（机械电子工程专业论文）机器人汽车冲压生产线全线监控系统设计与研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本课题来源于安徽江淮汽车股份有限公司和德国库卡合作的机器人汽车冲 压生产线。整条冲压生产线的机械部分和控制系统由德国库卡公司全权委托上海 大学精密机械系进行开发。 论文分析了整个机器人汽车冲压生产线的工艺流程。根据企业全厂自动化 的要求和现场实际情况，提出了广域网、工业以太网和现场总线的三层网络组 建方案。分析了工业以太网和现场总线的各自特点，针对工业以太网应用时出 现的实时性问题，从理论上提出了一些解决的方法。并针对工业以太网和 p r o f i b u s d p 现场总线的信号交换提出了几种解决方案。 为了提高整个冲压线生产过程中的安全性和可靠性，论文研究并设计了针 对该冲压线的全线监控系统。采用西门子触摸屏t p 2 7 0 来完成对该冲压线的局 部监控。采用上位w 1 n c c 监控系统，来对生产线进行全线的监控。研究并综 合运用v b s c r i p t 、a n s i c 、a d o d b 、o p c 、s q ls e r v e r 数据库管理等多种方 法，完成组成该上位监控系统的数据通讯、运行状态监控、数据管理以及系统 安全管理等模块的设计。 整个监控系统经过现场调试，和下位控制系统有效通讯，实时监控冲压线 生产过程中的各种状况，并对生产数据进行数据库备份，提高了安全性和可靠 性，得到k u k a 以及江淮汽车公司的肯定。 关键词：监控系统工业以太网现场总线 o p cw i n c c v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rr o o t si nt h er o b o t i ca u t o m o b i l ep r e s sl i n eo fj i a n g h u a ia u t o m o b i l e c o ，l t di na n h u iw h i c hc o o p e r a t e dw i t hk u k ac o m p a n y k u k ac o n s i g n st h e m e c h a n i s ma n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ew h o l el i n et ot h ed e p a r t m e n to fp r e c i s i o n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n go fs h a n g h a iu n i v e r s i t yt od e v e l o p t h ep a p e ra n a l y s e st h ee r a f f w o r kf l o wo f t h ew h o l er o b o t i ca u t o m o b i l ep r e s sl i n e b a s e do nt h ed e m a n do fa l lf a c t o r ya u t o m a t i o ni nt h ec o m p a n ya n dt h ea c t u a l c i r c u m s t a n c e so ft h el o c a l e ，t h ep a p e rp r o p o s e st h r e el a y e r sn e t w o r ks c h e m ew h i c h c o n s i s t so f t h ew a n ，t h ei n d u s t r i a le t h e m e ta n dt h ef i e l d b u sa n da n a l y s e st h et r a i t so f t h ei n d u s t r i a le t h e r n e ta n df i e l d b u s a i m i n ga tt h er e a l t i m ep r o b l e mo c c u r r e di nt h e a p p l i c a t i o no ft h ei n d u s t r i a le t h e m c t ，t h ep a p e rp r o p o s e ss o m es o l v i n gm e t h o d si n t h e o r y , a n da l s od i s c u s s e ss e v e r a ls c h e m e sf o rt h es i g n a le x c h a n g eb e t w e e nt h e i n d u s t r i a le t h e r n e ta n dt h ep r o f i b u s d e t oi m p r o v et h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yi nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so f t h e p r e s sl i n e ， t h ep a p e rd e s i g n st h es u p e r v i s es y s t e m sf o rt h ew h o l el i n e s i e m e n st o u c hp a n e l t p 2 7 0a c ta saf i e l dm o n i t o ro ft h ep r e s sl i n e w i n c ca c ta st h ew h o l el i n es u p e r v i s e s y s t e m t h ep a p e rr e s e a r c h e ss e v e r a lm e t h o d ss u c ha sv b s c f i p t 、a n s i c ，a d o d b ， o p c ，a n ds q ls e r v e rt od e s i g nt h em o n i t o rs y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o nm o d u l e , t h es t a t u sm o n i t o r i n gm o d u l e ，t h ed a t am a n a g e m e n tm o d u l e a n ds y s t e ms e c u f i t ym a n a g e m e n tm o d u l ea n ds oo n a f t e rd e b u g g i n gi nt h el o c a l e t h ew h o l es u p e r v i s es y s t e mc o m m u n i c a t e sw i m t h ec o n t r o ls y s t e m se f f e c t i v e l y , m o n i t o r sa l lk i n do f r e a l t i m es t a t u si nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so ft h ew h o l el i n e ，a n dr e s t o r et h ei m p o r t a n tp r o d u c t i o nd a t ai nt h ed a t a b a s e w h i c hi m p r o v e st h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y t h ew h o l es u p e r v i s es y s t e mi sr e c e i v e d m u c h p r a i s ef r o mt h ek u k aa n dj a cc o m p a n y k e y w o r d s ：s u p e r v i s es y s t e m ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，f i e l d b u s ，o p c ，w i n c c v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 基i 垒尘日期：! ! ：， 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：坌l 亟走导师签名：盥! 尘日期：! z 垒：l 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 汽车工业，作为衡量一个国家工业水平的标志之一，被当今世界主要工业 发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业。汽车工业具有很强的产业关 联度和很广阔的市场需求前景，对机械、冶金、电子、橡胶、石化等行业具有 巨大的拉动作用，而且汽车行业的发展，将带动汽车销售、汽车维修、汽车金 融等汽车服务业的增长。当前，我国正处于工业化的中后期，汽车行业作为我 国支柱行业之一，在新一轮产业升级中应当发挥更重要的作用，从而促进我国 经济的持续快速增长【l 】。我国将是世界汽车最大市场、最大生产国。按照发展 总战略，2 0 2 0 年，我国汽车产量达到1 4 0 0 1 8 0 0 万辆，世界第一，并迈向世 界汽车产业强国，其标志之一是，要拥有先进、柔性自动化制造技术和先进制 造装备。 随着中国加入w t o ，与国际汽车工业正式接轨。国外企业争相进入中国市 场，投资建厂，宝马、奔驰、凯迪拉克等豪华轿车也将相继落户中国。中国汽车 领域已形成了以一汽、上汽、东风三大集团为主导，以北京现代、广州本田、重 庆长安、南京菲亚特、浙江吉利、江淮集团、哈飞集团、昌河集团、华晨汽车等 为重要组成部分的“3 + x 的崭新格局。我国正在经历一个从汽车工业到汽车产业， 再到汽车社会的巨大变化。这是我国汽车产业发展的关键时期。既面临前所未有 的挑战，也面临难得的发展机遇。