【正文】 Schneider Electric Industry Solution from PEamp。S IDS 汽車焊裝車間側(cè)圍生產(chǎn)線電氣自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案PEamp。S IDS施耐德電氣（中國(guó)）有限公司1. 焊裝車間工藝流程簡(jiǎn)介 5 6 6 6 7 8 10 11 14 15 15 173自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC 18 PSA自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn) 18 18 21 24 33 33 34 35（上半?yún)^(qū)、下半?yún)^(qū)模式） 35 36 工位循環(huán) 36 生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化 37 車型混線生產(chǎn)（柔性生產(chǎn)線） 38（伺服轉(zhuǎn)臺(tái)） 39 39 系統(tǒng)故障恢復(fù) 40 自動(dòng)化程序的仿真 40 42 43 44 47 47 48 51（DCS） 52 546分布式IO設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)傳感器 56 56 56 FIPIO總線 56 Ethernet TCP/IP總線 61 61 【摘要】：隨著國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,白車身焊裝生產(chǎn)線也在逐漸向全自動(dòng)柔性化方向發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化焊裝線最主要的柔性設(shè)備,目前在汽車行業(yè)中已開(kāi)始廣泛應(yīng)用。本文以神龍（DPCA）機(jī)器人焊裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為講述對(duì)象,介紹和闡述了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的白車身機(jī)器人焊裝線的分布式I/O自動(dòng)控制系統(tǒng)。 本文闡述了汽車焊裝生產(chǎn)線的組成、汽車焊裝工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展。通過(guò)對(duì)汽車焊裝生產(chǎn)線的各主要組成部分的介紹，講述了汽車焊裝車間自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容及要求。針對(duì)其工藝特點(diǎn),給出了PLC控制系統(tǒng)的架構(gòu),完成硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方案。通過(guò)焊裝車間汽車側(cè)圍焊裝總成線的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)向讀者介紹了焊裝自動(dòng)控制系統(tǒng)的在系統(tǒng)軟硬件組成、PLC編程、電氣設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)概念和關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)參考，并且在控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,對(duì)模塊化,結(jié)構(gòu)化的編程思路進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述,希望本文能夠?qū)χ铝τ谄囎詣?dòng)化控制行業(yè)的工程師和維護(hù)人員提供一定的技術(shù)參考。由于本文的描述范圍比較廣泛，所以內(nèi)容上深入度欠缺，進(jìn)一步的詳細(xì)信息和技術(shù)要點(diǎn)需要讀者去翻閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文檔或產(chǎn)品文檔，本文只是起到拋磚引玉的作用。 1. 焊裝車間工藝流程簡(jiǎn)介在汽車企業(yè)中，焊裝車間生產(chǎn)的主要任務(wù)就是完成車身(也稱為白車身，Body in white)的制造，對(duì)于轎車來(lái)說(shuō)，車身焊裝線一般是由地板總成線、左右側(cè)圍總成線、CRP(儀表臺(tái)橫梁＋頂蓋＋后行李倉(cāng)托架)線和門蓋總成線、車身裝配 調(diào)整線等組成。