基于PLC控制的分拼夹具控制系统毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）基于PLC控制的分拼夹具控制系统毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 引言11.2 本文的主要工作21.3 本文的结构2第2章 方案论证32.1 系统的工艺流程32.2 系统总体方案设计4第3章 硬件设计63.1 PLC的选择63.2 现场总线及总线分支模块的选择83.2.1 现场总线的选择83.2.2 INTERBUS总线的网络结构93.2.3 INTERBUS的OSI层次103.2.4 INTERBUS的帧结构103.2.5 INTERBUS传输的可靠性103.2.6 总线分支模块的选择113.3 操作面板的设计113.4 气缸和传感器信号线的选择133.5 电磁阀控制电路的设计153.5.1 气源处理器和电磁阀控制设计153.5.2 气电转换控制163.6 现场夹具控制电路的设计173.7 电气柜内元器件选择及供电方案21第4章 软件设计234.1 软件设计方案及输入输出符号的地址分配234.1.1 软件设计方案234.1.2 输入输出符号的地址分配234.2 主程序流程图314.3 启动条件与工位控制流程图334.4 气缸动作控制流程图34第5章 系统调试35第6章 结论39参考文献40致 谢41附 录 42附 录 49附 录 56II第1章 绪 论1.1 引言近年来，中国的汽车工业发展飞速，汽车制造业已经成为我国国民经济的支柱产业，与房地产业并驾齐驱拉动我国经济的快速增长。众所周知，汽车的整车生产能力取决于车身的制造，汽车的更新换代在很多程度上取决于车身技术的发展。汽车车身工程是目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的一个领域。车身的焊接工业也是各汽车企业相互竞争的一个平台，车身焊接被国内汽车制造企业视为车辆制造的四大工艺之一。车身的焊接工艺直接决定着汽车的安全性，直接关系到广大汽车消费者的人身安全。早期，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展，汽车型号更新的周期越来越短，继电器控制装置就需要经常的重新设计和安装，阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一状态，在1969年，美国数字设备公司研制出第一台PLC，即可编程逻辑控制器，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。目前，我国的汽车生产线技术多数是采用国际标准，大多数汽车企业的车身焊接生产线都是用PLC来进行自动化的控制，在汽车焊接生产线中部分的使用机器人代替人工进行焊接以提高工作效率。相比之下，国外的焊接生产线已经全部使用机器人进行焊接生产。1111111111111111111111111111111111122222222222222222222222222223333333333333333333333333333在国外的汽车工业焊接总体趋势倾向于柔性化发展。柔性生产线是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将计算机和系统工程等技术有机的结合起来，理想而圆满的解决了机械制造高度自动化和高柔性化之间的矛盾。随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。随着汽车产品更新换代的加快和个性化的需求汽车生产设备要适应这种多品种、轮番生产的特点对控制系统提出了程序可变的柔性控制要求。采用PLC控制系统可以通过改变程序而不改变硬件的条件下，便能改变生产工艺。特别是在汽车生产中起到决定汽车质量和生产效率的焊装生产线上，采用PLC控制系统，可以更好的满足柔性控制要求。1.2 本文的主要工作本课题的主要工作是对上海大众汽车POLO车型两厢和三厢侧围焊装分拼夹具的控制，通过PLC控制气缸的打开和夹紧来实现分拼夹具对车身侧围的固定。本控制系统可以在自动状态也可以在手动状态，在自动方式下运行可以极大的提高生产效率，使生产更加稳定、高效。在手动方式下运行，可以更好的与实际情况相结合，针对具体情况可以具体操作。在课题中，对控制系统的软、硬件分别进行了设计，在硬件部分主要考虑了PLC的选择，合适的PLC可以更加经济有效的控制整个系统的运行，其次是现场总线的选择，现场总选不光完成系统的要求还要更好的避免工业现场的各种干扰，使各个模块之间的通信安全稳定。为了保证生产线的安全性，在每个工位配置了一定数量的传感器，保证了焊接工人的安全和生产线的安全运行。