)。滾床下件的動(dòng)作條件:

本單元滾床:1滾床上有橇體,2硬件驅(qū)開工作正常,3出口沒有封鎖

后單元滾床:1設(shè)備上無橇體,2硬件驅(qū)開工作正常,3入口沒有封鎖

正向下件的動(dòng)作過程:

首先,橇體從本單元設(shè)備由后單元設(shè)備的入口高速進(jìn)入后單元設(shè)備,橇體先感應(yīng)后單元設(shè)備進(jìn)占位開關(guān),此時(shí)后單元設(shè)備的變頻器輸出高速頻率;當(dāng)橇體感應(yīng)到進(jìn)減速開關(guān)時(shí),變頻器中速輸出中速頻率;最后,當(dāng)橇體移完全動(dòng)到后單元設(shè)備且感應(yīng)到進(jìn)到位開關(guān)時(shí),變頻器停頓輸出,橇體停頓,下件過程完畢。此時(shí),本單元設(shè)備上所有傳感器進(jìn)占位開關(guān),進(jìn)減速開關(guān)與進(jìn)到位開關(guān)均無感應(yīng)。

4.2

上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

CIMPLICITYHMI是由通用公司針對(duì)于汽車領(lǐng)域開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件,基于MicrosoftWindowsNT和Windows95的產(chǎn)品,它可以適用于單一的人機(jī)界面到完全網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在各個(gè)層次上都具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力,能夠獲得各個(gè)層次的集成而不需要在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)展重復(fù)的組態(tài)。它是由效勞器和瀏覽站組成的基于客戶效勞體系構(gòu)造的系統(tǒng),效勞器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分配,瀏覽站連接到效勞器上可以對(duì)被采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展完全的以便觀察和控制。

首先通過軟件的編程界面設(shè)置通訊連接,通過RJ45線利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將Logi*5561PLC與CIMPLICITY建立連接[7],利用RSLin*OPCSever作為其的數(shù)據(jù)傳輸方式。然后建立變量標(biāo)簽,將PLC中的變量傳送到CIMPLICITY中,最后建立過程畫面。使用CIMPLICITY中的圖形編輯器可以繪制各種元素和圖形,該系統(tǒng)畫面主要由主畫面、各個(gè)遠(yuǎn)程控制站的狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、歷史報(bào)警、實(shí)時(shí)報(bào)警等畫面組成。上位機(jī)可以顯示每臺(tái)滾床的實(shí)時(shí)狀態(tài):滾床停機(jī)顯示白色;正在運(yùn)行顯示綠色;滾床有故障顯示紅色。以及各遠(yuǎn)程操作站的的狀態(tài),每個(gè)畫面的下方可以及時(shí)的顯示當(dāng)前的報(bào)警及故障信息,便于工作人員進(jìn)展及時(shí)的維修調(diào)試。建立好CIMPLICITY和PLC的通訊連接后,PLC上得事件將是可視和可操作的,在實(shí)際運(yùn)行中為了防止誤操作而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生傷害,對(duì)不同的操作人員設(shè)定不同的操作密碼和相應(yīng)的操作權(quán)限。主監(jiān)控畫面如圖9所示,能夠?qū)崟r(shí)顯示工藝設(shè)備的狀態(tài)[8],下面的白色方框不僅可以顯示工藝設(shè)備及電機(jī)的報(bào)警和故障信息,還能顯示主控柜及各遠(yuǎn)程控制站的報(bào)警及故障信息,可以很迅速的可以查出哪個(gè)局部出現(xiàn)了異常,進(jìn)展及時(shí)的調(diào)整維護(hù)。點(diǎn)擊下面的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的界面,點(diǎn)擊前一區(qū)跟后一區(qū)進(jìn)入別的區(qū)域的滾床運(yùn)行狀態(tài)。此外,該監(jiān)控系統(tǒng)還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設(shè)定了兩個(gè)權(quán)限,一個(gè)為操作權(quán)限,此權(quán)限僅能監(jiān)控;另一個(gè)為維修權(quán)限,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展修改,這樣用相對(duì)應(yīng)的權(quán)限來實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的操作,有效的保證了系統(tǒng)操作的平安性。

如果沒有監(jiān)控系統(tǒng),一旦發(fā)生故障,操作人員無法立即知道出現(xiàn)異常的局部,只能一段一段的