基于PLC的汽車(chē)總裝線(xiàn)監控及報警系統設計

1 引言

汽車(chē)總裝生產(chǎn)線(xiàn)是整個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)的重要組成環(huán)節，其運行狀況直接影響到汽車(chē)廠(chǎng)生產(chǎn)的數量和質(zhì)量。為此，本項目設計基于step7的plc控制系統，項目軟件平臺由西門(mén)子wincc6.2實(shí)現汽車(chē)總裝線(xiàn)監控系統以及相關(guān)報警系統。

西門(mén)子公司的wincc組態(tài)軟件具有監控生產(chǎn)過(guò)程的強大功能，是基于個(gè)人計算機的數據采集與監視控制系統。它可以對現場(chǎng)的運行設備進(jìn)行監視控制，實(shí)現數據采集、設備運行、參數調節以及各類(lèi)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(shí)具有靈活的配置能力。

2 系統整體設計

華晨金杯a1車(chē)總裝車(chē)間監控系統由中控室和現場(chǎng)7個(gè)plc控制站組成。整個(gè)控制系統采用“集中監視、分散控制”的模式，依據這一原則，將整個(gè)系統分為三個(gè)層次，即監控層、控制層和設備層。每個(gè)層次中使用不同的網(wǎng)絡(luò )結構及軟硬件配置，以實(shí)現各自不同的功能。系統組成形式如圖1所示。

圖1 a1車(chē)總裝車(chē)間監控系統整體組成

2.1 監控層主要功能

中控室采用計算機監視系統通過(guò)以太網(wǎng)(ethernet)對車(chē)間內各個(gè)受控設備的運行信息(指能夠通過(guò)以太網(wǎng)向計算機監視系統傳送的數據)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和集中監控。中控室設置數據采集服務(wù)器一臺(工程師站)，作為scada服務(wù)器(監視控制和數據采集)系統以windows 2003 server為操作平臺，運行控制軟件(step 7)完成生產(chǎn)線(xiàn)各控制軟件編制及上下載、故障診斷，運行組態(tài)監控軟件(wincc6.2)，完成設備控制信息和生產(chǎn)數據的采集工作，經(jīng)過(guò)程序處理，生成各種文件，顯示各生產(chǎn)區域的動(dòng)態(tài)畫(huà)面及圖形，對該區域的生產(chǎn)設備狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、物流狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬、實(shí)時(shí)監控，并實(shí)現實(shí)時(shí)反映生產(chǎn)環(huán)節中各部接口和設備的情況。

監視計算機2臺(操作員站)，看板系統控制計算機1臺，從scada服務(wù)器讀取數據庫內的信息，建立顯示界面并對設備的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，并能自動(dòng)記錄工藝參數、打印故障報表。中控室及plc網(wǎng)絡(luò )采用以太網(wǎng)交換機(switch)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )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現場(chǎng)總線(xiàn)接受現場(chǎng)發(fā)來(lái)的數據信息，經(jīng)過(guò)cpu運算與處理后，發(fā)出相應的指令(輸出信號)對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制。同時(shí)，各個(gè)主要單臺設備的控制系統具備以下功能：

(1) 能夠實(shí)現對該設備本身的獨立控制，并滿(mǎn)足工藝要求；

(2) 凡是需要在中控室內集中監視的數據(如運行狀況、故障信息等)，各個(gè)單臺設備的控制系統均能夠獨立地進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；

(3) 必須具有中控室計算機監視系統所需的網(wǎng)絡(luò )接口(以太網(wǎng))。

2.3 設備層主要功能

設備層主要包括現場(chǎng)操作站、現場(chǎng)傳感器(接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等)、現場(chǎng)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(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)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)送到現場(chǎng)設備。

在生產(chǎn)線(xiàn)上需要人工參與或手動(dòng)控制的環(huán)節設置，原則上在現場(chǎng)相關(guān)區域和主要專(zhuān)機及單線(xiàn)(體)設備旁均應設置本地操作站，如生產(chǎn)線(xiàn)上的升降機、移行機、轉臺、鏈式輸送機等等。

由于同為西門(mén)子產(chǎn)品，wincc和s7- 300 plc下位機之間可實(shí)現無(wú)縫、高可靠性的通訊連接，最大限度地滿(mǎn)足了總裝車(chē)間實(shí)時(shí)監控和網(wǎng)絡(luò )擴展的需要。

3 汽車(chē)總裝線(xiàn)plc控制程序設計

汽車(chē)總裝生產(chǎn)線(xiàn)控制系統比較復雜，因此將整個(gè)總裝線(xiàn)分為7條分線(xiàn)來(lái)分別控制，即：bdc存儲線(xiàn)、內飾線(xiàn)、門(mén)線(xiàn)、底盤(pán)線(xiàn)、發(fā)動(dòng)機線(xiàn)、儀表線(xiàn)、終裝終檢線(xiàn)。各線(xiàn)的plc程序可獨立運行互相之間有聯(lián)鎖信號。

采用西門(mén)子step7作為編程工具，為了滿(mǎn)足上位機wincc監控系統的需要和報表系統的設計要求，在開(kāi)發(fā)plc控制程序的同時(shí)，設計了相關(guān)的動(dòng)態(tài)數據文件，既為上位機監視和控制提供相應的變量和數據，也為報表系統提供了相關(guān)原始數據[2]。

4 wincc監控程序開(kāi)發(fā)

