（机械电子工程专业论文）cv9汽车车身焊接生产线控制系统设计.pdf

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。 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) 答名：i 0 扩导 签名：i 咄彬! 王一导 如6 ；砖 上海大学硕十研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 摘要 课题来自于德国库卡公司委托我校共同设计的c v 9 汽车车身焊接项目，是 国外著名机器人焊接厂商与上海大学在车身焊接领域的首度合作。 为了提高整个焊接过程的安全性和可靠性，优化焊接过程中的一些参数，以 及记录分时产量，论文研究并设计了用于焊接监控的上位系统，并对其如何与工 业以太网有效结合展开讨论。作者采用s i e m e n sw i n c c 组态软件进行设计，整 个上位软件系统包括通信、画面、报警、数据记录以及用户管理等功能。 论文分析了整个焊接生产线的工作原理和整体规划：根据对现场实际情况的 分析，比较了现场总线和以太网的优缺点，提出了将电气网络和光纤网络结合使 用，通过交换机来组建工业通信网络p r o f i n e t 的方案；课题从硬件方面和软 件方面对该方案进行了完整分析，为工业以太网中可能出现的通信不确定问题提 出了几种解决方案。从系统在现场的运行情况可见，p r o f i n e t 网络在对焊接生 产线控制网络和信息网络的数据交换中不仅可靠性高，抗干扰能力强，而且达到 了较高的实时通信要求。 在进行过程信息组态时。课题针对过程画面动态化，报警画面清晰化，数据 记录自动化，用户权限安全化，系统运行可靠化的原则进行了研究和设计，研究 并结合运用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 方法进行上位软件设计，并在硬件和软件上提出了冗余构思，对冗余可靠性作了 分析，给出了系统冗余组态的解决方案，提高了汽车车身焊接过程控制能力。 整个系统进行了现场调试，并经过了长时间的生产运作，结果表明，在安全 性和可靠性方面，控制系统与上位信息系统做到了有效结合：在现场监控方面， 清晰简洁，完全满足设计要求。 关键词：w i n c c 工业以太网p r o f i n e t监控系统光纤网络冗余 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u 汀et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s l t y a b s t r a c t d u et ot h ec v 9v e h i c l eb o d yw e l d i n gp r o j e c tc o o p e r a t e dw i t hk u k ac o m p a n y , t h ep a p e rd e s i g n e dam o n i t o rs y s t e mf o rt h ep r o c e s sc o n t r o lo fv e h i c l ew e l d i n g ，a n d t h i si st h ef i r s tc o o p e r a t i o nb e t w e e ns h a r 【g b a iu n i v e r s i t ya n daf a m o u sf o r e i g nr o b o t c o m p a n yi nt h ef i e l do f v e h i c l ew e l d i n g i no r d e rt oi m p r o v et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ew h o l ew e l d i n gs y s t e m ， o p t i m i z ep a r a m e t e r so ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，a n dr e c o r dt h ep r o d u c t i v i t i e sh o u r l t h e p a p e rr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h em o n i t o rs y s t e mf o rw e l d i n gp r o c e s s ，a l s od i s c u s s e d h o wt oc o m b i n ei tw i t hi n d u s t r i a le t h e m e te f f e c t i v e l y a u t h o ru s e ds i e m e n sw i n c e p r o c e s sc o n t r o ls o