而各分總成又由很多合件、組件及零件(大多為沖壓件)組成，當(dāng)今由于汽車主機(jī)廠考慮到起初的開(kāi)發(fā)投資、日后的生產(chǎn)物流、品質(zhì)管理等因素，這些分總成線一般都建在主機(jī)廠附近的配套廠，采用即時(shí)直供方式為主機(jī)廠焊裝線服務(wù)。圖11是焊裝車間中的一組焊裝工位的焊接場(chǎng)景：圖11 焊裝車間在工藝平臺(tái)上主要分兩種生產(chǎn)模式：即單一化焊裝生產(chǎn)線和柔性化焊裝線。所謂專有化焊裝線，也稱之為單一化焊裝生產(chǎn)線，就是該焊裝線只能為單一車型提供生產(chǎn)，若再開(kāi)發(fā)新車種生產(chǎn)時(shí)，就必須異地或遷移現(xiàn)有焊裝線后重新建設(shè)焊裝 線，因此，廠房、設(shè)備及公用動(dòng)力設(shè)施重復(fù)投資造成浪費(fèi)，人員流動(dòng)生產(chǎn)效率低。而柔性化焊裝線，是指在相同的地方同一條生產(chǎn)線上可以同時(shí)滿足多個(gè)車種的生 產(chǎn)，其通用設(shè)備和公用動(dòng)力設(shè)施一次性投入永久性享用，每次開(kāi)發(fā)新車型時(shí)，只需增加部分專用設(shè)備；改造事先預(yù)置的通用設(shè)備；調(diào)試各種共用化程序。因此，避免了重復(fù)投資造成的浪費(fèi)，而且縮短了技改時(shí)間，但起初的一次性投資相對(duì)會(huì)較大。而從自動(dòng)控制的角度去看，柔性化焊裝線從生產(chǎn)設(shè)備控制的難度和PLC程序的靈活性方面都要比單一化焊裝生產(chǎn)線的要求要高的多。圖12焊裝車間（白車身車間）只是汽車生產(chǎn)線工藝流程中的一個(gè)重要組成部分：底板線焊接自動(dòng)化系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將車身的前底板總成（前端總成）、后底板總成（后端總成）、發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成焊接拼合成車身下部底板，生產(chǎn)工藝布局如下圖所示：車身線的焊接自動(dòng)化系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車白車身的頂蓋、底板、側(cè)圍、車門之間的焊接總成。車身線的兩端均與車身輸送線自動(dòng)化系統(tǒng)有信號(hào)接口，當(dāng)來(lái)自車身輸送線升降機(jī)的車身輸送就位后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)交互，車身線的滾床會(huì)與輸送線升降機(jī)上的滾床同步運(yùn)行，將車身有輸送線轉(zhuǎn)送到車身線進(jìn)行焊裝作業(yè)。下圖是車身線的工位平面布置圖，在這個(gè)圖中我們可以看到整個(gè)車身線是由若干個(gè)操作員工位組成，工位又分為人工操作的工位，機(jī)器人焊接的全自動(dòng)工位。在整個(gè)焊裝區(qū)有不同的設(shè)備共同組成整個(gè)焊裝自動(dòng)化系統(tǒng)： 側(cè)圍線焊接自動(dòng)化系統(tǒng)通常是由2個(gè)獨(dú)立自動(dòng)化島組成整個(gè)控制系統(tǒng)，每個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)化島都由1臺(tái)PLC進(jìn)行控制，分別是AFD自動(dòng)化島（也叫主島）和CMT自動(dòng)化島（冷弧焊機(jī)器人島），主島完成整個(gè)側(cè)圍的部件拼接焊裝作業(yè)，其中有若干個(gè)人工上件工位和全自動(dòng)機(jī)器人焊接工位組成。側(cè)圍線分左側(cè)圍焊裝線和右側(cè)圍焊裝線，兩邊在機(jī)械上是對(duì)稱關(guān)系，對(duì)于電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，幾乎可以復(fù)制其中一側(cè)的圖紙和程序，唯獨(dú)機(jī)器人的軌跡由于不是一個(gè)公司進(jìn)行機(jī)器人軌跡示教，有可能機(jī)器人軌跡不同導(dǎo)致的機(jī)器人空間干涉區(qū)域的不同，PLC程序中互鎖的條件會(huì)有相應(yīng)的改變，這一點(diǎn)需要特別注意。CMT焊接自動(dòng)化島示意圖AFR焊接自動(dòng)化主島示意圖 車身前后端的生產(chǎn)線，可以根據(jù)車型的不同以及車的檔次不同，分為手工焊接工位和自動(dòng)焊接工位，一般情況下，在低檔車型的生產(chǎn)線中采用前后端的自動(dòng)生產(chǎn)線，因?yàn)榈謸踯囆椭饕强夸N售量來(lái)爭(zhēng)取利潤(rùn)，所以要求自動(dòng)化程度更高，需要的操作員也少，來(lái)滿足更高的生產(chǎn)產(chǎn)能。高端車一般采用手工焊接工位來(lái)進(jìn)行前后端的零件成型。