1、施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决实施方案V02汽车焊装车间侧围生产线电气自动化系统解决方案PE&S IDS施耐德电气（中国）有限公司2014.11.04 【摘要】：随着国内外汽车工业的飞速发展,白车身焊装生产线也在逐渐向全自动柔性化方向发展。工业机器人作为自动化焊装线最主要的柔性设备,目前在汽车行业中已开始广泛应用。本文以神龙（DPCA）机器人焊装生产线控制系统为讲述对象,介绍和阐述了基于现场总线的白车身机器人焊装线的分布式I/O自动控制系统。 本文阐述了汽车焊装生产线的组成、汽车焊装工艺的现状与发展。通过对汽车焊装生产线的各主要组成部分的介绍，讲述了汽车焊装车间自动控制系统的控制内容
2、及要求。针对其工艺特点,给出了PLC控制系统的架构,完成硬件设计与软件设计方案。通过焊装车间汽车侧围焊装总成线的PLC自动控制系统向读者介绍了焊装自动控制系统的在系统软硬件组成、PLC编程、电气设计等方面的设计概念和关键的标准参考，并且在控制系统的软件设计中,对模块化,结构化的编程思路进行了简要描述,希望本文能够对致力于汽车自动化控制行业的工程师和维护人员提供一定的技术参考。由于本文的描述范围比较广泛，所以内容上深入度欠缺，进一步的详细信息和技术要点需要读者去翻阅相关的标准文档或产品文档，本文只是起到抛砖引玉的作用。 1. 焊装车间工艺流程简介在汽车企业中，焊装车间生产的主要任务就是完成车身(
3、也称为白车身，Body in white)的制造，对于轿车来说，车身焊装线一般是由地板总成线、左右侧围总成线、CRP(仪表台横梁顶盖后行李仓托架)线和门盖总成线、车身装配 调整线等组成。而各分总成又由很多合件、组件及零件(大多为冲压件)组成，当今由于汽车主机厂考虑到起初的开发投资、日后的生产物流、品质管理等因素，这些分总成线一般都建在主机厂附近的配套厂，采用即时直供方式为主机厂焊装线服务。图1-1是焊装车间中的一组焊装工位的焊接场景：图1-1 焊装车间在工艺平台上主要分两种生产模式：即单一化焊装生产线和柔性化焊装线。所谓专有化焊装线，也称之为单一化焊装生产线，就是该焊装线只能为单一车型提供生产
4、，若再开发新车种生产时，就必须异地或迁移现有焊装线后重新建设焊装 线，因此，厂房、设备及公用动力设施重复投资造成浪费，人员流动生产效率低。而柔性化焊装线，是指在相同的地方同一条生产线上可以同时满足多个车种的生 产，其通用设备和公用动力设施一次性投入永久性享用，每次开发新车型时，只需增加部分专用设备；改造事先预置的通用设备；调试各种共用化程序。因此，避免了重复投资造成的浪费，而且缩短了技改时间，但起初的一次性投资相对会较大。而从自动控制的角度去看，柔性化焊装线从生产设备控制的难度和PLC程序的灵活性方面都要比单一化焊装生产线的要求要高的多。图1-2焊装车间（白车身车间）只是汽车生产线工艺流程中的
5、一个重要组成部分：1.1工艺过程构成1.1.1底板线底板线焊接自动化系统主要负责将车身的前底板总成（前端总成）、后底板总成（后端总成）、发动机舱总成焊接拼合成车身下部底板，生产工艺布局如下图所示：1.1.2车身线车身线的焊接自动化系统主要负责汽车白车身的顶盖、底板、侧围、车门之间的焊接总成。车身线的两端均与车身输送线自动化系统有信号接口，当来自车身输送线升降机的车身输送就位后，经过两个系统的信号交互，车身线的滚床会与输送线升降机上的滚床同步运行，将车身有输送线转送到车身线进行焊装作业。下图是车身线的工位平面布置图，在这个图中我们可以看到整个车身线是由若干个操作员工位组成，工位又分为人工操作的工
6、位，机器人焊接的全自动工位。在整个焊装区有不同的设备共同组成整个焊装自动化系统：1.1.3侧围线 侧围线焊接自动化系统通常是由2个独立自动化岛组成整个控制系统，每个独立的自动化岛都由1台PLC进行控制，分别是AFD自动化岛（也叫主岛）和CMT自动化岛（冷弧焊机器人岛），主岛完成整个侧围的部件拼接焊装作业，其中有若干个人工上件工位和全自动机器人焊接工位组成。侧围线分左侧围焊装线和右侧围焊装线，两边在机械上是对称关系，对于电气自动化系统，几乎可以复制其中一侧的图纸和程序，唯独机器人的轨迹由于不是一个公司进行机器人轨迹示教，有可能机器人轨迹不同导致的机器人空间干涉区域的不同，PLC程序中互锁的条件会