f t w a r et od e s i g n a n dt h ew h o l es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e df u n c t i o n s a b o u tc o m m u n i c a t i o n ，g r a p h i cd e s i g n ，a l a r mi n f o r m a t i o n ，d a t ar e c o r da n dp u r v i e w a s s i g n m e n t t h ep a p e ra n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h el a y e u to ft h ew e l d i n gl i n e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h ef i e l d ，t h er e l a t i v em e r i t so ff i e l d b u sa n de t h e m e ti sc o m p a r e d ，a n dam e t h o da b o u th o wt oc o m b i n ee l e c t r i c a ln e tw i t h o p t i c a ln e tw a sb r o u g h tf o r w a r d t h u sas o l u t i o na b o u th o wt oc o n f i g u r ea ni n d u s t r i a l c o m m u n i c a t i o nn e t p r o f i n e ti sf i n a l l ye s t a b l i s h e d t h es u b j e c ta n a l y z e dt h e s o l u t i o nf r o mt h ea s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n db r o u g h tf o r w a r ds e v e r a l s o l u t i o n sf o rt h eu n c e r t a i np r o b l e m so f i n d u s t r i a le t h e r n e t i nt h ef i e l d ，p r o f i n e ti s n o t o n l yr e l i a b l e ，a n t i - j a n m a i n g ，b u ta l s om e e t st h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n d u r i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fp r o c e s si n f o r m a t i o n ，t h ed e s i g nf o l l o w e dt h e p n n c i p l eo f c r e a t i n gd y n a m i cp r o c e s sp i c t u r e ，c l e a ra l a r mi n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i cd a t a r e c o r d i n g ，p o w e r f u l u s e ra u t h o r i t y , a n dr e l i a b l e s y s t e mo p e r a t i o n t h ep a p e r r e s e a r c h e ds e v e r a lm e t h o d st od e s i g nt h em o n i t o rs y s t e m ，s u c ha sv b s c r 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 r , u s e dt h e mi nt h ed e s i g n t h ep a p e ra l s oc o n s i d e r e d aw a yo fc r e a t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e d u n d a n c y , a n a l y z e df i l er e l i a b i l i t yo ft h e r e d u n d a n ts y s t e ma n dg a v eas o l u t i o n ，i m p r o v e dt h ep r o c e s sc o n t r o la b