基于PLC的汽車總裝線監(jiān)控及報警系統(tǒng)設計

1 引言

汽車總裝生產(chǎn)線是整個汽車生產(chǎn)線的重要組成環(huán)節(jié)，其運行狀況直接影響到汽車廠生產(chǎn)的數(shù)量和質量。為此，本項目設計基于step7的plc控制系統(tǒng)，項目軟件平臺由西門子wincc6.2實現(xiàn)汽車總裝線監(jiān)控系統(tǒng)以及相關報警系統(tǒng)。

西門子公司的wincc組態(tài)軟件具有監(jiān)控生產(chǎn)過程的強大功能，是基于個人計算機的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備運行、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各種功能。wincc具有廣泛的應用和較強的兼容性，能提供成熟可靠的操作和高效的組態(tài)功能，同時具有靈活的配置能力。

2 系統(tǒng)整體設計

華晨金杯a1車總裝車間監(jiān)控系統(tǒng)由中控室和現(xiàn)場7個plc控制站組成。整個控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)視、分散控制”的模式，依據(jù)這一原則，將整個系統(tǒng)分為三個層次，即監(jiān)控層、控制層和設備層。每個層次中使用不同的網(wǎng)絡結構及軟硬件配置，以實現(xiàn)各自不同的功能。系統(tǒng)組成形式如圖1所示。

圖1 a1車總裝車間監(jiān)控系統(tǒng)整體組成

2.1 監(jiān)控層主要功能

中控室采用計算機監(jiān)視系統(tǒng)通過以太網(wǎng)(ethernet)對車間內各個受控設備的運行信息(指能夠通過以太網(wǎng)向計算機監(jiān)視系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù))進行實時采集和集中監(jiān)控。中控室設置數(shù)據(jù)采集服務器一臺(工程師站)，作為scada服務器(監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)以windows 2003 server為操作平臺，運行控制軟件(step 7)完成生產(chǎn)線各控制軟件編制及上下載、故障診斷，運行組態(tài)監(jiān)控軟件(wincc6.2)，完成設備控制信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集工作，經(jīng)過程序處理，生成各種文件，顯示各生產(chǎn)區(qū)域的動態(tài)畫面及圖形，對該區(qū)域的生產(chǎn)設備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進行動態(tài)模擬、實時監(jiān)控，并實現(xiàn)實時反映生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各部接口和設備的情況。

監(jiān)視計算機2臺(操作員站)，看板系統(tǒng)控制計算機1臺，從scada服務器讀取數(shù)據(jù)庫內的信息，建立顯示界面并對設備的運行狀況進行實時監(jiān)視，并能自動記錄工藝參數(shù)、打印故障報表。中控室及plc網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)交換機(switch)進行網(wǎng)絡聯(lián)接，以太網(wǎng)交換機(switch)之間的聯(lián)接采用光纜。

2.2 控制層主要功能

控制層采用plc及profibus現(xiàn)場總線接受現(xiàn)場發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過cpu運算與處理后，發(fā)出相應的指令(輸出信號)對現(xiàn)場設備進行控制。同時，各個主要單臺設備的控制系統(tǒng)具備以下功能：

(1) 能夠實現(xiàn)對該設備本身的獨立控制，并滿足工藝要求；

(2) 凡是需要在中控室內集中監(jiān)視的數(shù)據(jù)(如運行狀況、故障信息等)，各個單臺設備的控制系統(tǒng)均能夠獨立地進行實時采集；

(3) 必須具有中控室計算機監(jiān)視系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡接口(以太網(wǎng))。

2.3 設備層主要功能

設備層主要包括現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場傳感器(接近開關、光電開關等)、現(xiàn)場其它輸入設備(如控制按鈕等)、顯示設備(如指示燈等)等，直接或通過現(xiàn)場總線與控制層中的plc相聯(lián)系，將輸入信號發(fā)送給plc，將plc輸出指令發(fā)送到現(xiàn)場設備。

在生產(chǎn)線上需要人工參與或手動控制的環(huán)節(jié)設置，原則上在現(xiàn)場相關區(qū)域和主要專機及單線(體)設備旁均應設置本地操作站，如生產(chǎn)線上的升降機、移行機、轉臺、鏈式輸送機等等。

由于同為西門子產(chǎn)品，wincc和s7- 300 plc下位機之間可實現(xiàn)無縫、高可靠性的通訊連接，最大限度地滿足了總裝車間實時監(jiān)控和網(wǎng)絡擴展的需要。

3 汽車總裝線plc控制程序設計

汽車總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)比較復雜，因此將整個總裝線分為7條分線來分別控制，即：bdc存儲線、內飾線、門線、底盤線、發(fā)動機線、儀表線、終裝終檢線。各線的plc程序可獨立運行互相之間有聯(lián)鎖信號。

采用西門子step7作為編程工具，為了滿足上位機wincc監(jiān)控系統(tǒng)的需要和報表系統(tǒng)的設計要求，在開發(fā)plc控制程序的同時，設計了相關的動態(tài)數(shù)據(jù)文件，既為上位機監(jiān)視和控制提供相應的變量和數(shù)據(jù)，也為報表系統(tǒng)提供了相關原始數(shù)據(jù)[2]。

4 wincc監(jiān)控程序開發(fā)