7、有相应的改变，这一点需要特别注意。CMT焊接自动化岛示意图AFR焊接自动化主岛示意图1.1.4前后端 车身前后端的生产线，可以根据车型的不同以及车的档次不同，分为手工焊接工位和自动焊接工位，一般情况下，在低档车型的生产线中采用前后端的自动生产线，因为抵挡车型主要是靠销售量来争取利润，所以要求自动化程度更高，需要的操作员也少，来满足更高的生产产能。高端车一般采用手工焊接工位来进行前后端的零件成型。例如神龙二厂的X7生产线（生产车型为C5和标志507）,由于车型相对高端，所以没有独立的全自动前后端生产线。神龙三厂由于生产的车型为中低端车型，由于产量要求较高，所以有独立的前后端自动化生产线。下图是车
8、前端生产线的自动化系统示意图：1.1.5车门线车门线与其他车身焊接总成线相比其特点是夹具数量多，且机器人交叉作业较多，机器人往往是多种作业形态，例如某个机器人既是焊接机器人，同时也是搬运机器人。自动化系统的软硬件组成与其他相似，只是工艺不同：车门线的工位操作仿真，如下图：1.1.6车身输送线在白车身车间里，每一个加工单元都是经过精心设计、优化组合而成，工件加工效率高，可充分满足生产节拍的高节奏。物流输送系统将这些单元高效地连接起来，实现白车身零部件的上件及整车的输送等。车身输送线是连接焊装车间不同工序生产线间的桥梁，通过输送线将白车身从一个生产线转移到下一个工序生产线。输送线是由一系列不同的输
9、送设备构成，例如滚床、叉式移载、夹紧器、升降机、带式移行机、举升装置、电动移行机、旋转台、RFID设备等滚床：升降机：转台：带式移行机：焊装车间输送设备对应的PLC程序的DFB功能块：1.2侧围生产线自动化特点侧围生产线较其他焊装作业生产有如下的特点：1） 侧围生产线包含左、右两个侧围线，左侧围和右侧围是对称分布的，生产工艺和功能是完全一样的。所以在我们的电气设计中过程中只需要把一侧侧围的电气图纸、设备清单、PLC程序，HMI程序完成即可，另一侧是完全通用的。但有一种例外情况是，如果总包商把左、右侧围的机器人示教工作分包给不同的公司，那么左右侧围的机器人在运动时其运动轨迹就有可能不同，一旦机器
10、人运动轨迹不同，机器人之间的干涉区就可能不同，所以这样会涉及到机器人部分的互锁逻辑不同，这一点需要特别注意，不要随意把左侧围的程序复制到右侧围使用，否则可能会出现机器人碰撞的风险。2） 侧围生产线由于工位上机器人的跨工位执行任务情况比较多，搬运机器人以及机器人的复用情况（为了节省机器人的数量，一个机器人要执行多个工位的焊接任务），一般情况下，侧围生产线自动化只分为一个大的自动化岛。而车身线等自动化系统可以分为若干个自动化岛，工位间的设备分界比较明显。3） 侧围生产线由于侧围的工件是由机器人直接进行工位间的转移，而不是依靠滚床等输送设备进行转移，所以侧围线也就不存在RFID这样的随件信息存储设备
11、，所以工件的车型等信息需要依靠PLC变量进行记忆且往下游工位进行传递，所以对PLC的车型管理逻辑要求比较高，车型传递错误就意味着夹具或机器人的动作区域有错误，最终导致机器人与夹具或工件发生碰撞，引起生产事故。所以侧围线的PLC程序要重点考虑车型的传递与管理逻辑。4） 机器人跨工位执行任务比较多，一方面是由于工位需要机器人从上游工位搬运到下游工位，另一方面是为了节省机器人的数量，减少投资，一个机器人就可能会执行2个甚至更多工位的焊接任务，因此在PLC程序中对机器人的调度逻辑难度较高，需要高效的协调机器人在不同工位的任务，还要处理一些特殊情况下的例外事宜。2.焊装车间自动化系统构成2.1系统架构汽
12、车焊装车间自动化控制硬件系统对于目前国际主流的汽车焊装车间自动控制应用,多采用“集中监控,分散控制”的典型控制模式。整个焊装车间可以根据实际情况分成几个基本独立的控制部分,如按同一平台的生产线按不同的焊接部件和任务把生产划分为若干个独立的控制部分，例如地板线总成自动化系统，左、右侧围总成自动化系统，车身主焊接自动化系统，车身后续焊接自动化系统，车门总成自动化系统，前端、后端焊接自动化系统等。在焊装车间自动化控制应用中,采用车间监控层、生产线控制层及现场设备层。汽车焊装车间的控制系统采用集中监控,分散控制的模式,向分散化、网络化、智能化方向发展,使整个控制系统高效安全、简洁柔性以及成本更低。以下