i l i t yo fv e h i c l e w e l d i n g s y s t e mw a sd e b u g g e di nt h ef i e l d ，a n da f t e rap e r i o do f p r o d u c i n g ，i tw a sp r o v e d t h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ei n f o r m a t i o ns y s t e me f f e c t i v e l y , a n dt h e w h o l es y s t e mw o r k e ds a f e l ya n dr e l i a b l y a l s o ，i tw a sc l e a ra n db r i e ff o rt h eo p e r a t o r t om o n i t o rt h ef i e l d t h es y s t e mm e e t sr e q u i r e m e n t sa b s o l u t e l y k e y w o r d s ：w i n c c ，i n d u s t r i a le t h e m e t ，p r o f i n e t ，m o n i t o rs y s t e m ，o p t i c a l n e t ， r e d u n d a n c y 2 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u 盯et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 汽车工业作为当今世界经济支柱性产业之一，在发达国家国民经济中占有举 足轻重的地位，而在中国，汽车工业现代化发展起步于本世纪5 0 年代中期，初 期发展缓慢，到8 0 年代后期方初具规模。到9 0 年代初，中国已经能生产各种 类型汽车，包括重、中、轻、微型货车、客车、轿车和专用车。1 9 9 5 年，总产 量达1 4 0 万辆，汽车生产厂家达到1 2 2 家，其中前l o 名厂家产量占总计之7 4 ， 生产呈高度集中之势。中国政府于1 9 9 4 年2 月颁发了汽车工业政策，列明了 中国汽车工业的发展政策，包括发展白标，产业管理方式、进出口管理、投产融 资方式、国产化销售等方面，其目标是使中国汽车工业在本世纪末打下坚实的基 础，到2 0 1 0 年使其成为国民经济的支柱产业，井带动其他相关产业发展。由此 可预料，在政策倾斜上，汽车工业拥有了相当大的发展前景。 随着汽车工业的发展，汽车车身焊装生产线也在逐渐向全自动化方向发展， 为了赶上国际水平，在提高产量的同时，更要求努力提高汽车制造质量。生产自 动化的实现对零部件的制造精度要求较高，希望焊接变形最小，焊接部位外观要 清爽，所有这些都是对车身焊接生产线设计的挑战，国内类似的高水平的生产线， 在上海、武汉等地都有，但都属于合资及引进，其中包括了德国、美国、法国和 日本的先进汽车制造技术，目前为止，国内尚无自行设计整条车身焊接生产线的 先例，甚至连整条生产线控制系统的自行设计也是从未踏足的领域。国内汽车产 业要发展，必须尽早丌始自行设计焊接生产线，向着集自动化、模块化、柔性化 一体的方向发展。 车身焊接生产线设计发展到现在面临了这样两条道路：一条是强调生产过程 全自动化；另外一条则是强调工业技术和人的技能相结合。前者所提出的“无人 化”概念虽然在系统稳定运行时，可以达到很高的效率，然而却缺乏处理突发事 件以及不精确事件的手段，系统的鲁棒性不强。系统一旦出现故障，则会由高水 平的有序状态走向其反面混乱，这样的系统没有充分考虑和发挥人的经验、 能动性以及对意外事件的反应能力，而且以目前的生产力水平与科技水平来说， 还不适合采用这样无人化的生产方式。后者强调生产环节“以人为中心”，在借 助了技术的力量参与和控制过程之后，使整个系统更为可靠，更具柔性，同时也 更具迅速反应能力，对故障和突发情况的处理比以往更为迅速，人工干预技术在 自动化生产中的作用十分显著。在这些庞大和复杂的控制系统前，具有优秀h m i ( 人机交互界面) 的上位p c 系统无疑能将系统性能大大提高，而工人工作强度 和管理人员维护系统的难度大大降低。因此，对应于当前集成化程度越来越高的 工业控制领域来说，研究设计出一套符合系统环境、能与工业现场无缝接合的人 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s i t y 性化上位监控系统，成了越来越让人重视的一门技术，这也就是人机环境系统 工程所要解决的问题。 本课题是由德国k u k a 公司委托上海大学精密机械系与之合作，共同为长 安新型汽车c v 9 设计车身焊接生产线，由k u k a 公司完成机械部分设计，这部 分设计包括了焊接夹具，夹具平台，滑橇结构，移载机构等，而控制部分设计则 由上海大学完成，控制系统的主体设计内容是对于车身焊接生产线的p l c 控制 设计，包括了控制方案设计，p l c 程序编制，h m i 设计等。 