例如神龍二廠的X7生產(chǎn)線（生產(chǎn)車型為C5和標(biāo)志507）,由于車型相對(duì)高端，所以沒(méi)有獨(dú)立的全自動(dòng)前后端生產(chǎn)線。神龍三廠由于生產(chǎn)的車型為中低端車型，由于產(chǎn)量要求較高，所以有獨(dú)立的前后端自動(dòng)化生產(chǎn)線。下圖是車前端生產(chǎn)線的自動(dòng)化系統(tǒng)示意圖：車門線與其他車身焊接總成線相比其特點(diǎn)是夾具數(shù)量多，且機(jī)器人交叉作業(yè)較多，機(jī)器人往往是多種作業(yè)形態(tài)，例如某個(gè)機(jī)器人既是焊接機(jī)器人，同時(shí)也是搬運(yùn)機(jī)器人。自動(dòng)化系統(tǒng)的軟硬件組成與其他相似，只是工藝不同：車門線的工位操作仿真，如下圖：在白車身車間里，每一個(gè)加工單元都是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)、優(yōu)化組合而成，工件加工效率高，可充分滿足生產(chǎn)節(jié)拍的高節(jié)奏。物流輸送系統(tǒng)將這些單元高效地連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)白車身零部件的上件及整車的輸送等。車身輸送線是連接焊裝車間不同工序生產(chǎn)線間的橋梁，通過(guò)輸送線將白車身從一個(gè)生產(chǎn)線轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工序生產(chǎn)線。輸送線是由一系列不同的輸送設(shè)備構(gòu)成，例如滾床、叉式移載、夾緊器、升降機(jī)、帶式移行機(jī)、舉升裝置、電動(dòng)移行機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、RFID設(shè)備等滾床：升降機(jī)：轉(zhuǎn)臺(tái)：帶式移行機(jī)：焊裝車間輸送設(shè)備對(duì)應(yīng)的PLC程序的DFB功能塊：側(cè)圍生產(chǎn)線較其他焊裝作業(yè)生產(chǎn)有如下的特點(diǎn)：1） 側(cè)圍生產(chǎn)線包含左、右兩個(gè)側(cè)圍線，左側(cè)圍和右側(cè)圍是對(duì)稱分布的，生產(chǎn)工藝和功能是完全一樣的。所以在我們的電氣設(shè)計(jì)中過(guò)程中只需要把一側(cè)側(cè)圍的電氣圖紙、設(shè)備清單、PLC程序，HMI程序完成即可，另一側(cè)是完全通用的。但有一種例外情況是，如果總包商把左、右側(cè)圍的機(jī)器人示教工作分包給不同的公司，那么左右側(cè)圍的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)其運(yùn)動(dòng)軌跡就有可能不同，一旦機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡不同，機(jī)器人之間的干涉區(qū)就可能不同，所以這樣會(huì)涉及到機(jī)器人部分的互鎖邏輯不同，這一點(diǎn)需要特別注意，不要隨意把左側(cè)圍的程序復(fù)制到右側(cè)圍使用，否則可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。2） 側(cè)圍生產(chǎn)線由于工位上機(jī)器人的跨工位執(zhí)行任務(wù)情況比較多，搬運(yùn)機(jī)器人以及機(jī)器人的復(fù)用情況（為了節(jié)省機(jī)器人的數(shù)量，一個(gè)機(jī)器人要執(zhí)行多個(gè)工位的焊接任務(wù)），一般情況下，側(cè)圍生產(chǎn)線自動(dòng)化只分為一個(gè)大的自動(dòng)化島。而車身線等自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為若干個(gè)自動(dòng)化島，工位間的設(shè)備分界比較明顯。3） 側(cè)圍生產(chǎn)線由于側(cè)圍的工件是由機(jī)器人直接進(jìn)行工位間的轉(zhuǎn)移，而不是依靠滾床等輸送設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)移，所以側(cè)圍線也就不存在RFID這樣的隨件信息存儲(chǔ)設(shè)備，所以工件的車型等信息需要依靠PLC變量進(jìn)行記憶且往下游工位進(jìn)行傳遞，所以對(duì)PLC的車型管理邏輯要求比較高，車型傳遞錯(cuò)誤就意味著夾具或機(jī)器人的動(dòng)作區(qū)域有錯(cuò)誤，最終導(dǎo)致機(jī)器人與夾具或工件發(fā)生碰撞，引起生產(chǎn)事故。所以側(cè)圍線的PLC程序要重點(diǎn)考慮車型的傳遞與管理邏輯。