1.3 本文的结构本文共分为五个部分：第一部分为绪论，总体介绍了课题的背景来源以及此系统设计开发的内容；第二部分为方案论证，设计分析了整个控制系统的方案及技术指标；第三部分为生产线控制系统的硬件设计，选择PLC型号及分配I/O地址；选择现场总线，介绍阀岛、SWAC面板、现场总线耦合器和现场模块等硬件设施；第四部分为生产线控制系统的软件设计，设计启动条件、工位运行和气缸控制三部分的软件流程图；第五部分为生产线控制系统的现场调试与监控；第六部分为结论，对整个系统的开发设计及实现进行第2章 方案论证2.1 系统的工艺流程本系统是上海大众分场焊装车间POLO工位的分拼夹具控制，本工位为POLO两厢车型和POLO三厢车型共用一台夹具，工人手动切换车型进行焊接，夹具上共有25个气缸，由13组电磁阀控制，实际过程中每组电磁阀控制几个气缸由具体工艺决定。电磁阀编号由11开始，气缸编号由小写字母a开始，（例：11号电磁阀控制两个气缸，编号就为11a、11b），具体工艺时序如下：一POLO两厢车型1.按双手按钮时，夹具回到准备状态：夹紧气缸11a、12a打开；伸缩气缸20a伸出；伸缩气缸21a缩回；拉杆气缸23a缩回；夹紧气缸23b打开；拉杆气缸22a伸出，为放入工件做好准备。2.抓手放件，感应式接近开关（ST11/1、ST11/2）检测工件是否到位。3.按双手按钮，夹紧气缸12a、12b伸出，13a夹紧，13b缩回，15a15c、16a16b和18a18c夹紧，将工件夹紧固定。4.工人进行焊接。5.按双手按钮，15a15c,16a16b，18a18c打开，12a12c，13a打开，13b伸出，19a，20a缩回，夹具将工件松开，为取出工件做准备。6.抓手取件，传感器检测工件离开后，19a和20a延时伸出，等待下一次放工件。二POLO三厢车型1.按双手按钮时，夹具回到准备状态：拉杆气缸22a缩回；夹紧气缸11a11b夹紧；伸缩气缸21a伸出；伸缩气缸20a缩回；拉杆气缸23a伸出；夹紧气缸23b夹紧，为放入工件做好准备。2.抓手放件，感应式接近开关（ST11/1、ST11/2、ST11/3、ST11/4）检测工件是否到位。3.按双手按钮，夹紧气缸12a,12b伸出，12c夹紧，14a夹紧，15a15c，16a-16b，17a17c夹紧，将工件夹紧固定。4.工人进行焊接。5.按双手按钮，15a15c，16a16b，17a17c打开，夹紧气缸12a，12b缩回，12c打开，14a打开，19a和21a缩回，夹具将工件松开，为取出工件做好准备。6.抓手取件，传感器检测工件离开后，19a和21a延时伸出，等待下一次放工件。2.2 系统总体方案设计本控制系统是对上海大众POLO汽车两厢和三厢车型侧围分拼夹具的控制，夹具的气缸布置图如图2.1所示。图2.1 车型手动切换工位夹具LAYOUT图以上为夹具对POLO车型车身侧围的固定布置图，也称LAYOUT图，POLO汽车分为两厢和三厢车型，在本工位将实现的是工人手动对车型的转换，当三厢车放在夹具上时，传感器感应到工件，会选择此车型的汽缸进行夹紧和打开的动作，当两厢车型放在夹具上时，同样会有传感器感应到工件，相应的这个车型的气缸会进行动作，AFO为工位的意思，120是本工位的编号，240和241是POLO两厢和三厢车型的编号。由于本工位是手动工位，即工人手动放工件，然后触双手按钮，按下双手按钮后气缸上的夹具会按照时序夹紧，当工件被夹具固定住后，工人便可以开始焊接，当焊接结束后，工人再触一次双手按钮，气缸打开，工人将取走工件，在双手按钮的中间有个急停按钮，当工位发生不安全状况时工人按下急停按钮，夹具的动作都会停止。本控制系统选择菲尼克斯公司的ILC150型号的PLC作为控制器，菲尼克斯PLC自身带有8点输入和4点输出模块，在输入输出模块后连接一个总线分支模块，以便于连接INTERBUS总线；从电气控制柜出来的INTERBUS总线首先连接到SWAC操作面板，SWAC操作面板是德国生产的一个带灯按钮的操作面板，型号有64点、128点、192点，按照本控制系统的工艺要求选择64点SWAC。64点SWAC共有四行，没行有16点，每个点的地址都是预先设置好的，因此可以直接用INTERBUS总线直接连接，并且供24V直流电。从SWAC操作面板出来的INTERBUS总线连接到现场总线耦合器上，只有通过现场总线耦合器才能将现场模块连接到总线上。分拼夹具共由25个气缸组成，根据工艺的要求选择缸径的大小，25个气缸分为13组，由13组电磁阀控制，按照大众标准，每组电磁阀最多只可以控制6个气缸。每个气缸上有两根进气管，通过气路实现气缸的夹紧和打开，下面的进气孔为夹紧状态，上面的进气孔为气缸的打开状态。气缸内部有两个传感器，一个感应夹紧状态，另一个感应打开状态，而每个气缸上都有一根信号线，用来给传感器供24 V直流电和向PLC输送传感器的打开或夹紧信号。由于夹具与PLC电气控制柜的距离较远，为了便于布线和节省资源，在夹具台上放置4个现场输入模块，每个现场模块有16点输入，用INTERBUS总线将各个模块连接到现场总线耦合器上，图2.2为分拼夹具控制系统整体框图。