这次k u k a 公司与我国高校在大型的、系统的整车生产线设计方面的合作， 对于国内汽车生产线设计水平的提高具有重要意义，在k u k a 公司的严格要求 和统一设计风格下，在整车生产线控制系统设计方面的技术得到了极大的提高， 是国内汽车焊接领域的一大进步。 1 2 国内外研究现状 国外汽车生产厂商广泛开发新技术，运用于汽车生产制造中，大量新型焊接 材料，焊接设备的开发和应用大大提高了汽车焊接技术水准，而焊接机器人的发 展是多品种、小批量、柔性化的汽车制造特点带来的必然结果，在新型汽车f 尤 其是轿车) 生产线中点焊机器人、弧焊机器人、螺柱焊机机器人，甚至于激光机 器人也得到了较好的应用，但是由于专用程序、运行成本、投资成本等因素限制 了机器人的大量应用。在今后一段时期，焊缝跟踪技术、焊缝检测技术、远程编 程( 网上编程) 技术的突破将扩展焊接机器人在汽车制造中的应用。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a r et h e s i s0 fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 图1 1 机器人焊接技术 k u k a 机器人技术公司，母公司是德国奥格斯堡的k u k a 机器人有限股份 公司，是世界上领先的工业机器人制造商，年产量达到1 0 0 0 0 台，安装了的数量 超过6 0 0 0 台。k u k a 的机器人被用在各种不同的工业领域，包括设备加工，汽 车制造，空间技术，日用消费品，后勤，食物，制药，医学，铸造，塑料加工和 其他多种加工应用，包括材料处理，机械装载，组装，打包，码垛堆集，焊接， 弯曲，结合，和表面修整，k u k a 公司在车身焊接线设计方面具有成熟经验。 近二十年来，自动控制技术在焊接电源、焊接专机以及焊接机器人中得到了 充分应用，也可以说焊接设备性能的提高主要依赖于自动控制技术的发展，这一 观点在逆变电源、脉冲电源、数字化焊机方面得到的有力应验。计算机应用的前 期主要在于自动控制技术的延伸，中期在于焊接过程数值模拟、焊接机器人以及 电阻焊机的群控。目前，伴随着信息技术的快速发展，计算机技术已经以网络形 式应用于焊接过程中，其主要形式有i m e m e t 总线系统，基于i n t e m e t 的焊接控 制系统等。在国外，美国通用，德国戴姆勒一克莱斯勒，英国福特和日本丰田汽 车公司都将技术创新放在了首要位置，已经开始了3 c ( c o s tc o m p e t i t i v e n e s s 、 c r e a t i v i t y 、c u l t u r e l ，即成本、独创性、文化三大要素的激烈角逐，并不断利用最 新的管理技术、信息技术和设计制造技术对汽车制造业进行全面创新。 国内汽车工业飞速发展，2 0 0 3 年中国汽车行业产量为4 4 4 万辆，超出2 0 0 2 年( 3 2 5 l 万辆) 1 1 9 万辆，增长幅度达到3 6 6 。中国已经超过法国成为世界第四 大汽车生产国。中国汽车：工业已经进入高速发展期：汽车工业第一个1 0 0 万辆， 中国用了4 0 年时间，第二个1 0 0 万辆用了8 年时间，第三个1 0 0 万辆用了2 年， 而第四个1 0 0 万辆仅仅用了一年不到的时间。 尽管国内汽车生产制造能力越来越强，但是国内汽车焊接水平仍与国外相比 存在一定的差距，这个差距不仅仅来自于焊接技术的落后，也在于国内汽车产业 的创新意识仍远远落后于发达国家，在汽车自动化焊接生产线方面的自主开发还 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 属于起步阶段，大部分汽车生产厂商在这方面都是引进国外技术和产品，而随着 汽车工业的发展，汽车车身焊装生产线必然会逐渐向着全自动化方向发展，所以 目前越来越多的国内汽车制造商开始尝试用自己的技术来开发焊接生产线，长安 汽车公司就是其中一个领头羊。 汽车工业的高速发展对焊接技术提出了新的要求，焊接技术是汽车制造中的 一项关键技术，焊接与冲压、涂装和整车总成装配是汽车制造的四大技术支柱， 更重要的一点是焊接工程是集工艺、机械、材料、控制、计算机等多学科的、跨 领域的集成性技术。这些特点决定了焊接工程技术对汽车制造的支撑和推动作 用。在汽车的车架、车身、车厢、发动机、变速箱、车桥等六大总成中，焊接技 术都有广泛的应用，所用的焊接工艺种类齐全，几乎应用了全部的焊接工艺。当 前国内外对于汽车焊接生产线的研究也集中在以下几个方面： 汽车焊接中的焊接材料应用 焊接设备在汽车焊接中的应用 汽车工业中新材料的应用对焊接技术的要求 焊接工程中的自动控制、计算机及信息技术 焊接机器人的应用 先进制造技术对焊接工程的要求 1 3 研究内容 作为先进制造技术及控制技术在工程中的运用，需要结合实际，从焊接生产 线软硬件出发，分析系统结构，布置网络架构，进行系统组态和程序编制，完成 整个焊接生产线控制系统的开发，实现上位监控系统设计。 