4） 機(jī)器人跨工位執(zhí)行任務(wù)比較多，一方面是由于工位需要機(jī)器人從上游工位搬運(yùn)到下游工位，另一方面是為了節(jié)省機(jī)器人的數(shù)量，減少投資，一個(gè)機(jī)器人就可能會(huì)執(zhí)行2個(gè)甚至更多工位的焊接任務(wù)，因此在PLC程序中對(duì)機(jī)器人的調(diào)度邏輯難度較高，需要高效的協(xié)調(diào)機(jī)器人在不同工位的任務(wù)，還要處理一些特殊情況下的例外事宜。汽車焊裝車間自動(dòng)化控制硬件系統(tǒng)對(duì)于目前國(guó)際主流的汽車焊裝車間自動(dòng)控制應(yīng)用,多采用“集中監(jiān)控,分散控制”的典型控制模式。整個(gè)焊裝車間可以根據(jù)實(shí)際情況分成幾個(gè)基本獨(dú)立的控制部分,如按同一平臺(tái)的生產(chǎn)線按不同的焊接部件和任務(wù)把生產(chǎn)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的控制部分，例如地板線總成自動(dòng)化系統(tǒng)，左、右側(cè)圍總成自動(dòng)化系統(tǒng)，車身主焊接自動(dòng)化系統(tǒng)，車身后續(xù)焊接自動(dòng)化系統(tǒng)，車門總成自動(dòng)化系統(tǒng)，前端、后端焊接自動(dòng)化系統(tǒng)等。在焊裝車間自動(dòng)化控制應(yīng)用中,采用車間監(jiān)控層、生產(chǎn)線控制層及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。汽車焊裝車間的控制系統(tǒng)采用集中監(jiān)控,分散控制的模式,向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展,使整個(gè)控制系統(tǒng)高效安全、簡(jiǎn)潔柔性以及成本更低。以下是焊裝車間典型的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)： 具體到一個(gè)焊裝總成線系統(tǒng)，例如車身線的PLC系統(tǒng)，它會(huì)包到系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的通信集成。例如下圖是車身線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中包括Premium PLC系統(tǒng)、HMI、IP67分布式IO，F(xiàn)anuc焊接機(jī)器人，RFID，分布式advanced DIO，以及其他安全性產(chǎn)品，例如安全光幕，安全門以及用來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理的安全PLC模塊等設(shè)備。 由于PSA的焊裝自動(dòng)化系統(tǒng)是基于PSA焊裝車間自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程的，所以在實(shí)施此類項(xiàng)目前需要對(duì)PSA的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行熟悉，這是最基本的知識(shí)前提。它是一個(gè)裝有圍欄的封閉區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，有各類焊裝設(shè)備（機(jī)器人、自動(dòng)焊裝機(jī)、龍門吊、折邊機(jī)，…）。島的內(nèi)部的進(jìn)入通過(guò)小門實(shí)現(xiàn)。通常在自動(dòng)化系統(tǒng)中，一個(gè)PLC可以管理最多15個(gè)島。 GE能源組 焊裝的各設(shè)備需要供應(yīng)電能和（或）壓縮空氣。 一個(gè)公共能源組由島的 EPO（操作部分元器件） 組件組成。該組件取決于： 同一個(gè)接通電能功能模塊（MEE）和同一個(gè)接通氣動(dòng)能源功能模塊（MEP） 手自動(dòng)控制組GMM 公用運(yùn)行模式組（GMM）由同一個(gè)GE的EPO（操作部分元器件）組件組成，由同一個(gè)運(yùn)行模式（手自動(dòng)模式）選擇器進(jìn)行管理。所以同一個(gè)GMM的各個(gè)EPO將時(shí)時(shí)刻刻處于同一運(yùn)行模式下。例如：一個(gè)GMM可能由它們組成： 一個(gè)獨(dú)立的裝配工位，或者 一個(gè)裝配工位和一個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置，或者 一個(gè)裝配工位和排空中轉(zhuǎn)庫(kù)的裝料工作臺(tái)等等。 實(shí)體和運(yùn)動(dòng) Entity, MovementEntity是指若干個(gè)被控設(shè)備組成的一個(gè)設(shè)備組，通常我們可以按工位來(lái)對(duì)實(shí)體進(jìn)行劃分。