图2.2 分拼夹具控制系统整体框图第3章 硬件设计3.1 PLC的选择本控制系统的控制器选择菲尼克斯电气公司的ILC 150 PLC，该控制器可用于直接集成在Inline自动化系统中，该紧凑型控制器为高度模块化，可适应相关的应用场合需求。其集成性以太网确保了使用PC WORX自动化软件进行复核IEC 61131的参数化和编程，可与OPC服务器同步交换数据与TCP/IP兼容设备进行通信。菲尼克斯ILC 150 ETH型号的PLC处理速度达到90us每千条指令（位控制数据类型），具有256千字节的程序存储器和256千字节的数据存储器，并且具有8千字节数据保存区，4M内部参数化存储区，还有一个INTEBUS和ETHERNET接口还集成8通道数字量输入和4通道数字量输出，PLC的外部形状如图3.1所示。图3.1 菲尼克斯IL150型号PLC实物图菲尼克斯PLC的编程环境为PC WORX，此软件也由菲尼克斯公司生产，使用方便，不需要刻意的分配地址，只需要将符号和输入输出点进行链接就可以。菲尼克斯PLC自身带有8点输入和4点输出，在PLC的最前面有单独的供电模块，只需要供24V直流电，输入输出模块便可工作。在大众标准里，通常用E表示输入，在模块上A6/+序号表示输入模块的个数；用A表示输出，在模块上用A7/+序号表示输出模块的个数；例：4A表示4点输出，8E表示8点输入。PLC的结构框图如图3.2所示。 图3.2 菲尼克斯PLC结构图图中的A5/1表示PLC本身，后面连接的是一个供电模块，A7/1表示第一个输出模块，4A表示4点数字量输出点；A6/1表示第一个输入模块，8E表示8点数字量输入点；A5/2是PLC自带的总线分支模块，通过这个模块连接INTERBUS总线，将外部设备既省线又快捷的连接到PLC上。PLC的供电控制原理图如图3.3所示。图3.3 PLC供电控制原理图3.2 现场总线及总线分支模块的选择3.2.1 现场总线的选择汽车制造业是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程。同时随着汽车行业之间竞争的日益激烈，各生产厂家都普遍面临着：提高生产效率、降低生产成本、提高生产管理水平等种种压力。对于汽车项目而言，无论是新建项目还是现有设备的扩展和改造，在规划和设计控制系统时都应该有一个基本指导原则：采用最先进的自动化技术和产品，从而最大程度减小系统集成和调试时间、降低投资成本，方便生产运行阶段的维护与工艺调整。提高各工艺设备系统的稳定性，减少故障停机时间保证计划产量的实现。对汽车工业的控制系统的要求也有别于其他行业的自动控制系统，因为汽车焊装工艺相对比较复杂，意味着汽车工业控制现场的一些典型特点：1.工作环境恶劣。 焊接的过程中充斥着焊渣和焊接飞溅，更换焊枪电极头也有可能会有水流的喷射，这些对设备的防护等级提出了更高的要求。2.强磁场干扰 焊接设备在焊接过程中的电磁干扰发射不仅会对电网造成污染，对连接在同一电网中的用电设备造成影响和损坏，对设备品质、网络通信和信号传输都是重大的考验。3.I/O数量众多且非常分散。 每个工位夹具上都有相当多的电磁阀需要驱动，众多的气缸上的夹紧和松开到位的信号需要收集。这些信号相对很分散，采集点都处在夹具的不同部位。4.网络从站数量多。根据汽车焊装车间对工艺的以上要求，本控制系统选择菲尼克斯公司的INTERBUS总线为现场总线。INTERBUS总线是世界上最早的现场总线，由德国的PHOENIX CONTACT公司研发，由于该总线的广泛应用和快速发展，已经先后成为德国的标准。INTERBUS可以这样迅速的发展，是因为这个总线协议确实有它自己的特点。INTERBUS总线传输距离最长达到12.8公里（双绞线），两个从站间距就可以达到400米，单主站最多可连接255个从站。恒定的传输速率500Kbps时，扫描4096个I/O点的时间为7.8ms。总线采用独特的环形组网形式和传输协议，它具备其他总线所没有的准确的故障定位、详实的故障信息。三种传输媒介在从站间可以混合使用，有效数据传输效率高达52%。即插即用，无需设定地址，无需终端电阻。这里很多特性都是INTERBUS所独有的，这些特性在很多工艺场合可以体现出它独有的优势，也正是因为这样，INTERBUS总线协议才能成为世界汽车行业最受欢迎的总线。本控制系统选择INTERBUS作为总线的原因还有总线的拓扑结构非常的灵活，可以任意的接分支，分支上面还可以再接若干分支，一直可以拓扑16层。汽车工业很多工艺都会用到悬挂和滚床，利用这种灵活的分支技术，就避免了一根总线绕到底的情况，既提高了网络的稳定性，又节省了总线电缆。还可以从逻辑上对每个分支进行单独控制。较长的传输距离和灵活的拓扑结构也使用户在进行网络规划时非常的宽松、灵活和方便。使用其他总线协议往往在距离、站数、站点分布这方面会有一些技术束缚，INTERBUS可以让用户解脱出来。因此，本控制系统选择INTERBUS作为现场总线，传输媒介选择铜线，在PLC后面接有一个总线分支模块，然后用INTERBUS总线将SWAC操作面板、阀岛和现场模块连接起来。