本课题主要研究如下内容： ( 1 ) 汽车焊接生产线布局及工作原理分析。通过布局分析，确定焊接流程； 通过工作原理分析，确定上位监控区域。 ( 2 ) 车身焊接生产线功能设计及相关硬件选择。通过对各条焊接生产线需要 实现的功能进行分析，确定上位监控内容和形式。 ( 3 ) 分布式控制系统网络与信息网络的研究。通过对焊接控制系统网络以及 上位信息网络的分析，确定网络通信方式以及两者的有效融合。 ( 4 1 焊接生产线网络设计及相关硬件选择。根据对信息网络的研究，确立焊 接网络结构；从网络层面，分析相关硬件的选型。 ( 5 ) 焊接生产线上位监控系统设计以及现场调试。根据对以上所有内容的研 究，从软件层面设计监控系统功能，现场调试并解决问题。 本文研究的最终目标是设计开发一套基于工业以太网架构的上位监控管理 系统，能对整条汽车焊接生产流水线上的各个工位进行远程监控，对生产线中分 布式控制系统进行监控管理，并将信息进行融合与筛选，最终在w i n c c 系统中 上海大学硕士研冗生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 清晰表达。基于目前对生产系统柔性化的要求日益提高，所以本课题中提出了冗 余概念，并对其进行了可靠性研究和分析，针对实际情况，在硬件和软件方面对 过程信息系统的冗余做了一定的考虑和设计。 课题将工业以太网络组建、分布式控制系统以及人工干预技术参入控制系统 ( 包括报警系统及诊断系统) 作为设计研究重点，同时将w i n c c 上位系统的冗 余技术以及用户归档与数据库技术引入到整个上位系统开发中，使整个系统更为 柔性化，更具可重构性。为了保证整个系统正常连续运行不出错，在完成了整个 课题的研究和设计之后，进行现场调试及故障排查，根据控制系统在现场的运行 状况对部分不合理及不稳定因素进行调整，确保整个系统安全、可靠、高效的运 行。 上海大学硕十研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s y 第二章系统方案设计 本章将通过对焊接生产线工作原理的确定和分析，提出控制系统的总体设计 思路和解决方案，围绕分布式系统的功能要求，进行上位系统结构化设计，确定 能够满足生产要求的控制系统工作流程和上位系统监控功能。 2 1c v 9 焊接生产线工作原理确定 从汽车生产厂商的要求来说，生产线第一期的设计要求满足年生产能力为2 万辆的指标，而且需要为第二期预留扩能工位，第二期通过对工艺设备的增加、 人员的调整以及对工艺的拆分最终达到5 万辆的年生产能力，可是，考虑n - - 期 工程与一期之间有着紧密联系，需要对生产线各个可能改进与调整之处做出预 留，所以在定设计方案时将整条生产线按5 万辆的生产纲领进行总体设计，并且 生产线上所有的工位及生产线重要设备按5 万辆年生产能力的标准一次性全部 到位。 在这种情况下，需要对生产效率进行一定的控制，决定整条生产线以“分区 一汇总”方式进行协调工作，在规划的整个生产区域中，按车身焊接部位不同分 成几大区域同时进行焊接动作，之后通过输送链送到主焊接线上完成总拼。根据 焊接部位不同，主要将该汽车车身焊接生产线划分为如下几个区域： 发动机仓边梁总成生产线车体生产线 前壁板总成生产线顶盖生产线 发动机仓总成生产线左右前门生产线 前地板总成生产线左右中门生产线 后地板总成生产线前罩、背门生产线 下车体总成生产线白车调整线 左右侧围总成生产线检具 其中主要的总成工位是下车体总成生产线、车体生产线、左右侧围总成生产 线以及白车调整线，整个焊接线生产流程是从下车体总成生产线将焊接好的汽车 底盘车架采用电动葫芦输送到车体生产线，而左右侧围总成生产线上焊接而成 的汽车侧围通过助力装置输送到车体生产线，然后在车体生产线的各个工位进行 总成，最终通过物流输送链将焊接完毕的车体输送到白车调整线进行装配和调 整。 由于下车体总成生产区域的各个工位都准备采用手工作业而且其输送方式 也全部采用人工输送，其自动化程度不高，各工位之间的自动化集成度也不高， 所以上位系统将不对这块区域进行监控管理。而对于车体生产线、左右侧围总 成生产线以及白车生产线，由于这三者之间需要一套物流传送系统输送待焊接车 架，故在设计时决定对其进行实时监控。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u l t et h e s i so fs h a n o h a iu n i v e r s i t y 2 2 各主要工位需要完成的功能分析 为了能在设计控制系统及上位系统时能够更合理的做出流程布置及功能安 排，所以需要对整条焊接生产线的各个部分进行单独的功能了解和分析，为之后 的控制及监控系统在设计结构上打下基础。每一块主要的生产线区域都有各自的 焊接子工位，主生产线是这些子工位焊接件的总成。 2 2 1 下车体总成焊接生产线 该总成生产线是汽车底盘及车架焊接件生产线，主要完成将汽车发动机仓边 梁、前后壁板、发动机仓、前后地板等各焊接件通过人工方式、助力装置以及电 葫芦的各种输送方式运送到车架总成焊接线，并在车架焊接线上进行组焊。 