从发展前景看。中国汽车产业在具备规模产量、 配套网络、成熟市场的基础上。正加快迈进一个稳定、可持续的发展期，世界汽 车工业发展和市场的国际化将为我国汽车行业取得国外先进技术和管理经验提 供有利的外部环境【2 】o 汽车制造装备分为整车制造装备和零部件制造装备两大类。整车制造有“四 大工艺装备，一冲压生产线、车身焊接和装配生产线、喷涂生产线、整车装配 流水线。冲压工艺是汽车生产四大工艺之首，也是四大工艺中设备投资最大的一 项。据统计，汽车制造中有6 0 7 0 的金属零部件需经塑性加工成形，冲压加工 是完成金属塑性成形的一种重要手段，它是最基本、最传统、最重要的金属加工 方法之一。如车身上的各种覆盖件、车内支撑件、结构加强件，还有大量的汽车 零部件，如发动机的排气弯管及消声器、空心凸轮轴、油底壳、发动机支架、框 架结构件、横纵梁等等，都是经冲压成形技术正向精密、多功能、高效节能、安 全清洁的生产方向发展。 上海大学硕士学位论文 采用一条柔性的自动化冲压生产线，在较大程度上对汽车制造质量和成本有 直接的影响。 提高产品质量、降低物耗，可有效避免变形、划伤、碰伤、减小废品率，保 证覆盖件的表面质量。对于汽车业的外覆盖件，保证表面质量尤为关键。 提高生产效率、降低成本、节约投资。可大幅度节约操作人员，成倍提高覆 盖件的产量。可从整体上提高年产量、提高生产率，有利于降低成本、节约 投资，形成规模效益。 有较高柔性和灵敏性。自动化冲压生产线适应多品种、中小批量、产品更新 换代快、交货期短等生产方式的要求，从而适应日益激烈的市场竞争，是企 业获取竞争优势的必要手段。 降低对工人技术熟练程度的要求，减轻劳动强度，改善作业环境。 目前，我国汽车生产主要应用自动和半自动冲压生产线，柔性冲压自动线近 年来也不断增加。虽然我国目前形成一定的汽车制造体系，并也有许多大型的整 车企业，如大众、通用、长春、重庆长安等等。但是先进冲压技术装备我们与国 外存在很大差距，许多还是主要依靠国外技术，并没有完全的自主开发成果，这 在很大程度上制约着我国国内汽车制造行业的发展。 本课题来源于安徽江淮汽车股份有限公司和德国库卡合作的机器人汽车冲 压生产线。整条冲压生产线的机械部分和控制系统由德国库卡公司全权委托上 海大学精密机械系进行开发，这是我校与外国著名企业进行合作的又一次成功 实践，通过对该课题的研究可以提高了我们在该领域的技术水平，同时也将会 在一定程度上弥补我国在机器人汽车冲压生产线上的不足，缓解汽车行业技术 对于国外的依赖性，为国内同样的机器人冲压线项目提出了一个解决方案，使 我们在机器人冲压线技术方面紧跟国际先进水平，并争取在某些方面加以超越。 1 2 国内外研究现状 1 9 1 3 年1 0 月7 日，美国的福特公司在底特律海兰园建成世界上第一条汽 车自动流水装配线，首次实现汽车的批量生产，几乎使装配速度提高了8 倍， 将当时著名的t 型车的组装时间从1 2 5 小时缩短到1 5 小时，最终使每工作日 每隔l o 秒钟就有一台t 型车驶下生产线。 1 9 2 3 年，安德鲁雪铁龙在美国会见了亨利福特，带回来了福特汽车的流 水线生产方法和机床，从而使魁德扎瓦工厂新建的流水线正以每天1 0 0 辆、每 月3 ，5 0 0 辆的效率，源源不断地向用户提供雪铁龙新车。 大规模的汽车流水线的出现，使得美国及欧洲汽车产量大幅提高。日本的 2 上海大学硕士学位论文 汽车生产流水线尽管发展比较晚，但是由于机器人技术的强大支持，使得日本 的汽车生产线更加自动化和柔性化。 汽车冲压生产线作为汽车整车制造“四大工艺装备”之首，在国外逐步发展 了两大类汽车车身自动化冲压生产线【3 】。 1 单机联线自动化 配置为5 - 6 台压力机，配备拆垛、上下料机械手，穿梭翻转装备和码垛装 置，全线总长约6 0 米，安全性高，冲压质量好。由于工件传送距离长，工件的 上下料换向和双动拉伸必须用工件翻转装备。这种单机联线自动化冲压技术的 生产节拍最高为6 - 9 次分，设备维修工件量大。 2 大型多工位压力机 八十年代中期，国外冲压技术发展到大型三坐标多工位压力机自动化连续 冲压，由拆垛机，大型压力机，三坐标工件传送系统和码垛工位组成，生产节 拍可达1 6 2 5 次分。其主要特点是：生产效率高，是手工送料流水线的牟5 倍， 是单机联线自动生产线的2 3 倍；全自动化、智能化，整个多工位压力机系统 只需2 3 人进行监控，当模具更换时，只需输入要换模具的编号，其余工作自 动完成，整个换模时间只需5 分钟，换模的同时对多工位压力机运行特征作智 能化调整；特别是配有电子三坐标送料多工位的压力机，可以根据模具随意调 节运动路径和时间，不仅能冲压大型覆盖件，而且能冲压小型零件。当冲压小 型零件时，送料距离减短，节拍提高，通过合理的模具布置，可一次冲压2 3 零件，具有充分的自由度，柔性极强。 美国、德国、日本的汽车工业如此发达，得益于其冲压技术及装备的领先 地位。八十年代中期以后，美国通用汽车公司牵头，大规模地用多工位压力机 改造原有的单机冲压线。据美国精密锻压协会统计，美国三大汽车公司6 8 0 多 条冲压线中，有7 0 为多工位压力机；日本在美国的3 5 条冲压线中，有2 4 台 多工位压力机，占6 9 ；日本国内的2 5 0 条冲压线中，有8 0 多台多工位压力机， 占3 2 ；而且，美国已经出现了一些只用多工位压力机的汽车冲压厂，一些新 投资改造的汽车厂和新建汽车厂的这种发展趋势更为明显。 