一般情況下，一個(gè)工位對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)體。在實(shí)體中的單個(gè)受控設(shè)備我們稱之為一個(gè)運(yùn)動(dòng)movement，即若干個(gè)運(yùn)動(dòng)組合了一個(gè)實(shí)體。 安全模式組GSO 公用操作者安全組（GSO）由同一個(gè)GMM的EPO組件組成，該GMM的運(yùn)行受到相同的安全設(shè)施的條件限制（安全小門、操作者保護(hù)）。 一個(gè)操作者的保護(hù)區(qū)可能會(huì)影響多個(gè)GMM（例如：一個(gè)裝配工位由一個(gè)GMM管理，其卸料龍門吊由另外一個(gè)GMM管理，所有這兩個(gè)GMM都位于同一個(gè)使用該裝配工位的操作者保護(hù)區(qū)內(nèi)）。因此，對(duì)同一個(gè)操作者保護(hù)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)相關(guān)的GMM都有一個(gè)GSO。 GSO的預(yù)執(zhí)行件的控制由一個(gè)被稱作KTVALyY的輔助接觸器來(lái)進(jìn)行確認(rèn)（授權(quán)）。根據(jù)危險(xiǎn)分析，輔助接觸器KTVALyY的運(yùn)行由相應(yīng)的操作者保護(hù)系統(tǒng)及島的安全設(shè)施（緊急停止和安全小門）限定。在一個(gè)TSX PREMIUM上的應(yīng)用程序的限制，TSX PREMIUM可編程控制器對(duì)于一個(gè)焊裝類型的應(yīng)用程序以下給出了對(duì)它們的最大限制： 120個(gè)運(yùn)動(dòng)； 30個(gè)機(jī)器人； 15個(gè)焊接控制器； 300條報(bào)警消息（DFB： DIA報(bào)警）。為了獲得可能的性能平衡，如果我們的機(jī)器人較少時(shí)，我們將可以產(chǎn)生更多的運(yùn)動(dòng)，反之亦然。3自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC PSA自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn) 由于PSA焊裝車間涉及的焊裝生產(chǎn)線供應(yīng)商較多，為了使自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成、維修和維護(hù)工作易于實(shí)施，PSA集團(tuán)制定了廠級(jí)的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)和焊裝車間的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，并有與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化文檔作為設(shè)計(jì)依據(jù)。文檔的名稱分為PSA集團(tuán)通用的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)文檔，文檔名稱為“AUTSTDXXX ”，還有焊裝車間自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)文檔，文檔名稱為“FER_PSA_XXX”。電氣設(shè)計(jì)主要涉及到電氣圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和機(jī)柜的成套電氣圖紙的設(shè)計(jì)規(guī)范：1） CAD設(shè)計(jì)軟件工具要求PSA允許的CAD設(shè)計(jì)軟件通常有AutoCAD、Eplan、PromiseE等等，最終提交的圖紙是AutoCAD和PDF版本，為了更高效率的進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)推薦使用Eplan、PromiseE等電氣輔助設(shè)計(jì)軟件。2） 專用術(shù)語(yǔ)的命名和規(guī)范電柜的所有電氣元器件均有相應(yīng)的專用的命名前綴和后綴來(lái)標(biāo)識(shí)不同區(qū)域內(nèi)不同類型的元器件：例如：普通繼電器：KA**1I 島1內(nèi)的繼電器 接觸器：KM**1I島1內(nèi)的接觸器 延時(shí)繼電器：KT**1I 島1內(nèi)的延時(shí)繼電器 傳感器： SQ** 斷路器：QF** 按鈕：SB** 指示燈：HL**更多的命名規(guī)則：可以參見(jiàn)PSA自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)文