动机仓边粱后段焊接总成( 左)因囟 ：动机仓边粱前段焊接总成( 占丑盾因 图2 1 下车体焊接总成生产线 r = = = = 习 图中：臣虱表示子工位， i ii i 表示焊接线主工位， 臼表示人工 l = = = = = = j 或电葫芦移载方向，( ) 表示焊接件暂存点，表示人工或助力装置移载 方向。 根据焊接线设计意图，各工位之间需要同步进行焊接，提高生产效率，示意 图2 1 是下车体总成焊接生产线区域要实现的功能，整个生产线物流方向自右向 左，最右边的发动机仓边梁前后段焊接区域以分散作业的方式完成各部件焊接， 然后通过人工运送方式送至中间发动机仓边梁焊接总成进行组焊，下方的前壁板 焊接总成完成发动机仓前壁板的焊接，然后将发动机仓边梁和前壁板焊接件通过 人工方式送入发动机仓总成焊接区域的组焊工位进行装配和焊接；前地板及后地 板焊接总成生产区域分布在车架焊接线两旁，通过助力装置将焊接件移至下车体 上海人学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n e r s y 组焊工位，与发动机仓焊接件在车架焊接工位进行装配及焊接；焊好后的下车体 总成由电动葫芦送到滑橇上并用滑橇将下车体送到车身预装配工位。 由于车架底盘焊接需要诸多焊接件进行装配组焊，确定了该生产线焊接工位 众多的特点，并且由于各焊接件都属于单个小零件焊接再送到总成进行组焊，这 就确定了各焊接子工位都只需进行少量的夹具控制或工位翻转控制，而该生产线 最终输出下车体将送至车身预装配工位进行检查，而之前与后面生产线的联系不 大，并不能形成一套完整的物流系统，基于上述特点确定了对该生产区域进行独 立控制，同时也将不建立上位系统对其进行监控和管理。 2 2 2 左，右侧围焊接生产线 汽车左右侧车身焊接在车体焊接线两旁独立进行，如图2 2 所示，从生产流 程来说，需要在完成了焊接之后将侧围焊接件翻转9 0 度然后送入工位器具上， 最终将由人工方式借助助力装置移载至车身预装配工位。由于汽车车身左侧围与 右侧围在形状上完全对称，而且左右侧围焊接总成所需焊接零件相同，所以这 两条生产线所设计的焊接夹具也都成对称形状，根据这种情况，该焊接线的控制 系统设计可以考虑采用相同的方法，只是输入输出需要进行相应的改变，而对于 上位监控系统来说，监控画面的组念可以采用对称方式，但是为了让操作人员能 清晰明了的判断当前工位，需要一些特殊标示显示在醒目位置。左右两条侧围生 产线分别用两台p l c 控制，然后通过工业以太网连接到上层监控管理系统，隶 属分布式控制系统网络结构中的两个节点。 2 2 3 车体焊接生产线 汽车车身焊接生产线的主体部分是对下车体、左右侧围以及顶盖进行装配焊 接，这也是车体焊接生产线要完成的主要功能，所以该生产线的控制系统和上位 系统设计是课题的主要研究内容，该生产线包括8 个子工位，其中还包括一条顶 盖生产线，焊接完成后在车体生产线的一个焊接工位进行装配焊接。该生产线与 其他几条生产线有密切联系，由于焊接完毕的白车身会在白车调整线上进行车门 装配及检测，故需要在这些生产线之间组建网络，实现信息交换并实行上位分布 式实时监控。 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s y 图2 2 车体焊接生产线 在车身焊接生产线的八个子工位中，考虑设计一个离线工位，可以对焊接完 毕的车身进行离线检查，在焊接出现问题时可以及时将不合格信息反馈给上位系 统，并及时告知物流系统，避免将不合格焊接品送至白车身调整线，减少不必要 工作量、提高工作效率，同时也降低次品产生率。而为了能够在今后对生产线进 行功能扩展，在顶盖焊接工位之后，考虑预留两个扩能工位，可以在焊接车身离 线之前实施补焊以及在今后扩展生产线功能时加以改进设计。各个子工位之间通 过滑橇进行焊接车身的输送，整个物流系统与焊接控制系统互相协调和互锁，保 证焊接件的安全输送、避免生产线发生干涉碰撞。 本生产线设计时需要考虑今后可能加快的工作节拍，所以在车身焊接线中预 留了两个机器人自动焊接工位，目前考虑到成本和产量问题虽然未添置点焊机器 人，但按照可扩充机器人标准进行f r 0 2 0 和f r 0 4 0 工位的设计，所以当前的工 位设计还需要考虑如何协调适应人工操作与快速扩展机器人能力，在整个监控系 统的设计过程中，都考虑并预留了机器人焊接状态画面，可以实现人工焊接和机 器人焊接之间的快速信息切换。 由于各工位之间跨度大，生产线区域较宽，而每个工位上都要完成一些相对 复杂的动作及功能，这将需要异常众多的i ，o 信号，此时，如果采用一般的p l c 直接输入输出i o 信号，对于底层信息的采集、元件的驱动以及系统的控制都难 以实现，所以决定采用现场总线方式加以分布式控制，然后通过上层工业以太网 直接将下层p l c 连接到上位控制系统层，而不用考虑底层众多复杂的信息元。 2 2 4 白车身调整线 完整的汽车焊接线都需要一段较长的缓冲线用于对焊接车身进行装配和检 测，并最终完成合格品输出或不合品的返修。