3.2.2 INTERBUS总线的网络结构INTERBUS总线包括远程总线网络和本地总线网络，如图2.1所示。两种网络传送相同的信号但电平不同。远程总线网络用于远距离传送数据,采用RS-485传输，网络本身不供电，远程网络采用全双工方式进行通讯，通讯速率为500k/s。本地总线网络连接到远程网络上，网络上的总线终端BT（BUS Terminal)上的BK模块负责将远程网络数据转换为本地网络数据，BK模块同时给内部的I/O模块电路供电。 INTERBUS总线上的主要设备有总线终端BT（BUS Terminal)上的BK模块、I/O模块和安装在PC或PLC等上位主设备中的总线控制板。INTERBUS网络结构如图3.4所示。图3.4 INTERBUS网络结构3.2.3 INTERBUS的OSI层次INTERBUS协议覆盖物理层、数据链路层、应用层。INTERBUS数据通过双绞线、光纤等介质进行传输，最长距离可达12.8Km，其物理层的主要特点是数据环结构，并可以自动配置地址 。INTERBUS的数据链路层实现全双工，集总帧（sunmmation-frame）的传送，同时对传输的数据进行CRC校验。应用层实现诊断网络故障的位置，并支持高速数字量、模拟量和client-sever类型的信息传送。INTERBUS的I/O具有可扩展性，可连接256个远程站点，实现4096个数据量的输入输出。3.2.4 INTERBUS的帧结构INTERBUS是完全帧架构的，所有的数据都通过帧传送。有两种帧类型ID帧和数据周期帧。ID帧在INTERBUS总线系统初始化时须读取，以产生过程映像。在ID帧成功执行后，INTERBUS总线设备内部切换到数据寄存器，只执行数据帧，以实现数据的传输。每个帧结构由Loop-back check word开始，所有网络数据Loop-back check word之后传送，帧的最后部分是CRC校验码和命令字，图3.5显示报文中的两种帧构。图3.5 INTERBUS的帧结构3.2.5 INTERBUS传输的可靠性INTERBUS的数据通过RS485屏蔽双绞线以查分信号传输，可以通过交换专门的的状态信息检索来检查两个设备之间的连接状态，当发生电缆断裂或接触不良时将产生相应的错误信息。在系统重置时总线控制板将执行相应的测试程序以逐段检查总线的功能。INTERBUS数据传输的有效性是通过返回字和CRC校验进行的。总线控制板在送出输出数据前一位一位进行移返回字。当返回字经过所有的INTERBUS设备返回总线控制板时，总线控制板可以根据返回专门的数据序列的变化找出发生传输故障的路径或INTERBUS设备。3.2.6 总线分支模块的选择根据工艺的要求，菲尼克斯的PLC自身带有的输入输出点远远不够，由于现场设备的输入输出点很多，如果选择输入和输出扩展模块很麻烦，而且接线非常多，对于电气柜的美观和资源都是一种消耗，所以在上一部分我们选择了INTERBUS总线进行电气柜与现场设备的连接，但是由于菲尼克斯的PLC无法直接连接INTERBUS总线，因此在PLC的输入模块后接一个总线分支模块，INTERBUS总线内部的信号线可以直接接到总线分支模块的点上，这样就实现了总线与PLC的连接。总线分支模块的实物图和结构图如图3.6和图3.7所示： 图3.6总线分支模块实物图 图3.7总线分支模块结构图3.3 操作面板的设计本控制系统在进行了PLC及总线和总线分支模块的选择之后，下一站连接的是操作面板部分。操作面板用INTERBUS连接到PLC中，SWAC是德国生产操作面板的供应商，所以简称这个操作面板为SWAC。SWAC操作面板有不同的型号，分为32点、64点、128点和192点，每一点都是一个带灯按钮，按钮作为输入信号，灯作为输出信号，SWAC操作面板的实物如图3.8所示。图3.8 SWAC操作面板实物图本次设计，应用64位的SWAC面板，其主要功能如下：（1）定义六个（若少于八个，要预留，一个电磁阀最多可控制八个气缸）气缸状态指示灯，显示气缸的工作状态，打开或夹紧到位为常亮状态，反之，为闪烁状态。（2）定义接近开关状态指示灯，感应到工件为常亮状态，未感应到为常暗状态，部分感应到而部分未感应到，未感应到的为闪烁状态。（3）定义控制阀，包括状态指示（该电磁阀所控制气缸的状态）和输入控制按钮（用于手动操作，控制电磁阀工作），灯和按钮都要用到。例如，按下控制某阀打开的按钮，若该阀所控制气缸全部打开到位，对应指示灯常亮，若有部分气缸打开未到位，指示灯闪烁。如果在SWAC面板上，有不止一个控制阀指示灯闪烁，要依次按下指示灯闪烁的按钮，检查是哪个阀控制的气缸出现问题。（4）定义灯测试，手、自动选择确认，程序中间量，双手按钮，车型选择状态等。 图3.9为SWAC操作面板各个按钮和灯的定义。图3.9 SWAC操作面板EPLAN电气原理图 SWAC操作面板的正常运行需要的是24V直流电源，而且不涉及到任何安全问题，因此正行供给i级电就可以。