4.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能

根據(jù)整個總裝車間的工藝流程、工藝參數(shù)和監(jiān)控要求，設計開發(fā)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)，并將畫面分為主畫面、bdc車身存儲區(qū)、內飾裝配線、車門線、底盤線、發(fā)動機前橋裝配線、儀表板裝配線和終裝終檢線。在監(jiān)控系統(tǒng)主畫面上可以顯示整個車間宏觀運行情況，通過屏幕下方的切換按鍵可以隨時切換到其他分線的監(jiān)控畫面中。

除用于存儲區(qū)和裝配線的運行狀態(tài)顯示、故障顯示、設定外，還能夠對存儲區(qū)和裝配區(qū)的內飾線、車門線、底盤線、終裝終檢線進行運行控制，包括全線的啟動停止、單線的啟動停止、存儲區(qū)的放車程序選擇、手動選擇放車、運行速度的調整等。

另外，系統(tǒng)還包括完善的報警和報表系統(tǒng)，能對生產(chǎn)線的故障進行統(tǒng)計、保存和打印。

監(jiān)控系統(tǒng)主畫面如圖2所示。

圖2 a1車總裝車間監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面組態(tài)

上位機(工程師站)安裝wincc開發(fā)版，操作員站安裝運行版。它提供適用于工業(yè)應用的圖形顯示、消息、歸檔以及報表等功能模板，能方便的生成全圖形化人機界面。上位機同時裝有step7編程軟件，采用以太網(wǎng)方式與現(xiàn)場plc連接，可以實現(xiàn)在中控室內監(jiān)視和修改plc程序。

在組態(tài)畫面之前，首先要建立wincc與step7的動態(tài)連接。wincc與 plc之間的通信主要依靠s7協(xié)議中的simatic s7 protocol suite協(xié)議通道來實現(xiàn)。通過設置以太網(wǎng)地址、機架號、槽號等建立上位機與各分線plc的連接。

在連接建立好以后，要通過建立變量標簽、繪制組態(tài)畫面、元件屬性的變量連接和調試等步驟實現(xiàn)wincc對現(xiàn)場運行狀態(tài)的監(jiān)控。

(1)建立變量標簽：在plc與wincc通信握手建立之后，要在wincc中對plc程序中的變量建立相應的標簽。應當注意的是wincc中選擇的plc變量必須與plc程序中的變量地址一一對應。

(2)繪制組態(tài)畫面：在wincc圖形編輯器畫面中，根據(jù)總裝車間的設備布置和監(jiān)控要求，利用wincc繪圖工具或兼容繪圖軟件設計完成所有能實時反映現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)控畫面以及其他操作畫面。繪制時，應盡量使畫面和元件的位置與現(xiàn)場保持一致，并要充分兼顧將來用戶的操作習慣，務必使畫面簡單、友好和易于操作。

(3)元件的動態(tài)連接：要動態(tài)的反映現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，就要對所繪制的元件的顏色、樣式、閃爍、幾何等屬性進行變量連接。當變量發(fā)生改變時，元件的屬性發(fā)生相應改變，從而實現(xiàn)對被監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控，并能直觀顯示。在調試時應注意要是繪制元件的動作時間周期與實際元件的動作時間周期保持一致。圖3為底盤線維修升降機監(jiān)控畫面。

圖3 底盤線維修升降機監(jiān)控畫面

4.3 報警系統(tǒng)組態(tài)

在工業(yè)生產(chǎn)中，安全無疑是最重要的，應該采取任何措施減少故障的發(fā)生。故障發(fā)生時應當及時通知操作人員，因此報警消息系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)的正常運行有著重要意義，它是人機界面應用系統(tǒng)中的重要組成部分。

(1) 組態(tài)報警畫面：利用wincc提供的wincc alarm control報警控件可以完成對各種報警的觸發(fā)條件、顯示顏色和描述的配置，并能實現(xiàn)實時和歷史數(shù)據(jù)的顯示、確認。歷史紀錄可以設為短期和長期兩種，采用先入先出的方式進行實時刷新。通過修改相關設置，可以對報警信息進行存儲，存儲周期可以按照客戶要求來設定，而且可以根據(jù)輸入的時間段來抽取報警信息并通過報表形式打印出來。因此，該數(shù)據(jù)庫是各種數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計的來源。圖4為短期報警消息窗口。

圖4 短期報警消息窗口

(2) 報表系統(tǒng)的設計實現(xiàn)：wincc報表系統(tǒng)功能比較強大，并提供user archives (用戶歸檔)可選功能。它的作用是以用戶自定義的結構將wincc中的數(shù)據(jù)保存在內置的wincc數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)可通過表格的方式由active x控件顯示。因此，根據(jù)實際需要設計了各種報表表格結構。利用報表系統(tǒng)可以實現(xiàn)對生產(chǎn)線的開動時間、停機時間、故障時間進行統(tǒng)計，對設備故障的發(fā)生時間、部位、原因和故障停機時間進行保存和打印。

5 結束語

本系統(tǒng)操作簡潔，易于修改工藝參數(shù)，并在華晨金杯a1車總裝車間經(jīng)調試運行后，自08年投入使用并無故障運行至今。因此，從現(xiàn)場使用情況來看以wincc為上位機組態(tài)軟件的hmi界面友好、功能完善，不僅完全滿足該廠的工藝要求，而且提高了自動化控制水平和生產(chǎn)效率。