本课题中的缓冲线是整个焊接生产 线中的白车身的调整线，预定安置在整个生产现场的最旁边，通过物流输送系统， 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 将离线检查合格的车身输送到调整线上。该调整线走向将与整条生产线平行，车 身焊接主生产线，包括下车体总成焊接生产线、左右侧围焊接总成生产线以及 车体生产线都以东西向布置，因此调整线也以东西向平行布置。 右侧围总成生产线 图2 3 白车身调整线 作为焊接车身最终装配和检测工位，白车身调整线必须设计成具有分段速度 调控能力的缓冲线，针对不同区段的实际要求来进行速度调整，并符合实际生产 节拍要求。针对不同的检测结果，需要将合格的白车身总成送至涂装前处理线， 而将不合格的白车身总成送至返修区。由于此段生产区域与车身焊接生产区域没 有关联，两套现场控制处理器间不需要进行信息的交换和处理，所以现场总线采 用分开布置，而对于上位系统，需要对其实施监控和管理，确切了解当前白车身 位置状况以及合格与否，同时为了以后可以进行合格率和产量统计功能扩展，所 以将其作为分布式控制系统网络结构中的一个节点处理。 2 2 5 物流系统 通过焊接流水线各生产区域功能分析，可以看到，整条生产线设计遵循自右 向左、顺时针方向输送原则。如图2 _ 3 所示，如果将整个生产区域理解为由两条 并列横向生产线联合构成的话，那么在这两条横向生产线车体焊接总成生产 线与白车身调整线之间必须要有一段纵向传输线完成车体的运送。根据生产要求 和节拍要求，输送线必须起到一定的缓冲作用，所以这条纵向的物流传送系统必 然会跨越整个生产系统，这样的话，将造成现场通道阻断，影响生产线今后的扩 展以及与其他生产区域之间的联系。所以，对于该物流系统的设计，决定采用上 下两层空间结构，这一设计方案不仅仅是由上面所说的原因造成：在另外一方面， 由于该厂区还存在着另外一条焊接生产线c m 8 ，该焊接生产线的合格白车身输 出物流线建于厂房上层，为了节约成本，并充分利用输出缓冲线的输送能力，确 定了两条生产线采用一套输出缓冲线的方案，这种种情况确定了当前要采用的 上海火学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i s0 fs h a n g i a iu n i v e r s i t y c v 9 车体物流传送系统。 本课题涉及的物流系统在车体焊接总成生产线结束工位后配备升降机，用该 装置将焊接完成后的白车身提升到上层传送链，通过缓冲线送到白车身调整线 前，然后使用升降装置传送到调整线上，同时，在白车身调整线末端也配有升降 机，将检测的合格品提升，通过上层输送链送至车身输出缓冲线，而检测的不合 格品则往前传送到白车身返修区。 2 3 控制网络分析与确定 现代企业生产规模较以往有了天翻地覆的变化，这就对生产中控制系统的要 求提出了极大的要求。以本条汽车车身焊接线来说，其占地规模、自控设备的使 用规模、工位间信号传输和信息交换量以及多p l c 分布式监控管理要求都是传 统的控制系统结构难以胜任的，而焊接现场中焊接时设备产生的大电流造成的磁 场干扰也是对信号传输的抗干扰能力的极大考验。 传统的控制系统结构的发展经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合 式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统等一系列过程，而这些系统要么无法 承受现场规模，要么抗干扰能力不够，而作为今天仍为一些企业采用的集散控制 系统( d c s ) ，又由于其所采用的专用网络的开放性和标准性问题而难以实现综 合各厂商的自动化设备【4 1 。在现在各大企业自动化设备层出不穷的年代，需要一 个开放化、标准化的解决方案，把来自不同厂商而遵守同一协议规范的自动化设 备连接到控制网络，组合成各类控制系统，实现综合自动化的各种功能。控制网 络的出现与发展改变了传统控制系统的结构形式，导致了传统控制系统结构的变 革，形成了网络集成式控制系统的新型结构，称之为现场总线控制系统( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。汽车车身焊接生产线采用西门子公司的p r o f i b u s 总线技 术作为现场总线控制系统。p r o f u s 是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是一种国际 性的开放式的现场总线标准，即e n 5 01 7 0 欧洲标准。目前世界上许多自动化技 术生产厂家都为他们生产的设备提供p r o f i b u s 接口。p r o f m u s 已经广泛应 用于加工制造、过程和楼宇自动化，是成熟技术。根据应用特点，可分为3 个兼 容版本，分别为：p r o f u s d p 、p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s - p a ，三者关 系如图2 4 所示： 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s i t y 图2 4p r o f i b u s 分支图 在多i o 分散布置，生产节拍要求保证的汽车焊接现场，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。 