近年来，我国汽车冲压生产线水平发展迅速。一些大型汽车公司如通用、 大众、东风、华晨、华菱、长城等纷纷投入巨资，建立自己的自动化汽车冲压 生产线。但由于国内冲压技术及冲压设备与国外还存在明显的差距，在汽车自 动化冲压生产线方面的自主开发还属于起步阶段，大部分汽车生产厂商在这方 面都是直接引进国外技术和产品，随着自主创新意识的增强，和冲压技术与设 备的不断成熟，越来越多的国内汽车制造商、高校及科研机构开始尝试用自己 的技术来开发冲压生产线。 上海大学硕士学位论文 下图为国内几家汽车公司的汽车自动化冲压生产线。 i 茎i1 1 华晨汽乍冲压生产线 圈1 - 2 东风汽1 ：的冲压线 圈1 - 3 长城汽车冲压线 1 3 研究内容与要求 图l - 4 华菱汽车冲艉线 由于课题来源于安徽江淮汽车公司和k u k a 公司合作的实际工程项目，因此 设计的内容和要求必须符合实际项目的生产要求。该机器人汽车冲压生产线自动 化系统的工作过程为：机器人拆垛板件涂油对中台对中机器人上料 板件在各个压机间传递机器人下料一尾线皮带输出。 从整个冲压线控制系统设计上来说，就是要根据实际汽车冲压生产线的要 求，分析系统的各级结构，布置好机器人、压机、p l c 以及上位计算机等之间的 网络连接，进行系统组态和各自动化系统的控制程序设计，以及上位监控系统的 设计。 对于本课题，主要研究的内容如下： ( 1 ) 机器人冲压生产线布局及工艺流程分析，以此来确定对该冲压线全线监 控的实施方案，并具体确定全线监控系统的各区域。 4 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 机器人汽车冲压线功能分析以及相关的硬件选型。 ( 3 ) 整个冲压线的网络组建 ( 4 ) 现场人机界面控制系统的设计 ( 5 ) 机器人汽车冲压生产线上位监控系统设计以及现场调试 本文研究的最终目标是设计对机器人汽车冲压生产线全线监控系统的实旌 方案，开发一套基于工业以太网架构的上位监控管理系统，能对整条机器人汽车 冲压生产线上的各个区域进行远程监控，对生产线中各分布式控制系统进行监控 管理。 1 4 小结 本章主要论述了对机器人汽车冲压生产线这一课题研究的背景及意义，通过 对国内外汽车冲压线的研究现状分析，明确了该课题的设计内容和要求，为后面 对该课题设计的展开做好前期准备。 上海大学硕士学位论文 第二章冲压线总体方案设计 由于该机器人冲压生产线十分复杂，本章将针对整个冲压线系统进行分析， 来初步确定控制系统的总体思路和解决方案，初步确定整个冲压线的网络组态， 以及为满足整个生产要求的全线监控方案。 2 1 系统总体功能介绍 按照安徽江淮汽车股份有限公司的要求，该机器人汽车冲压生产线具有生 产使用的适合性、运行的可靠性、技术的先进性以及冲压件件数适当增加、变 化时的柔性调整能力。生产节拍达8 件分。该冲压线的总体布局图如图2 - 1 所 示。 图2 - 1 冲压线总体布局图 整个机器人汽车冲压线的流程如下：两台垛料小车装载好板料，交替移入 工作区域，拆垛机器人r 1 根据板料检测信号，从小车卸下板料并把它放在磁 性皮带机上，磁性皮带机判断涂油机以及对中台的状态，然后把板料送入涂油 机，经过涂油处理的板件直接被传送到对中台上。对中台上面经过定位后的夹 持机构在检测到工件信号后，对板件进行自动对中。在对中台上定位完毕，则 通知机器人r 2 从对中台上抓起工件并放在压机p 1 上进行冲压。从p 1 到p 5 之 间，各有一台机器人进行连续传递。最后一台压力机的下料机器人将冲压件从 压力机取出后，放到工件输出皮带机上，传送后，由人工将冲压件取下，摆放 在成品堆放区。 6 上海大学硕士学位论文 2 2 各单元功能分析 为了对整个冲压线有更直观的了解，有必要对其各个组成部分所完成的功 能进行深入的了解，从而为以后的控制系统、监控系统设计以及生产线的网络 组建奠定一个基础。 整个机器人汽车冲压线大体上可分为拆垛单元、工件涂油单元、工件对中 单元、冲压及传递单元以及工件输出单元五个工作单元。下面就针对每一个单 元，对其所完成的功能进行逐一分析。 2 2 1 拆垛单元 拆垛单元主要由两台垛料小车和一台拆垛机器人组成。 本单元有两台独立的拆垛小车，可替换使用以保证连续生产。小车大小满 足工件的最大尺寸。小车工作台净尺寸为2 5 0 0 m m * 4 2 0 0 m m 。小车最大载重负 荷为1 5 ，0 0 0 k g ，小车上面有定位装置，托盘在小车台面上采用靠角定位的方式。 工件托盘可以通过行车，轻松在拆垛小车的台面上定位。板材的分张是通过6 个分散的磁铁进行的，磁铁的位置可手动进行调整。 当小车需要装载板料时，移出工作区域，板料装载完毕后，移进工作区域， 并且在工作区域内设有位置检测开关，保证了重复定位的精度。位置检测信号 同时和拆垛机器人连锁，小车不在工作位置时，机器人不会在该垛料台上进行 操作。小车的装料区域和工作区域用电动门进行隔离，电动门信号与操作安全 信号连锁，保证了系统的安全性。 在拆垛时，小车上的垛料是不动的，拆垛机器人r l 根据板料检测信号，自 动适应所来垛料的高度开始拆垛，并能够自动适应垛料高度的变化。机器人拆 垛时检测确保板材没有和其他板材粘在一块，然后把它放在磁性皮带机上。