西門子自動化控制系統(tǒng)在汽車生產線中的應用

　　北京奔馳-戴姆勒•克萊斯勒汽車有限公司(簡稱BBDC)位于北京經濟技術開發(fā)區(qū)，于2005年8月8日正式成立。其前身北京吉普汽車有限公司創(chuàng)立于1983年5月5日，是中國汽車行業(yè)第一家中外整車合資企業(yè)。

　　BBDC是一家具有世界汽車制造業(yè)領先技術與制造水平，融汽車研發(fā)、制造、銷售和售后服務為一體的現代化企業(yè)，其生產廠房占地3200畝。第一期建設工程30萬平方米，具備年產10萬輛汽車的生產能力，最終將達到年產30萬輛汽車的目標。BBDC生產梅賽德斯-奔馳、克萊斯勒、Jeep、三菱等眾多國際知名品牌的轎車和越野車，并為中國軍隊定點生產，擁有完全自主知識產權的第二代軍用輕型越野車。

　　BBDC生產線自動控制系統(tǒng)是國內首家使用Integra標準的項目，該標準的實施極大的提高了工作的效率和優(yōu)化了工作流程。它共分為5個子系統(tǒng)，按照工業(yè)流程分為：調整打磨系統(tǒng)、漆前緩存系統(tǒng)、漆后緩存系統(tǒng)、總裝系統(tǒng)和門線系統(tǒng)。其中調整打磨系統(tǒng)是將沖壓焊裝系統(tǒng)生產的車身進行打磨，保證車面的光滑，為噴漆車間的噴漆做好準備。為了協(xié)調不同生產線的更好的生產，提高生產效率，在進入噴漆車間前，必須對不同車型的車身進行統(tǒng)一的管理，漆前緩存就是對車身進行有效的存儲、運送的控制系統(tǒng)。為了實現同樣的目的，在車身從噴漆車間出來后，也需要漆后緩存系統(tǒng)對車身的協(xié)調管理。然后車身就被送往總裝系統(tǒng)，進行車內飾、底盤以及發(fā)動機的安裝。同時車身的車門被摘取進行門內飾的安裝，在車身到達門線系統(tǒng)時，車門又被重新安裝。最后你將看到漂亮的汽車下線。

二、系統(tǒng)工藝介紹

　　調整打磨系統(tǒng)中，沖壓焊裝后的車身由EMS(自行電動小車輸送系統(tǒng))上的電動小車運送至上件滑撬升降機，通過升降機送到板式鏈，再由調整線板式輸送機驅動板式鏈將車身送到下件滑撬升降機上，然后送到漆前緩存系統(tǒng);由漆前緩存系統(tǒng)中的動力滾床進行運送，舉升動力滾床進行提升，拐彎處由90度偏心旋轉滾床進行車身轉向，再由鏈式移行機將車身放在不同的存儲線上，有序的進入噴漆車間;從噴漆車間出來后再有90度偏心旋轉滾床轉彎，由動力滾床進行運送，舉升動力滾床將車身下降至合適的高度，再由鏈式移行機將車身放在不同的存儲線上，合理有序的送入到總裝系統(tǒng);進入總裝系統(tǒng)后首先由下件滑撬升降機將車身送到內飾工藝鏈上，進行車內飾的安裝，完成后轉入快鏈運送，然后送到底盤工藝鏈上安裝底盤，這段工藝完成后再轉入快鏈運送，來到總裝系統(tǒng)中的重要工藝線——發(fā)動機的安裝。這些工作進行的同時，門線系統(tǒng)也在對車門進行門內飾的安裝，等到車身安裝好發(fā)動機后進行車門的安裝，最后進入總裝的最后一個工序進行加注潤滑油以及添加燃料。

　　整個流程的自動控制系統(tǒng)采用分布式的控制方式,主要通過中控室里由WinCC組態(tài)的監(jiān)控計算機向PLC CPU416F-2DP發(fā)出控制命令，需要變頻控制的電機經由從站ET200S使用ET200FC控制變頻器MASTERDRIVE來控制，不需要變頻的電機通過ET200S馬達啟動器來控制，滑撬系統(tǒng)還使用了MOBYE進行車身的識別。比較集中的傳感器/執(zhí)行器設備通過ET200eco控制。手動控制主要通過本地的人機界面PP17和TP170B發(fā)出本地控制命令。