13、是焊装车间典型的自动化网络架构： 具体到一个焊装总成线系统，例如车身线的PLC系统，它会包到系统内各种设备的通信集成。例如下图是车身线的系统结构图，其中包括Premium PLC系统、HMI、IP67分布式IO，Fanuc焊接机器人，RFID，分布式advanced DIO，以及其他安全性产品，例如安全光幕，安全门以及用来进行信号处理的安全PLC模块等设备。2.2自动化系统基本概念 由于PSA的焊装自动化系统是基于PSA焊装车间自动化标准进行设计和编程的，所以在实施此类项目前需要对PSA的自动化标准设计的概念进行熟悉，这是最基本的知识前提。2.2.1自动化岛Ilot它是一个装有围栏的封闭区域，
14、在此区域内，有各类焊装设备（机器人、自动焊装机、龙门吊、折边机，）。岛的内部的进入通过小门实现。通常在自动化系统中，一个PLC可以管理最多15个岛。2.2.2 GE能源组 焊装的各设备需要供应电能和（或）压缩空气。- 一个公共能源组由岛的 EPO（操作部分元器件） 组件组成。该组件取决于：- 同一个接通电能功能模块（MEE）和同一个接通气动能源功能模块（MEP）2.2.3 手自动控制组GMM 公用运行模式组（GMM）由同一个GE的EPO（操作部分元器件）组件组成，由同一个运行模式（手自动模式）选择器进行管理。所以同一个GMM的各个EPO将时时刻刻处于同一运行模式下。例如：一个GMM可能由它们组
15、成：- 一个独立的装配工位，或者- 一个装配工位和一个翻转装置，或者- 一个装配工位和排空中转库的装料工作台等等。2.2.4 实体和运动 Entity, MovementEntity是指若干个被控设备组成的一个设备组，通常我们可以按工位来对实体进行划分。一般情况下，一个工位对应一个实体。在实体中的单个受控设备我们称之为一个运动movement，即若干个运动组合了一个实体。2.2.5 安全模式组GSO 公用操作者安全组（GSO）由同一个GMM的EPO组件组成，该GMM的运行受到相同的安全设施的条件限制（安全小门、操作者保护）。 一个操作者的保护区可能会影响多个GMM（例如：一个装配工位由一个GM
16、M管理，其卸料龙门吊由另外一个GMM管理，所有这两个GMM都位于同一个使用该装配工位的操作者保护区内）。因此，对同一个操作者保护来说，每一个相关的GMM都有一个GSO。 GSO的预执行件的控制由一个被称作KT-VALyY的辅助接触器来进行确认（授权）。根据危险分析，辅助接触器KT-VALyY的运行由相应的操作者保护系统及岛的安全设施（紧急停止和安全小门）限定。2.2.6自动化程序的限制在一个TSX PREMIUM上的应用程序的限制，TSX PREMIUM可编程控制器对于一个焊装类型的应用程序以下给出了对它们的最大限制：- 120个运动；- 30个机器人；- 15个焊接控制器；- 300条报警消
17、息（DFB： DIA报警）。为了获得可能的性能平衡，如果我们的机器人较少时，我们将可以产生更多的运动，反之亦然。3自动控制系统PLC3.1 PSA自动化标准 由于PSA焊装车间涉及的焊装生产线供应商较多，为了使自动化系统的设计、集成、维修和维护工作易于实施，PSA集团制定了厂级的自动化标准和焊装车间的自动化标准，并有与之对应的标准化文档作为设计依据。文档的名称分为PSA集团通用的自动化标准文档，文档名称为“AUT-STD-XXX ”，还有焊装车间自动化标准文档，文档名称为“FER_PSA_XXX”。3.2电气设计电气设计主要涉及到电气图纸设计和机柜的成套电气图纸的设计规范：1） CAD设计软件
18、工具要求PSA允许的CAD设计软件通常有AutoCAD、Eplan、Promise-E等等，最终提交的图纸是AutoCAD和PDF版本，为了更高效率的进行图纸设计推荐使用Eplan、Promise-E等电气辅助设计软件。2） 专用术语的命名和规范电柜的所有电气元器件均有相应的专用的命名前缀和后缀来标识不同区域内不同类型的元器件：例如：普通继电器：KA*1I 岛1内的继电器 接触器：KM*1I岛1内的接触器 延时继电器：KT*1I 岛1内的延时继电器 传感器： SQ* 断路器：QF* 按钮：SB* 指示灯：HL*更多的命名规则：可以参见PSA自动化标准文档获取更详细的信息 3） 交叉索引的要求与
