焊装智能工厂控制系统规划设计

1、 焊装智能工厂控制系统规划设计 导读在“工业4.0”及“中国制造2025”推动下，智能制造成了当今制造业热门话题。智能工厂需在大规模生产模式下，实现个性化定制需求，这就要求我们在规划设计工厂控制系统时，在系统构架上进行精细规划，各个层级系统分工明确，层级之间搭建灵活的、拓展性强的信息网络，以保证信息流无障碍传输。本文以东风柳州汽车有限公司焊装B2线为例，介绍焊装智能工厂是如何进行规划设计的。01项目概况东风柳州汽车有限公司焊装B2线为智能制造技术推广应用重点项目，主要负责生产新平台SUV产品，车间内设置发舱线、侧围线、地板线、总成1线、总车2线、调整线与储运线，如图1所示。除发舱线外，各焊接线

2、点焊作业全部由FANUC工业机器人完成，焊接自动化率达到90%，自动化程度达到国内领先水平。图1 焊装 B2线生产车间B2焊装线作为全新平台，在制造工艺上，首次引入顶盖激光焊接技术、在线检测技术，并结合伺服中频点焊技术，提升车身焊接质量、制造精度以及焊接效率；在制造设备上，地板线采用可变速式多连杆往复杆输送机构，总拼采用四面体柔性车型切换系统，侧围线采用 U 型滑台，整线可兼容4车型共平台生产；在智能制造上，投入了全新MES（Manufacturing Execution System，即生产过程执行系统）、中控系统（包含PMC、AVI、ANDON等）和西门子PLC系统；生产线采用三维软件进行

3、规划设计，结合虚拟仿真、机器人离线编程等技术，可提前验证工艺可行性，具体分布如图2所示。图2 B2焊装线分布02控制系统构架车间智能控制系统如图3所示，分为三个阶层，最上层为MES系统，负责接受ERP计划，形成生产计划下发给机运系统，管理生产制造的全过程；中间层为中控系统，负责监控线体所有 PLC 系统运行状态，反馈设备报警信息，追踪各工位当前车型信息，同时设置有安灯、广播系统；最下层为机运系统，即 PLC 控制系统，负责控制线体上的输送设备、夹具、工业机器人等。图3 车间智能控制系统03MES系统MES系统主要负责从企业ERP中接收日执行计划、车型BOM等信息，形成生产顺序，并向生产线、设备

4、以及工位下达上线、上件、装配和调整等指令。MES系统由服务器、网络、软件与终端设备组成，硬件及网路布局如图4所示。图4MES系统分布图3.1 服务器设置两台应用服务器、两台数据库服务器、通信服务器及应用服务器做双机热备，数据库服务器通过FC交换机使用万兆光纤连接同一存储，使用Oracle的 dataguard进行两台数据库服务器的数据同步。3.2 MES软件系统MES接收企业ERP的生产计划并向生产线各工段、信息点下达；然后，通过车辆各工位上线，拉动集配、上件、配送等供应链；对可联网设备进行物理信息接入，并通过各端接口，为这些设备提供基础的通信平台。软件系统采用模块化设计，主要包含以下几大功能

5、模块：系统管理、生产计划、车辆管理、生产指示、生产实绩、OEE管理、遵守率管理、WBS管理和流动目视，如图5所示。图5 MES软件模块04中控软件焊装车间的中控系统由4大模块构成，即PMC系统、AVI系统、ANDON系统与广播系统，各模块的基本功用如图6所示。图6 焊装车间中控系统4.1 PMC系统PMC系统即生产过程监视与控制系统，通过实时监控生产线上各工位设备状态、统计每一次作业时间，实时反馈设备运行状态；每天以数据、图形、报表和曲线等形式自动发布统计信息，为生产管理、设备维护保养提供依据。PMC系统工作流程如图7所示。图7 PMC系统工作流程PMC系统由千兆光纤环网组建，硬件包含显示屏、