供电控制原理图如图3.10所示图3.10 SWAC操作面板供电控制原理图3.4 气缸和传感器信号线的选择由于气缸的打开和夹紧动作都要由传感器检测是否到位，而每个FESTO气缸内部都自带两个传感器，一个用来感应气缸打开到位，一个用来感应气缸夹紧到位，这个到位信号就要由信号线来传送到现场模块，进而进入INTERBUS总线，传送到PLC中。信号线选择菲尼克斯传感器，也叫执行器电缆，图3.11为信号线的实物图。图3.11信号线实物图额定电流为4A，头是孔式插头，导线为铜质胶合线，信号线的一端被提前预制好，预制好的一端成为母头，而另一端需要人工做头，称为公头，图3.12为公头的分解图。图3.12总线分支模块实物图此信号线为5芯，这5芯的截面如图3.13所示。图3.13总线分支模块实物图 这5个芯的线分为棕色、蓝色、白色、黑色和花色，其中棕色对应1号孔的位置，蓝色对应2号孔的位置，白色对应3号孔的位置，黑色对应4号孔的位置，花色为接地线，0V，对应中间5号孔的位置。棕色线和白色线通常用来给气缸内部的两个传感器供电，而蓝色和黑色通常用来传递打开和夹紧两种到位情况的信号。 这根线预制好的一端接到气缸上，未预制的需要自己做头的一端，在做好公头后需要接到现场模块上，现场模块之间用总线连接，进入到PLC中。 由于检测气缸状态的传感器都集成在气缸内部，所以这里重点介绍感应工件的接近开关，本次设计采用德国TURCK（图尔克）公司的接近开关，其实物如图3.14所示。图3.14 TURCK 接近开关（传感器）接近开关中，装有一种对接近物体有感知能力的原件。利用这种传感器对接近物体的敏感特性达到控制开关通断的目的。它也是传感器的一种，属于非接触式传感器。其主要作用是检测工件是否放置到位，如果不到位，下面的工作无法进行。其次，接近开关也起了车型选择的作用，因为接近开关放置在夹具的特定位置，不同车型的夹具放置的位置各不同。3.5 电磁阀控制电路的设计3.5.1 气源处理器和电磁阀控制设计电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的管路，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排气的孔，而进气孔是常开的，空气就会进入不同的管路，然后通过空气的压力来推动汽缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械手的运动。机械手的垂直运动和水平运动各由一个两位双电控的电磁阀控制，对工件的夹紧和放松由一个单电控电磁阀控制。图3.15为气源处理器的实物图。图3.15气源处理器 在本设计中，在气源处理器后有一个可以接13组电磁阀的阀岛，将13组电磁阀统一连接到阀岛上，电磁阀作为PLC的输出信号，要将信号连接到PLC中，也需要前面提到过的菲尼克斯信号线，因此将信号线直接连接到阀岛上即可。图3.16为柜内给阀岛的供电和阀岛与信号的连接原理图。图3.16电磁阀接线原理图3.5.2 气电转换控制双手按钮的定义可以通过其在系统中的作用来解释。在本控制系统中双手按钮的作用有两个：第一，夹具的每一步工作是通过按双手按钮来完成，一次生产中夹具分几步工作，由工艺流程决定；第二，双手按钮中部装有急停按钮，遇到紧急情况，拍下急停按钮，气路断开致使电路断开，整个系统停止运行。两端黑色的按钮为双手按钮，中间红色的按钮为急停按钮。双手按钮内部有与按钮配套的气动阀，再由气动阀引出三根气管，标号分别为1、2、3。设计中，双手按钮引出的气管，1号管接到气源处理器（气源处理器为整个系统各部分提供气源，气向为由外部气源进入气源处理器，经过减压调压进入需要气动的控制模块），为双手按钮提供气源；2号管急停输出气管，接到压力开关；3号管为两端按钮输出气管，接到另一个压力开关。这样就可以通过控制双手按钮来控制整个电气控制系统的工作。图3.17为双手按钮控制原理图。图3.17双手按钮控制原理图从双手按钮出来的气管要接到柜内的气电转换器，最原始的动力是气源，双手按钮按下之后也是控制气路的开和断，但是柜内的所有控制信号都是电信号，因此要通过一个气电转换器进行转换，将气路转换为电信号进入到PLC中。3.6 现场夹具控制电路的设计由于在汽车焊装生产线上，夹具台与PLC电气控制柜的距离较远，而且由于输入输出点的数量有限，为了节省线，前面选择了INTERBUS总线，那么每个气缸上都有夹紧和打开两个信号要传送到PLC中，这就需要一个媒介，在这里选择一种具有16点输入的现场模块，将每个气缸上的信号线接到现场模块上，通过INTERBUS总线将每个模块串联起来，这样就构成了一条网络，现场模块只需供24V电压就可以。根据工艺的要求，13组气缸动作共25个气缸，本文选择4个现场模块，每个现场模块可以接8个气缸的信号线。