三、控制系統(tǒng)的構成

　　由于該項目遵從Integra標準，因此方案是嚴格按照這個標準執(zhí)行。Integra標準是從國外引入的比較先進的，針對汽車行業(yè)開發(fā)的標準，它已經被成功應用于德國梅賽德斯奔馳項目，得到了很高的評價。BBDC項目首次將Integra標準引進中國，并發(fā)布了IntegraBBDC標準，它對控制結構、硬件畫圖、軟件開發(fā)、Safety技術、現場總線、系統(tǒng)接口、人機界面、軟件庫和培訓流程進行了詳細的闡述，Integra標準的引入將大大推動中國汽車制造業(yè)的發(fā)展。

圖1 漆前緩存線電氣系統(tǒng)配置圖

　　由于各系統(tǒng)硬件配置大致相同，只是數量上的不同，我們就以圖1所示的漆前緩存電氣系統(tǒng)配置圖分析硬件選擇方案，從硬件配置圖可以看出，監(jiān)控級利用工業(yè)以太網將控制層PLC獲得的數據傳送到上位監(jiān)控計算機，這是由于廠房面積大，各個控制系統(tǒng)分布廣泛決定的，另外由于整個系統(tǒng)傳輸的數據量大(有一萬多個點)，這就決定了工業(yè)以太網是最佳選擇。而且為了保證生產的可靠性，系統(tǒng)中的PLC選用的是CPU416F-2DP，同時采用了部分safety模塊，這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性?，F場選擇一個觸摸屏是為了可以在現場的控制柜上實時的查看各個點的狀態(tài)和CPU的信息，還可以診斷Profibus總線的通訊狀態(tài)，這是為了方便現場人員調試，也給后期維護帶來便利。CPU下面接了一個中繼器，主要是起到診斷網絡和信號放大的作用，可以實時的監(jiān)控通訊狀態(tài)，如有問題可以及時的發(fā)現處理。另外由于每個子系統(tǒng)既獨立控制，又相互聯(lián)系。所有選用DP-Coupler來進行不同CPU之間的數據交換。對有本地啟停設備的地方選擇PP17面板，這種方案比使用觸摸屏控制更加可靠，而且也更容易適應現場惡劣的環(huán)境。對于是否選擇變頻器MASTERDRIVE，主要是根據工藝的要求選擇的電機，如果電機是非變頻的可以選擇馬達啟動器來啟動電機。而對于現場一些特殊點的不能通過控制柜中的模板采集的，可選擇ET200eco來進行現場采集而無需放在控制柜里，滑撬系統(tǒng)使用MOBYE進行車身的識別。圖5即為總裝系統(tǒng)的主監(jiān)控畫面，從圖中各工位的顏色可以清楚的看出各個工位以及整個系統(tǒng)的工作情況。

圖2 總裝系統(tǒng)主監(jiān)控畫面

　　對采集數據和監(jiān)控生產的上位機，采用了服務器-客戶機的模式，如圖2所示，共有2臺服務器和5臺客戶機，2臺服務器互為冗余，選用的 HPProLiant DL服務器，安裝了Windows2003 server standard版操作系統(tǒng)，WinCC安裝的是6.0 SP4版本。5臺客戶機選用的是工業(yè)控制計算機，安裝了Windows2000英文版操作系統(tǒng)，WinCC版本和服務器一樣。選擇這種方案主要是基于三方面的考慮。①可靠性高：互為冗余的服務器進行數據的定時同步，保證了數據的一致性和可靠性;②開發(fā)周期短：這種模式只需開發(fā)一個服務器的程序即可，兩臺服務器互為備份程序完全一樣，而客戶端的PC 無需編寫程序，只需通過工業(yè)以太網來訪問服務器的程序即可，開發(fā)難度小而且周期短;③成本低：由于本項目通訊點多，采用其它方式購買授權的費用相對較高，這種模式客戶機端只需128點的授權費用，這樣總體費用大大降低。

圖3 上位監(jiān)控系統(tǒng)配置圖

四、控制系統(tǒng)完成的功能

　　雖然本項目龐大，通訊點很多，但是各個子系統(tǒng)設備很大部分是相同，也具有一樣的控制要求，因此我們將整個項目按照設備劃分成的不同的功能組，這樣可以增大一次開發(fā)的利用率，避免了重復開發(fā)，節(jié)省時間和成本。