6、开发端、客户端、服务器与交换机；借助现场布置的若干台交换机，构建环形冗余网络，可对所有机运PLC系统进行实时监控，同时为MES服务器提供数据接口，具体布置如图8所示。图8 PMC系统布置中控室内设置主交换机，与现场交换机搭建环形冗余网络；当环网中某一段光纤发生断路时，不会造成网络故障。系统服务器采用一备一用（热备）配置，当一台服务器发生故障时，系统自动切换到另一套服务器；此外，为防止供电系统意外断电，服务器还配备了独立UPS电源。机运PLC系统通过CP343-1以太网模块与现场交换机连接，向中控服务器发送底层数据、变量。在规划构建中控环网时，必须对机运PLC系统的IP进行统一规划分配，包括CP

7、U自带以太网口、CP343以太网模块和 PROFINET从站。PMC软件系统基于西门子WINCC V7.3完全版开发，借助监控系统可实现以下功能：第一，实时动态观察车间内所有设备运行报警状态；第二，可查看每条线当前设备运行效率；第三，可查看生产线上各工位正在作业的车型信息；第四，可查看当前 WBS（车身存储区）排序状态。具体分布如图9所示。图9 西门子WINCC V7.3完全版后台采用SQL Server 2008 R2数据库管理软件对系统数据进行管理；报表系统采用采用B/S结构，界面友好，采用Jquery、ACE Admin等主流框架开发。报表系统能够在浏览器中运行，可兼容IE8+、Chro

8、me、FF等主流浏览器，同时支持手机、PAD等移动设备，如图10所示。图10SQLServer 2008 R2数据库4.2 AVI系统AVI系统即自动车型识别系统。由于焊装线为柔性线，需同时满足不同车型共线生产；车型切换时，工位上的部分工装夹具、机器人等需要根据不同车型进行调整、切换，所以需要AVI系统为各个工位上的自动化设备提供准确的车型信息数据。AVI系统采用德国倍加福公司的RFID设备，其硬件构成及信息传递流程如图11所示。图11 RFID设备硬件构成及信息传递流程读写头控制器作为PLC从站，采用PROFINET总线与PLC进行通信，分单通道、双通道两种类型；读写头安装在各个自动化工位上

9、，由于应用场合不同，AVI系统采用了13.56MHZ、920MHZ两种不同频率的读写头。4.3 ANDON系统Andon也称“暗灯”，Andon系统借助工位上设置的安灯按钮盒及下位PLC系统，对设备、质量、物料求援信息进行收集；经过后台系统处理后，通过声光装置、LED屏幕播报求援信息，反馈给车间管理者。Andon系统由线边按钮盒（设备、质量、缺件等）、LED显示屏、后台管理系统构成。ANDON求援信息经过后台系统处理分类后，传递给不同职能人员，可大幅缩短求援响应时间，有效提高生产效率。其报表系统可以为生产管理者提供准确统计信息，推进PDCA循环管理。05机运系统5.1 系统构架本次采用了西门子

10、S7-300安全型PLC系统作为机运设备控制核心，采用Pronet 现场总线技术实现分布式控制，其硬件系统构架图如图12所示。图12 西门子S7-300安全型PLC系统5.2 控制区域在确定系统整体硬件构架后，需在一定原则下对整条生产线进行控制区域划分，划定各PLC的控制区域。控制分区一为地板线（往复杆）；控制分区二为侧围预装及总拼工位；控制分区三为转接存储工位及补焊工位；控制分区四为点检及补焊工位；控制分区五为空中弧焊及打磨工位、二层空橇返回设备；控制分区六为侧围输送线；控制分区七、八为左右侧围线。06结语工厂系统构架经过规划设计后，已具备智能工厂基本功能，生产线可兼容多种车型共线生产；同时，可满足不同车型配置定制化需求。得益于以太网通信技术，可实现底层至顶层的信息交互，为后期大数据平台建立奠定硬件基础；整线高度自动化、智能化，稳定性高，低