现场模块的实物图如图3.18所示：图3.18现场模块实物图 这4个现场模块要连接在总线上，前面要加一个现场总线耦合器，总线耦合器也有8点输入，我们将工位上的4个用来感应工件的接近式传感器的信号接到现场总线耦合器上，接近式感应开关在前面已经提到，选择了图尔克传感器，本文将传感器的命名为ST11/1、ST11/2、ST11/3、ST11/4。每个传感器里面分别有两根信号线，用来传递两个信号，一个信号是感应工件到位，另一个信号是感应到无工件状态，这样4个传感器8个输入信号，接满整个现场总线耦合器。图3.19为传感器与现场总线耦合器的电气原理图。图3.19现场总线耦合器与传感器的连接电气原理图 在本文的第二章已经介绍过关于气缸的命名原则，根据上海大众汽车的电气标准，气缸命名从11开始，后面加小写字母，从小写字母a开始，每组电磁阀最多可以控制6个气缸的夹紧和打开。现场模块的命名从X13开始，依次向后排，X12一般为现场总线耦合器。 因为上海大众一共分为5个厂区，生产的车型有很多种，每个厂区都有很多条生产线，包括主线和线下分拼，本设计主要针对的就是线下分拼的控制，制定这样的标准主要是为了在以后的生产过程中，若工位出现故障，维修人员可以按照统一的标准迅速的找到相应的硬件或者故障出在哪里。由于现场的气缸命名是由机械部分设计，根据机械的工艺我们只需要将气缸命名与电气部分相对应即可，现场的气缸和现场模块的摆放位置不同，因此这样就决定了都有哪些气缸连接到哪个现场模块上。对于第一个现场模块即X13，本系统设计将7个气缸连接到这个模块上，这7个气缸分别为13a、15a、12c、19、16a、18a和12b。图3.20为现场模块X13与这7个气缸的信号线连接电气原理图。 图3.20现场模块x13与气缸信号线的连接电气原理图 在本系统的设计中，将6个气缸的传感器信号连接到第二个现场模块即X14上，这6个气缸的编号分别为23b、17b、22、15c、18b和23a。图3.21为现场模块X14与气缸信号线的连接电气原理图。图3.21现场模块X14与气缸信号线的EPLAN电气原理图 在本系统的设计中，将5个气缸的传感器信号连接到第二个现场模块即X15上，这5个气缸的编号分别为17a、11a、16b、12a和15b。图3.22为现场模块X15与气缸信号线的连接电气原理图。图3.22现场模块X15与气缸信号线的EPLAN电气原理图 在本系统的设计中，将7个气缸的传感器信号连接到第二个现场模块即X16上，这7个气缸的编号分别为14、21、13b、20、 17c、18c和11b。图3.23为现场模块X16与气缸信号线的连接电气原理图。图3.23现场模块X16与气缸信号线的EPLAN电气原理图3.7 电气柜内元器件选择及供电方案电气柜内的供电全部为24V弱电，每组供电前都要加一个空气开关，起到电流的保护作用，当电流过大时，空气开关会断开，根据不同负载的要求，要选择不同额定电流的空气开关。在本控制系统中，选择3个6A、3个4A和2个2A型号的空气开关。双手按钮是给工位供气的一个启动条件，那么这个启动条件进入到控制柜要需要气电转换器即PU阀，将供进来的气转化为电信号，当双手按钮同时拍下的时候，就进来一股气，通过气电转换器，这股气就进入到电气柜内转化为24V电信号作为控制信号，同时，双手按钮上有个急停按钮，当工位发生不安全状况或者紧急状况时，工人可以拍下急停按钮，这就需要一个继电器，利用继电器的触点的开和断来控制。本文选择西门子的31E型号的继电器，这个型号的继电器有3个常开触点和1个常闭触点，在本控制系统中，只用到两个常开触点。柜内的供电全部为24V直流电，从现场统一的电源箱供给，但是为了安全起见，有些设计到硬件安全回路的要用另一回路供电，按照大众标准，供电分为三级：i、j、m，i级电为第一级，即最低级供电，不涉及到任何安全问题；j级电为第二级，一般当i级供电之后，j级电才能供给；m级电是最高级供电，本控制系统的继电器就是供给m级电，当现场设备发生安全问题时，工人按双手按钮，m级电就会断掉，一般j级供电后，m级才会得电。本系统只用到了i和m级电。图3.24为电气控制柜柜内供电原理图。 图3.24电气控制柜柜内供电原理图图3.25为电气控制柜的布局设计图，以及柜的大小型号设计。ILC150为菲尼克斯的PLC，后面接的就是总线分支模块。后面并排放置了8个空气开关，按照上海大众的标准，空气开关取名为F开头，序列号从1依次往后，在空气开关后面放置一个继电器，负责工位的安全作用。下面两排放置的是接线端子，端子作为一个接线中介，可以将柜内的器件有效连接起来，也实现了柜外设备与柜内元器件的有效连接。图3.25电气控制柜设计图第4章 软件设计4.1 软件设计方案及输入输出符号的地址分配4.1.1 软件设计方案本控制系统的软件梯形图部分大概分为四个部分：第一部分为主程序包括检测监视INTERBUS是否正常的程序；第二部分为启动条件的程序,当主程序中手自动的条件满足时，在这个功能块中就会实现手自动的选择、检测监视气缸夹紧或打开的信号是否到位、以及双手按钮的急停；第三部分为工位条件的程序，当主程序中车型选择条件满足时，这个功能块将实现车型的手动切换，以及工位的安全；第四部分为气缸动作控制的程序，本控制系统分13组动作，即13组电磁阀控制13组气缸，由于汽车车身侧围的工件比较复杂，所以需要的气缸数量多，相互紧密，所以气缸之间的动作顺序有先后并且有相互干涉的情况，这部分的程序就是实现关于气缸动作的功能。