焊接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) 。 三种诊断信息层层细化，对于现场总线中远程i o 模块的常规故障信息都有 描述，在西门子s 7 系列软件的配合下，故障诊断信息具体而详尽，能直接找到 故障源及故障原因，能使技术人员有效地加以排查。 2 4 信息网络的分析与确定 控制网络技术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高对现场设备通 信性能的要求，另外，随着技术的发展，控制网络与普通计算机网络、i n t e m e t 的联系更为密切这一切都要求以一种区别于底层总线方式的通信技术来实现结 构化的生产网络，而这种技术还需要具有扩展性、兼容性和丌放性，以实现与企 业网络之间的互联以及信息交换。在所设计的焊接生产线上位系统中，为了实现 远程监控网络与办公网络的融合，采用工业以太网技术，将各条现场总线 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g r a d u a t et h e s i so fs h a n g h a iu n i v e r s l t y p r o f l b u s d p 网络与监控网络链接到一起，最终通过工业以太网处理器c p l 6 1 3 实现以太网与p c i 总线的数据转换，实现以p c 机作为上位设备对整个网络实施 监控。该方案决定采用工业以太网作为现场总线网络的高速网段，如有需要，还 可以将之进行延伸，实现与控制网络与i n t e m e t 融为一体，这样可以将互联网技 术运用到生产环节，实现基于w e b 技术的远程网络监控管理。 工业以太网技术是一系列技术的总称，根据i s o 丌放系统互联参考模型的分 层结构来说，以太网不仅包含了通信模型中的物理层和数据链路层，而且包含 t c p f l p 协议组，即包含网络层的网际互联协议球、传输层的传输控制协议l r d p 等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议s m t p 、域名服务d n s 、文件传输 协议f t p 、再加上超文本链接h t t p 、动态网页发布等互联网上的应用协议都捆 绑在一起。工业以太网与o s i 互连模型的对照关系如图2 5 所示： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用协议 t c p ，u d p i p 以太网m a c 以太网物理层 图2 5 工业以太网与o s i 互连参考模型的分层对照 本课题中，上位监控主要用于汽车车身焊接状态监控、动作监控和故障监控， 这些虽然对实时性有一定要求，但是由于上位并不涉及到流水线控制，而只是单 纯的监视和管理，所以目前工业以太网的速率能够满足这方面的要求；另外，对 于产量的分时统计和数据库归档，这一类适合于计算机处理的问题，完全可以用 以太网进行原始数据采集，而数据在送至p c 机处理之后直接归档到硬盘等不会 丢失的存储介质上，整个过程安全可靠。工业以太网存在的几大问题都在具体设 计中进行了弥补或改善，这将在第四章中进行详细阐述。 2 5 上位系统需要实现的功能分析 按照实际生产需要和要求，在分析了焊接线工作原理和动作流程并且确定了 所要采取的p r o f i b u s 总线布置和i n d u s t r i a le t h e r n e t 环网相结合的通信方式之 后，可以分析并确定上位系统要完成的主要功能，对这些功能进行模块化总结。 一般来况，作为合格的上位监控平台，必须具备的功能包括以下几项： 一、图形监控系统 课题中涉及到的生产过程画面监控包括了如下几个类别： 生产线上设备状态包括设备i o 状态、运行状态、工件状态、马 达和焊接状态等等； 生产线动作执行车体焊接生产线各工位的执行动作； 上海大学硕士研究生学位论文 t h ep o s t g ra i ) ii a t et h e s i so fs h a n g h a iu n r v e r s i t y 网络通道诊断以太网环网中建立在t c p i p 协议下的站点通道诊 断，通信测试； 现场总线p r o f i b u s 站点诊断车体焊接生产线中p r o f i b u s 总 线下各主从站点通信诊断； 二、故障报警系统 该系统是整个上位监控平台最重要的任务之一，故障诊断和报警及时与否关 系到生产线的可靠运作和故障恢复，优秀的消息系统能够使故障停止时间减至最 短或直接将诊断到的故障在其萌芽状态加以解决，保证整个系统可靠运行。对于 报警事件，本课题采用s i m a t i cw i n c c 中的消息系统进行设计