机 器人上有双料检测装置，如果检测到有双料，则机器人采用抖动的方式来处理 板料，如果抖动3 次仍不能分开板件，则机器人停下来并报警，等待人工处理。 2 2 2 工件涂油单元 经过拆垛单元的板料由拆垛机器人r 1 将其放在磁性皮带机上，磁性皮带机 由磁性传送皮带和支撑滚轮组成，由交流变频电机驱动。磁性传送皮带上装有 永磁条，永磁条位于不锈钢滑轨下。当板料在传送带上传送时，磁条的磁力将 板料吸附在传送带上。磁性皮带机判断涂油机以及对中台的状态，然后把板料 7 上海大学硕士学位论文 送入涂油机。 喷式涂油机可以根据需要设置启动或者不启动，如果板件需要进行涂油， 则涂油机开启，并根据模具号码来选择涂油程序。如果板件不需要进行涂油， 则涂油机不需要启动，板件只是从涂油机通过。涂油机的涂油油量和位置是可 以调节的，且其油量是涂油机控制系统根据不同的板件自动设定、调节的，其 正常过程不需要人工干预。 经过涂油处理的板件直接被传送到对中台单元上进行板料的对中。 2 2 3 工件对中单元 经过涂油处理的板件直接被传送到对中台系统上。对中台上面经过定位后 的夹持机构在检测到工件信号后，对板件进行对中。对中台的定位精度为 b 3 m m 。 对中台是一个基础钢结构，辊子斜坡传送面的自动化板料对中系统。其前 面是四个固定的前挡板，上面装有四个板料检测传感器。左右各有一个可自动 调整位置的气缸挡板，后面有四个可自动调整位置的气缸挡板。每个挡板上装 有电机和光电编码器，针对大小不同的板件，脉冲电机通过丝杆传动的方式对 前、后、左、右挡板进行自动定位。 对中台对于每个工件的尺寸都有记忆功能。通过安装在驱动定位挡板电机 上的编码器，对于每一个工件，只需要在第一次进行编程的时候，手动调节好 板件的定位位置，并用编码器记下板件的实际位置，在以后生产过程中只需要 根据工件的编号自动调用所记忆的数据，从而轻易找回以前的位置，以保证定 位的精度。 挡板料在对中台系统上定位完成后，控制程序会发给机器人定位完成信号， 来执行以后的操作。 2 2 4 冲压及传递单元 这单元是整个冲压线的主体部分，有五台压机和六台机器人组成。 板料在对中台上定位完毕，则通知机器人r 2 从对中台上抓起工件并放在压 机p 1 上。从p 1 到p 5 之间，各有一台机器人进行连续传递。p 1 到p 5 压机完成 每个工位对板料的冲压。 压机和机器人之间实现信号互锁。当机器人在压机工作范围之内的抓件和 放件过程中，保证压机不会动作。在压机没有退回到位时，机器人也不能动作。 整个工作区采用2 0 0 0 r a m 高安全防护栏全封闭，并在该冲压线机器人的两侧设 上海大学硕士学位论文 有安全门，安全门开关采用电子锁。所有的安全门两侧均有急停开关。其信号 接入到安全回路电气柜，所有急停及安全门均为硬件回路双通道，且均有反馈 信号接入p r o f i b u s 模块。当在冲压线的任何一个位置按下急停按钮，该冲压 线全线停机。当安全门被打开时，系统区域暂停。当生产过程中出现异常情况 时，以确保设备安全和人身安全。 2 2 5 工件输出单元 工件经过机器人的传递和压机的冲压后，由最后一台压机的下料机器人将 冲压件从压机取出后，放到尾线传输皮带机上，传送到成品堆放区，由人工将 冲压件取下，摆放在工位器具中。 本单元有两条独立的1 1 0 0 m m * 8 0 0 0 m m 皮带机，皮带机间距可调。对于小 的工件，只需要放在一条皮带机上。对于比较大的工件或者是双片工件，可通 过调节两个皮带机之间的间距来满足要求。 皮带机在机器人的放料位置装有光电检测开关，皮带上有工件时，机器人 在放料位的上方等待直到皮带上的工件送走。 2 3 下位控制系统硬件选型 从下位机控制系统上来说，该冲压线中的i o 数量比较多，控制比较复杂， 选型定位在大中型p l c 产品中。课题中选用s i e m e n ss 7 3 0 0 ，s 7 3 0 0 是模 块化中小型p l c 系统( 如下图2 - 2 所示) ，完全能满足该冲压线的控制要求。 同时s 7 3 0 0 的模块结构化极其有利于配置不同网络通信的组合，给下面的网络 组建和全线监控系统设计带来极大的方便。 图2 2s 7 3 0 0p l c 9 上海大学硕士学位论文 1 、负载电源( 可选) 2 、后备电池( c p u 3 1 3 以上) 3 、2 4 4d c 电源4 、模式开关 5 、状态和故障指示灯6 、存储器卡( c p u 3 1 3 以上) 7 、肝i 多点接口8 、前连接器 9 、前盖 k u l ( a 机器人技术公司，是世界上领先的工业机器人制造商，在汽车冲压线 设计方面具有成熟经验。课题中选用k u k a 冲压专用机器人k r l 2 0 p 2 0 0 0 来完成 拆垛以及各压机之间板料的传递工作。其运动参数如下图2 - 3 所示： 1 0 上海大学硕士学位论文 黪8 热l 瓣缀雠参数罗翟警零譬零零零渺帮罗鼍 负载( 指第6 轴最前端p 点负载) 1 2 0 公斤 附加负载 “，+。 “ ，一易斯。? _ 。j 。_ o i 霪 总负载1 7 0 公斤 运动轴数 6 。蠹 法兰盘( 安装在第6 轴上)d i ni s o9 4 0 9 1 a 1 6 0 安装位置，地面墙壁。一 一一曩 重复精度 + 加2 m m 燕劁嚣 +，k r c 2。 