　　1.升降機的控制

　　升降機在高位時，電動鎖緊器鎖緊到位，升降機上滾床無撬體，上層滾床有撬體等待，撬體經確認與EMS上的電動小車所帶車體相一致，上層滾床高速把撬體送到升降機的滾床上，經變速開關變?yōu)榈退?，行走至占位開關停止。電動定位器關閉到位，電動鎖緊器松開到位，收到EMS空中自行電動小車允許接車信號，升降機低速升到接車位，待收到EMS空中自行電動小車允許升降機下降信號后，升降機高速下降至變速開關變?yōu)榈退伲退傧陆档降轿婚_關停止。電動定位器打開到位，待條件允許，升降機上滾床高速把撬體送到板式鏈的滾床。升降機高速上升至變速開關變?yōu)榈退?，低速上升到到位開關停止，執(zhí)行完一次循環(huán)。

　　2.舉升臺的控制

　　舉升臺在高位，下層滾床無撬體占位，上滾床高速把撬體送到下層滾床，經變速開關變?yōu)榈退?，行走至占位開關停止;舉升臺在高位，下層滾床占位停止，電動定位器關閉到位，車體檢測開關檢測撬體上無車體，發(fā)出允許涂裝送車信號，當車體檢測開關檢測撬體上有車體，收到涂裝送車完畢信號，前面允許送車，即舉升臺在低位，停止器再關閉到位，舉升臺在下降到位。撬體被鏈式移行機送到停止器，占位開關同時占位，舉升臺把撬體舉升高位，同時舉升臺舉升到高位，下層滾床等待接撬體，執(zhí)行完一次循環(huán)。

　　3.總裝門線升降機、停止器、推車機的控制

圖4 升降機、停止器和推車機的控制

　　如圖4所示，停止器ST01占位，停止器ST02沒占位，1#升降機在高位，停止器ST02占位與ST01占位之間沒有移動的吊具，停止器ST01打開到位，推車機T01由慢-快-慢把吊具推至ST02占位，停止器ST02占位延時1秒，推車機T01由慢-快-慢退回到位，1# 升降機由慢-快-慢下降到位，等裝完車門，經工位工人確認后，1#升降機由慢-快-慢上升到位，停止器ST02前面允許進車，停止器ST01與ST02同時打開到位，推車機T01由慢-快-慢把吊具從ST02推出，把吊具從ST01推至ST02占位，停止器ST02占位延時1秒，推車機T01由慢-快-慢退回到位，1#升降機下降，執(zhí)行完一次循環(huán)。應注意的是：升降機不在上升到位，停止器ST01/ST02必須在關閉到位，推車機必須在后退到位，否則立即停線。

　　升降機的自動控制是項目中的難點，主要是因為升降機的自動控制如果故障就有可能將設備以及車體損壞，對一次調試成功的要求很高。升降機雖然有硬件保護措施，需要特定條件，比如升降機只有在失電后，抱閘將會抱死，因此對于升降機控制程序的編寫需要反復修改，模擬試驗，才能保證調試中的萬無一失，不會出安全事故。

五、總結與評價

　　該項目于2006年4月份進廠調試，7月份調試結束。通過對廠方操作員工進行相應的培訓，熟練掌握了操作技能后，他們給出了很好的評價：

　　1.該項目提高了生產效率和管理質量，顯著提高了工藝水平，改善了生產環(huán)境，減輕了勞動強度，增加了企業(yè)的效益。

　　2.提高了生產的安全性，減少了事故的發(fā)生，由于該項目方案中對生產安全相當重視，設有很多急停按鈕，在編寫程序中，對重要設備有多重保護，從而保證了設備、人身的安全。

　　3.加大了設備可靠性，safety模塊的使用對設備的輸入輸出點都是雙重對比的，保證每個點的信號都是真實可靠，設備的故障率降低了，生產的安全性就提高了。

六、應用體會

　　1.Integra標準的應用極大的提高了效率，它規(guī)定了從畫圖、硬件、軟件和培訓。這就保證了工程進度不會因為人員的調整而影響，而且這種標準也比較適用大的項目，這樣可以將項目細化，大家分工合作，因為所有的工作都是遵從標準，內容格式以及應用符號都是通用的，BBDC能在很短的時間完成開發(fā)調試，很大的部分歸功于IntegraBBDC標準的應用。

　　2.自動化編程，由于該項目信號點多，WinCC程序的開發(fā)工作量大，而且有很多還是重復的工作，這種情況下，使用Excel表格將一些變量信息以及對象的屬性編輯，通過WinCC中的VBA功能編程實現編輯大量的畫面和對象，大大的提高了工作效率，而且將一些重要信息備份，也便于后期的維護。

　　3.Safety技術的應用，極大的提高了整個系統(tǒng)的可靠性，Safety模塊保證了輸入輸出信號的可靠性，設備的安全性提高了，控制系統(tǒng)性能相應的改善了。