4.1.2 输入输出符号的地址分配菲尼克斯PLC的编程软件为PC WORX,这个软件使用非常方便，通过组态将INTERBUS连接的现场设备组成一个网络，每个设备都有自己的输入输入的地址号，只要将符号和地址号在PC WORX里直接链接就可以，不用刻意分配地址。从PLC开始，PLC有8点输入4点输出；SWAC面板上的按钮是输入点，灯是输出点；阀岛上连接的是输出点；现场总线耦合器以及现场模块是输入点。1. PLC自身带有8点输入和4点输出，我们将现场电气控制柜柜上面的柱灯作为输出信号，直接接到PLC的输出点上，将车型选择按钮、双手按钮、急停继电器、手动自动选择和E2钥匙直接接到PLC的输入模块上。表4.1为PLC的输入输出点地址分配表。表4.1 PLC的输入输出地址分配表输入输出变量（意义）地址变量(意义)地址K4K（继电器中间量）A6/1/1.1H101（柱灯）A7/1/1.1ZHP1（双手按钮1）A6/1/2.1ZHP2(双手按钮2)A6/1/1.4续表4.1K23/K8(手自动选择)A6/1/2.4STYPE240/241(车型选择)A6/1/4.1SWE2(SWE2钥匙)A6/1/4.4 图4.1为PLC各点与元器件间的接线原理图。图4.1 PLC与设备接线图 2.SWAC面板上的操作按钮通常是在调试程序时选择手动使用，每一个点都通过按钮手动按下进行调试，当所有的点手动调试无误，信号正确后再选择自动操作，表4.1是SWAC操作面板上的各个带灯按钮的地址分配以及符号意义：表4.2 SWAC操作面板地址定义输入输出符号地址 符号意义符号地址符号意义STESTIN1 SWAC灯测试按钮HFBIOOUT2总线检测指示灯SOHNZHP2IN4双手按钮HOHNZHP2OUT4双手按钮指示灯SK48IN5故障复位按钮HK48OUT5故障检测指示灯SSTAEIN6手自动确认按钮HSTAEOUT6手自动确认指示灯S11RIN911组气缸打开按钮H11ROUT9气缸打开到位显示S11VIN1011组气缸夹紧按钮H11VOUT10气缸夹紧到位显示续表4.2S12RIN1112组气缸打开按钮H12ROUT11气缸打开到位显示S12VIN1212组气缸夹紧按钮H12VOUT12气缸夹紧到位显示S13RIN1313组气缸打开按钮H13ROUT13气缸打开到位显示S13VIN1413组气缸夹紧按钮H13VOUT14气缸夹紧到位显示S14RIN1514组气缸打开按钮H14ROUT15气缸打开到位显示S14VIN1614组气缸夹紧按钮H14VOUT16气缸夹紧到位显示S15RIN1715组气缸打开按钮H15ROUT17气缸打开到位显示S15VIN1815组气缸夹紧按钮H15VOUT18气缸夹紧到位显示S16RIN1916组气缸打开按钮H16ROUT19气缸打开到位显示S16VIN2016组气缸夹紧按钮H16VOUT20气缸夹紧到位显示S17RIN2117组气缸打开按钮H17ROUT21气缸打开到位显示S17VIN2217组气缸夹紧按钮H17VOUT22气缸夹紧到位显示S18RIN2318组气缸打开按钮H18ROUT23气缸打开到位显示S18VIN2418组气缸夹紧按钮H18VOUT24气缸夹紧到位显示S19RIN2519组气缸打开按钮H19ROUT25气缸打开到位显示S19VIN2619组气缸夹紧按钮H19VOUT26气缸夹紧到位显示S20RIN2720组气缸打开按钮H20ROUT27气缸打开到位显示S20VIN2820组气缸夹紧按钮H20VOUT28气缸夹紧到位显示S21RIN2921组气缸打开按钮H21ROUT29气缸打开到位显示S21VIN3021组气缸夹紧按钮H21VOUT30气缸夹紧到位显示S22RIN3122组气缸打开按钮H22ROUT31气缸打开到位显示S22VIN3222组气缸夹紧按钮H22VOUT32气缸夹紧到位显示S23RIN3323组气缸打开按钮H23ROUT33气缸打开到位显示S23VIN3423组气缸夹紧按钮H23VOUT34气缸夹紧到位显示HK4OUT3急停显示灯HT11_1OUT41工件传感器1显示灯HT11_2OUT42工件传感器2显示灯HT11_3OUT43工件传感器3显示灯HT11_4OUT44工件传感器4显示灯HTYPE240OUT7车型选择两厢显示灯HTYPE241OUT8车型选择三厢显示灯续表4.2HK10OUT50夹具回到原位显示灯HKRFK1OUT51一个工作过程显示灯HKK3OUT52工作完成显示灯3. 