i。i 。蕊 自重 1 5 0 0 公斤 作业空闻范围1 4 5 立方米” ”一j + ? l 每个轴的运动参数 运动范嗣 运动速度i 轴1+ - 1 8 5 。9 0 0 s 轴2 。” q o o | 1 2 妒8 4 0 s? 薯 轴3+ 1 5 5 0 1 1 9 。8 3 0 s ! 辘4 。 ”一 ! 、 3 5 0 0 ” 1 2 1 j 轴5+ | 1 2 5 01 2 4 0 s 辘6 + - 3 5 0 0 ” 1 8 4 0 s“嚣 图2 - 3k r l 2 0 p 2 0 0 0 运动及性能参数 该冲压线拆垛单元的两台垛料小车在送料过程中为提高效率，先加速到一 定位置，然后再减速直至指定位置，为实现对垛料小车运动的自动地高精度控 制，就需要使用变频器。这里我们选用的是三菱小型、高性能f r e 5 0 0 变频调 速器【“。 选用变频器的外部操作模式( p r 7 9 “操作模式选择”= o ) ，使用高速和低速两 个速度频率，分别设置为5 0 h z 和l o h z ，f r e 5 0 0 详细接线图如下图2 4 所示： 上海大学硕士学位论文 3 相4 0 f f v 电源输入 图2 - 4f r - e 5 0 0 端子接线图 2 4 网络组建方案分析 随着计算机控制技术被迅速地推广和普及，各式各样的自动化设备，例如 工业控制计算机、p l c 、机器人、数控机床、柔性制造系统等开始在工厂中使 用 7 】。这就需要将不同厂家生产的自动化设备连接在网络上，相互之间进行数 据通讯，实现分散控制和集中管理。因此通信与网络已经成为控制系统不可缺 少的组成部分，也是控制系统的设计和维护的重点和难点之一。一些常用网络 的性能与传输率以及适用的自动化级别如下图2 5 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 5 一般而言，企业的通信网络可以划分为三级：企业级、车间级和现场级。 企业级网络用于企业的上层管理，为企业提供生产、经营、管理等数据， 通过信息化的方式优化企业的资源，提高企业的管理水平。这个层次的通信网 络中，i t 技术的应用十分广泛，如i n t e r n e t 和i n t r a n e t 。 车间级通信网络基于企业级和现场级之间，它的主要任务是解决车间内各 需要协调工作的不同工艺段之间的通信，从通信需求角度来看，要求通信网络 能够高速传递大量信息数据和少量控制数据，同时具有较强的实时性。 现场级通信网络处于工业网络系统的底层，直接连接现场的各种设备，包 括设备、传感器、变送器、变频和驱动等装置，由于连接的设备千变万化， 因此所使用的通信方式也比较复杂。而且由于现场级通信网络直接连接现场的 设备，网络上传递的主要是控制信号，因此对网络的实时性和确定性有很高的 要求。对现场级通信网络，p r o f i b u s 是主要的解决方案。 对于该机器人汽车冲压线，我们拟使用三层网络结构进行网络组建。第一 层是基于i n t e r n e t 的上位系统广域网，用于各部门的管理和信息统计。第二层是 基于以太网的上位系统和各条生产线的主控制器网络层，用于监控现场情况。 上海大学硕士学位论文 第三层是基于现场总线的主控制器和执行器网络层，主要用于实时自动控制和 信息反馈。 第一层网络企业的广域网是已经组建好的，我们可以直接通过企业专门预 留的入口接入。 第二层网络我们拟采用工业以太网，工业以太网是为工业应用而专门设计 的，它是一种遵循国标标准i e e e 8 0 2 3 的开放式、多供应商、高性能的区域和 单元级网络。工业以太网将自动化系统相互连接，而且还将自动化系统连接到 p c 机和工作站，它能够以高达1 0 0 m b i t s 的速度实现广泛的、开放的网络解决 方案。 目前，以太网凭借其超过8 0 的市场份额，在世界范围内的局域网( l a n ) 市场上基于主导地位。这是由于它的优良性能，以太网有如下基于应用的重要 优剧4 l ： 启动快速，因为简化了网络连接方法。 灵活性大，因为现有设备可以不受影响地随时扩展。 可靠性高，因为采用了冗余的网络拓扑结构。 无限的通信功能，因为使用交换技术可根据用户需求提供可伸缩的性 能。 覆盖极为广泛的企业应用，可从办公室到生产现场。 在整个公司范围实现通信，因为以太网可连接到广域网( w a n ) ，例如 综合服务数字网( i s d n ) 或因特网。 投资可靠，因为该系统正不断得到进一步开发，而且完全向下兼容。 对第三层现场级通信网络，p r o f i b u s 是主要的解决方案 9 1 。 p r o f i b u s 是目前最成功的现场总线之一，得到了广泛的应用。它是由德 国s i e m e n s 公司于1 9 8 8 年推出，它是开放式的现场总线，各种各样的自动化 设备均可通过同样的接口交换信息。p r o f i b u s 已经成为德国国家标准 d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准p re n 5 0 1 7 0 。为数众多的生产厂家提供了优质的 p r o f i b u s 产品，用户可以自由选择最合适的产品。可以说p r o f i b u s 是成熟 的技术、它已经用在加工工业、过程自动化及其它自动控制场合。