4.1 上位機監控系統功能

根據整個(gè)總裝車(chē)間的工藝流程、工藝參數和監控要求，設計開(kāi)發(fā)了上位機監控系統，并將畫(huà)面分為主畫(huà)面、bdc車(chē)身存儲區、內飾裝配線(xiàn)、車(chē)門(mén)線(xiàn)、底盤(pán)線(xiàn)、發(fā)動(dòng)機前橋裝配線(xiàn)、儀表板裝配線(xiàn)和終裝終檢線(xiàn)。在監控系統主畫(huà)面上可以顯示整個(gè)車(chē)間宏觀(guān)運行情況，通過(guò)屏幕下方的切換按鍵可以隨時(shí)切換到其他分線(xiàn)的監控畫(huà)面中。

除用于存儲區和裝配線(xiàn)的運行狀態(tài)顯示、故障顯示、設定外，還能夠對存儲區和裝配區的內飾線(xiàn)、車(chē)門(mén)線(xiàn)、底盤(pán)線(xiàn)、終裝終檢線(xiàn)進(jìn)行運行控制，包括全線(xiàn)的啟動(dòng)停止、單線(xiàn)的啟動(dòng)停止、存儲區的放車(chē)程序選擇、手動(dòng)選擇放車(chē)、運行速度的調整等。

另外，系統還包括完善的報警和報表系統，能對生產(chǎn)線(xiàn)的故障進(jìn)行統計、保存和打印。

監控系統主畫(huà)面如圖2所示。

圖2 a1車(chē)總裝車(chē)間監控系統主畫(huà)面

4.2 監控系統畫(huà)面組態(tài)

上位機(工程師站)安裝wincc開(kāi)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(shí)裝有step7編程軟件，采用以太網(wǎng)方式與現場(chǎng)plc連接，可以實(shí)現在中控室內監視和修改plc程序。

在組態(tài)畫(huà)面之前，首先要建立wincc與step7的動(dòng)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(lái)實(shí)現。通過(guò)設置以太網(wǎng)地址、機架號、槽號等建立上位機與各分線(xiàn)plc的連接。

在連接建立好以后，要通過(guò)建立變量標簽、繪制組態(tài)畫(huà)面、元件屬性的變量連接和調試等步驟實(shí)現wincc對現場(chǎng)運行狀態(tài)的監控。

(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(huà)面：在wincc圖形編輯器畫(huà)面中，根據總裝車(chē)間的設備布置和監控要求，利用wincc繪圖工具或兼容繪圖軟件設計完成所有能實(shí)時(shí)反映現場(chǎng)狀態(tài)的監控畫(huà)面以及其他操作畫(huà)面。繪制時(shí)，應盡量使畫(huà)面和元件的位置與現場(chǎng)保持一致，并要充分兼顧將來(lái)用戶(hù)的操作習慣，務(wù)必使畫(huà)面簡(jiǎn)單、友好和易于操作。

(3)元件的動(dòng)態(tài)連接：要動(dòng)態(tài)的反映現場(chǎng)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(jìn)行變量連接。當變量發(fā)生改變時(shí)，元件的屬性發(fā)生相應改變，從而實(shí)現對被監控系統工作狀態(tài)的監控，并能直觀(guān)顯示。在調試時(shí)應注意要是繪制元件的動(dòng)作時(shí)間周期與實(shí)際元件的動(dòng)作時(shí)間周期保持一致。圖3為底盤(pán)線(xiàn)維修升降機監控畫(huà)面。

圖3 底盤(pán)線(xiàn)維修升降機監控畫(huà)面

4.3 報警系統組態(tài)

在工業(yè)生產(chǎn)中，安全無(wú)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(shí)應當及時(shí)通知操作人員，因此報警消息系統對于整個(gè)系統的正常運行有著(zhù)重要意義，它是人機界面應用系統中的重要組成部分。

(1) 組態(tài)報警畫(huà)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(shí)現實(shí)時(shí)和歷史數據的顯示、確認。歷史紀錄可以設為短期和長(cháng)期兩種，采用先入先出的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。通過(guò)修改相關(guān)設置，可以對報警信息進(jìn)行存儲，存儲周期可以按照客戶(hù)要求來(lái)設定，而且可以根據輸入的時(shí)間段來(lái)抽取報警信息并通過(guò)報表形式打印出來(lái)。因此，該數據庫是各種數據報表統計的來(lái)源。圖4為短期報警消息窗口。

圖4 短期報警消息窗口

(2) 報表系統的設計實(shí)現：wincc報表系統功能比較強大，并提供user archives (用戶(hù)歸檔)可選功能。它的作用是以用戶(hù)自定義的結構將wincc中的數據保存在內置的wincc數據庫中。這些數據可通過(guò)表格的方式由active x控件顯示。因此，根據實(shí)際需要設計了各種報表表格結構。利用報表系統可以實(shí)現對生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)動(dòng)時(shí)間、停機時(shí)間、故障時(shí)間進(jìn)行統計，對設備故障的發(fā)生時(shí)間、部位、原因和故障停機時(shí)間進(jìn)行保存和打印。

5 結束語(yǔ)

本系統操作簡(jiǎn)潔，易于修改工藝參數，并在華晨金杯a1車(chē)總裝車(chē)間經(jīng)調試運行后，自08年投入使用并無(wú)故障運行至今。因此，從現場(chǎng)使用情況來(lái)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(mǎn)足該廠(chǎng)的工藝要求，而且提高了自動(dòng)化控制水平和生產(chǎn)效率。