阀岛是将13组电磁阀连接在一起，统一进行组态分配地址，本控制系统采用的阀岛可以接16组电磁阀，由于本工位只用了13组，因此空下其他3组，每一组电磁阀都控制那一组气缸的打开和夹紧两种状态，以下是阀岛上的各个输出点的地址分配以及符号意义：表4.3 阀岛信号地址定义输出符号地址符号意义YP11VOUT011组电磁阀所控制的气缸夹紧YP11ROUT111组电磁阀所控制的气缸打开YP12VOUT212组电磁阀所控制的气缸夹紧YP12ROUT312组电磁阀所控制的气缸打开YP13VOUT413组电磁阀所控制的气缸夹紧YP13ROUT513组电磁阀所控制的气缸打开YP14VOUT614组电磁阀所控制的气缸夹紧YP14ROUT714组电磁阀所控制的气缸打开YP15VOUT815组电磁阀所控制的气缸夹紧YP15ROUT915组电磁阀所控制的气缸打开YP16VOUT1016组电磁阀所控制的气缸夹紧YP16ROUT1116组电磁阀所控制的气缸打开YP17VOUT1217组电磁阀所控制的气缸夹紧YP17ROUT1317组电磁阀所控制的气缸打开YP18VOUT1418组电磁阀所控制的气缸夹紧YP18ROUT1518组电磁阀所控制的气缸打开YP19VOUT1619组电磁阀所控制的气缸夹紧YP19ROUT1719组电磁阀所控制的气缸打开YP20VOUT1820组电磁阀所控制的气缸夹紧续表4.3YP20ROUT1920组电磁阀所控制的气缸打开YP21VOUT2021组电磁阀所控制的气缸夹紧YP21ROUT2121组电磁阀所控制的气缸打开YP22VOUT2222组电磁阀所控制的气缸夹紧YP22ROUT2322组电磁阀所控制的气缸打开YP23VOUT2423组电磁阀所控制的气缸夹紧YP23ROUT2523组电磁阀所控制的气缸打开4.现场总线耦合器既是拓展总线结构的分支，也是一种现场模块，它有拓展总线的功能，但是由于本控制系统无需连接那么多外围设备，所以无需拓展，但是这个模块本身带有8个输入点，所以我们将4个工件传感器接近式感应开关的信号输入到这个模块，然后通过INTERBUS总线进入到PLC中。表4.4是现场总线耦合器的输入地址分配及符号的含义表。 表4.4 现场总线耦合器地址定义输入符号地址符号意义ST11_1IN1两种车型共用，工件放到夹具上，传感器感应到信号ST11_2IN2两种车型共用，工件放到夹具上，传感器感应到信号ST11_3IN3三厢车型专用，当工件放到夹具上，感应到工件有信号ST11_4IN4三厢车型专用，当工件放到夹具上，感应到工件有信号5.现场模块也是通过INTERBUS进行连接，连接方式为串联方式，在现场总线分支模块之后，就可以连接现场模块，每个现场模块共有16个输入点，而每个气缸上的信号线里面偶有两个输入信号，一个为打开到位输入信号，另一个为夹紧到位输入信号，因此每个现场模块最多可以连接8个气缸信号线。本设计中，按照上海大众的电气标准，将传感器的标识定义为SE，后面加气缸号，最后再加R或者V两种状态，R为气缸打开到位，V为气缸夹紧到位。根据第三章硬件设计的EPLAN接线电气原理图来进行分配地址，在分配地址时不需要特意列出地址符号表，在组态结束后和程序下载之后，只需要将符号和组态中的硬件地址进行链接即可。现场模块X13的地址分配及符号含义如表4.5所示：表4.5 现场模块X13地址定义输入符号地址符号意义SE13aRIN113a号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE13aVIN213a号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE15aRIN315a号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE15aVIN415a号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE12cRIN512c号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE12cVIN612c号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE19RIN719号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE19VIN819号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE16aRIN916a号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE16aVIN1016a号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE18aRIN1118a号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE18aVIN1218a号气缸传感器检测到夹紧到位输入信号SE12bRIN1312b号气缸传感器检测到打开到位输入信号SE12bVIN1412b