p r o f i b u s 独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展 的应用行规，已经成为现场通信网络的最优解决方案，其网络节点数已经突破 1 0 0 0 万个，在现场总线领域中遥遥领先。 是否选用p r o f i b u s 现场总线构成控制系统来应用于本课题，主要从以下 两方面来考虑【6 】= ( 1 ) 项目是否适于现场总线技术 1 4 上海大学硕士学位论文 p r o f i b u s 现场总线技术作为一种先进技术，超出其适用范围也不一定就 得到好的效果，可主要考虑以下几个问题： a ) 现场被控设备是否分散 这是决定使用现场总线技术的关键。现场总线技术适合于分散的、具有通 信接口的现场受控设备的系统。现场总线的技术优势是节省了大量现场布线成 本，使系统故障易于诊断与维护。对于具有集中i o 的单机控制系统，现场总 线技术没有明显优势。 b ) 系统对底层设备是否有信息集成要求 现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统。如需要建立车间监控系 统、建立全厂的c i m s 系统。在底层使用现场总线技术可将大量丰富的设备及 生产数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的底层数据。 c ) 系统对底层设备是否有较高的远程诊断、故障报警及参数化要求 现场总线技术适合要求有远程操作及监控的系统。 ( 2 ) 系统实时性要求 所谓系统的实时性是指现场设备之间，在最坏情况下完成一次数据交换， 系统所能保证的最小时间。简单地说就是现场设备的通信数据更新速度。以下 实际应用可能对系统的实时性提出要求： a ) 快速互锁连锁控制、故障保护：现场设备之间需要快速互锁连锁控制， 完成设备故障保护功能。系统的实时性不高，可能会导致设备损坏。 b ) 闭环控制：现场设备之间构成闭环控制系统，系统的实时性影响到产品 质量，如产品薄厚不均、大小不一、成分不同等。 在机器人汽车冲压线的现场网络层，所需要的总线布置一定要满足速度和 集散控制要求，在这些方面p r o f i b u s d p 都有得天独厚的优势，而且由于其 组网效率高，成本较同类产品低廉，性价比优势突出，在用该总线方式实施现 场通信时，中央控制器可以通过高速串行线同分散的现场设备( 如i o 、驱动器、 阀门等) 进行通信，多数数据交换是周期性的，由中央控制器周期地读取从设 备的输入信息并周期地想从设备发送输出信息。 该生产线规模比较庞大，所以对于通信故障诊断有一定的要求，排障和修 复对于可靠性起着至关重要的作用，p r o f i b u s d p 在这方面提供了强有力的 诊断和配置功能，经过扩展的p r o f i b u s d p 诊断功能是对故障进行快速定位， 诊断信息在总体上传输并由主站收集，这些诊断信息分为3 类： 本站诊断操作：诊断信息表示本站设备的一般操作状态，如温度过高， 电压过低。 模块诊断操作：诊断信息表示一个站点的某具体i o 模块出现故障( 如 上海大学硕士学位论文 8 位的输出模块) 。 通道诊断操作：诊断信息表示一个单独的输入输出位的故障( 如输出 通道7 短路) 。 这三种诊断信息，在在西门子s 7 系列软件的配合下，对于现场总线中远程 i o 模块的常规故障信息都有具体而详尽的描述，使技术人员能直接找到故障源 及故障原因，从而有效地加以排查。 通过以上的分析可见，使用p r o f i b u s 现场总线技术作为第三层现场级通 信网络是本课题的最佳解决方案。 建立了上述的以太网和现场p r o f i b u s d p 网络后，就完成了整个控制网 络的主体部分。在实际控制中还牵涉到该系统的主控制器和其他主控制器之间 的信息交换，例如p l c 控制器和触摸屏之间的数据交换，但是这些信息的数据 量不是很大。s i m a t i cn e t 针对这种网络数据量不大，站点不多的情况，还提 供了m p i 网络。 m p i ( m u l t i p o i n ti n t e r f a c e ) 通讯是当通讯速率要求不高、通讯数据量不大 的时候，可以采用的一种简单经济的通讯方式【l o 】。m p i 通讯可使用p l cs 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 、操作面板t p o p 以及上位机m p i p r o f i b u s 通信卡，如 c p 5 5 1 2 c p 5 6 1 l c p 5 6 1 3 等进行数据交换。m p i 网络的通讯速率为1 9 2 k b i t s 1 2 m b i t s ，通常默认设置为1 8 7 5 k b i t s 。 由此，通过广域网、工业以太网、p r o f i b u s 以及m p i 等网络技术的综合 运用，从而完成对该冲压线网络的初步组建方案。 2 5 全线监控系统方案分析 为实时反映生产线各设备的运行状态，生产过程中可能出现的一些故障及 报警信息，以及对生产数据的备分、报表等，一个完善的监控系统是一个生产 线必不可少的组成部分。 根据机器人汽车冲压线的实际生产要求，对该冲压线初步采用区域监控和 全线监控相结合的方法。其中区域监控主要是通过触摸屏来完成，而全线监控 主要是通过上位计算机来实现。 触摸屏初步选用s i e m e n st p 2 7 0 ，将其安装在靠近对中台控制系统的主控 柜上，通过m p i 网络和主控制器p l c 的连接，来实现操作人员对现场的各个设 备进行辅助操作、参数设定，另外还可以对拆垛单元、工件涂油单元、工件对 中单元以及冲压及传递单元的机器人r 2 这一区域内的各个设备的运行状态， 各传感器的信号状态、p l c 的i o 状态以及网络状态进行实时的监控，从而辅 1 6 上海大学硕士学位论文 助上位计算机完成对冲压线的现场监控功能。 上位计算机主要完成对该冲压线全线生产过程的监控功能。在上一节确定 了上位计算机通过工业以太网和p r o f i b u s 现场总线来和生产线上的设备进行 网络连接后，下面就要具体的确定一下上位监控系统所要完成的功能。一般说， 一个最基本的监控系统以下的几项功能是必备的【5 1 。 一、图形监控系统 图形监控系统是生产过程实时监控系统的重要组成部分。操作人员可以通 过图形监控画面直观地掌握生产过程的工艺流程、工况参数和现场设备的实时 状态等，所以图形显示系统在监控系统中占有重要的地位。 对本冲压线的图形监控系统初步确定为以下几个方面： 冲压线上的设备状态包括整个冲压线及其各组成设备的实时运行 状态，各传感器及执行器的f o 状态，生产的步序流程等； 冲压线的网络状态整条线上上位工控机、机器人、压机、p l c 主 控制器及其远程模块之间的网络连接状态； 现场总线p r o f i b u s 站点诊断种压线中p r o f i b u s 总线下各主从 站点通信诊断； 二、过程值归档系统 过程值归档的目的是采集、处理和归档工业现场的过程数据。以这种方法 获得的过程数据可用于获取与设备的操作状态有关的管理和技术标准。 在运行系统中，采集并处理将被归档的过程值，然后将其存储在归档数据 库中。在运行系统中，可以以表格或趋势的形式输出当前过程值或已归档的过 程值，也可将所归档的过程值作为记录打印输出。 在本冲压线的设计中，拟建立这样一个数据归档系统：建立一个冲压线的 产量数据库，来分析每月、每天，甚至每个时刻该冲压线的生产效率，并以表 格或趋势的形式输出，计算出其生产节拍，确定是否对生产节拍进行控制。 三、消息系统 消息系统给操作员提供了关于操作状态和过程故障状态的信息。可将设备 的每一l 临界状态提早通知操作员，并帮助消除空闲时间。报警可以通知操作员 在生产过程中发生的故障和错误消息，用于及早警告临界状态，以避免停机或 缩短停机时间。 本课题拟采用s i e m e n sw i n c c 的消息系统对生产过程中的消息及报警信 息进行组态，对不同的消息及报警进行分组，然后将他们显示到上位的监控画 面中。 四、报表系统 1 7 上海大学硕士学位论文 生产过程中的一些重要数据，如报警信息、变量记录及一些归档数据等需 要进行报表生成或打印。本系统采用w i n c c 可以输出下列报表： 项目文档报表，输出w i n c c 项目的组态数据； 运行系统数据报表，可在运行期间输出过程数据。 本课题采用西门子公司的w i n c c 作为上位全线监控系统的组态软件， w i n c c 是欧洲最成功的s c a d a 系统，它可以方便而高效的实现上面所说的功 能。同时作为s i m a t i c 全集成自动化系统的重要组成部分，w i n c c 确保与 s i e m e n s 的各个系列的p l c 连接的方便和通讯的高效；w i n c c 与s t e p 7 编 程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，w i n c c 还有对s i m a t i cp l c 进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。 2 6 总体设计方案总结 本章通过对整条冲压线及其各组成单元的功能分析，初步确定了该冲压线 的控制系统硬件选型、网络组建方案以及全线监控方案： 1 确定了广域网、以太网及现场总线相结合的三层网络组网方式，广域网 用于各部门的管理和信息统计；基于以太网的上位系统和各条生产线的主控制 器网络层，用于监控现场；基于现场总线的主控制器和执行器网络层，用于实 时自动控制和信息反馈。 2 采用区域监控和全线监控相结合的方式来完成对整条冲压线的监控。采 用触摸屏t p 2 7 0 来对冲压线主要区域进行区域监控，装有w i n c c 的上位机来 完成对该冲压线的全线监控。并对其一些基本的功能进行了初步构思。 上海大学硕士学位论文 第三章工业以太网及现场总线 前面对该冲压线的网络组建以及全线监控方案进行了初步的构思。其中现 场总线和工业以太网技术是保证本课题网络组建和全线监控通讯顺畅的重要基 础，故本章将详细研究工业以太网及现场总线的相关技术。 3 1 工业以太网 工业以太网是为工业应用专门设计的，它是遵循国际标准 i e e e 8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) 的开放式、多供应商、高性能的区域和单元网络。工业以太 网已经广泛地应用于控制网络的最高层，并且有向控制网络的中间