19、其他行业不同的是，汽车行业电气设计中最大的特点是图纸均需提供电气元器件在图纸中的交叉索引信息，交叉索引信息是有页号+页行数+页列数组成，通过元器件交叉索引信息可以快速定位该元器件在图纸中所出现的所有位置信息，可以高效的阅读和理解图纸，例如一个继电器在某一页出现过，那么该继电器的线圈和所有使用的触点相关的位置信息都可以通过交叉索引来快速定位相关触点的页码信息，给理解图纸和维护工作带来极大的方便。IO点的预留比例不小于15%由于汽车行业特殊性，控制方案变动比较大，所以至少要留出15%的IO预留，防止增加的传感器输入和信号输出点。4） 机柜的热平衡计算机柜的散热条件是否满足要求必须通过热平衡计算得出
20、，热平衡计算有专用的EXCEL计算表格，通过输入柜内元器件的类型和数量，可以计算出电柜的发热量来决定是否用风扇或空调进行散热和冷却5） 电缆的选型及颜色规定导线的标识总体规定标记必须按照等电位标记原则，所有直接相互连接的导线具有相同的标记。根据标准CEI 60446，这个标记方法被称作独立标记（reprage indpendant）。“通常，独立标记在导线的全长上使用相同的标记，即使这根导线的中间含有过度连接。但在某些单向情况下则除外，一个连接电路图或一个连接表必须被用来详细说明每一根导线的每一个端头都必须被连接到的那个接线端子。” 两根导线和导线组（电缆）的独立标记举例导线被使用认可的与导线
21、的直径相匹配的标记和承载标记的物品在其每一个端头作上标记。该要求是必须的，下述情况除外：组成排线的连接工业可编程自动化装置的卡到有源或和无源基座上的导线，当电磁阀没有极性时，给电磁阀供电的电缆的导线（接收器一侧）。特殊电缆的导线（屏蔽，测量，），其较小的截面积不允许作标记，按照标准CEI 60757的表1，我们可以通过颜色代码来对它们进行标识。文字代码要在电路图中指出。标准CEI 60757的表1颜色文字代码颜色文字代码黑色BK紫色（紫红色）VT棕色BN灰色（深灰色）GY红色RD白色WH橘黄色OG玫瑰色PK黄色YE金色GD绿色GN青绿色TQ蓝色（也包括亮蓝色）BU银色SR绿-黄色GNYE中性导
22、线的标识中性导线（亮蓝色）在其每一个端头都通过字母N作为前缀进行标记。例如：N, N1, Nx其它导线的标识动力回路的导线在其每一个端头都要被标记。例如，对于相线： L1, L11, L21L2, L12, L22L3, L13, L23电路线的颜色端子的颜色交流控制回路(115 V c.a.) 相线 公共端 红色 红色 (1) 灰色或淡灰色 灰色或淡灰色直流控制回路（24 V c. c.） + 极 公共端（- 极） 蓝色 蓝色 (1) 灰色或淡灰色 灰色或淡灰色不由主隔离开关切断的电路。 外部电压，不管电压多大橘黄色橘黄色内部安全电路蓝色（在电缆外的线）蓝色（1）：公共端导线被标记时：既可以
23、通过一个乳白色的套管实现， 也可以通过一个有区别的标记实现。更详细的标准规定请参考GE03-046G 工业机器设备之电气设备规定方案选择指南3.3硬件选型3.3.1 常规PLC选型 对于没有SIL认证的常规逻辑处理，我们在焊装车间自动控制系统中通常会采用Schneider的Premium系列PLC，根据控制设备的数量及控制规模，现场通信总线的要求，会相应选择不同型号的CPU及通信模块。CPU: 选型工具会对控制设备的类型及数量估算出系统的各种开销，例如CPU的频率、内存的大小。总线通信模块：根据现场通信总线的需求，会配置不同的通信模块。例如Profibus, Ethernet IP, Modb
24、us TCP/IP, Fipio, CanOpen等现场总线。内存：依据所控制设备的类型和数量来计算所需要的内存卡容量，例如2位置运动块、机器人诊断、安全门诊断、滚床诊断等DFB的数量以及GE,iLot,GMM,GSA，OP等的数量。CPU的计算及选型：设备DFB的类型及数量选择：CPU循环周期的计算：现场IP67传感器及各种总线设备的数量选择：自动控制系统整体信息：经过信息选择后推荐的系统组件配置及数量：3.3.2 安全PLC选型 对于焊装主线的安全作业区域，往往在系统安全等级上要求符合SIL级别认证，例如保护人员作业安全的现场安全传感器光幕、光栅、雷达、安全门锁等信号处理需要符合相应SIL
25、级别认证，例如安全信号处理系统需要符合SIL2的安全等级认证。由于常规的Premium系列PLC不具备SIL等级认证，所以我们需要选取Schneider的安全PLC系列产品，通常我们选取XPSMF系列PLC作为安全PLC产品进行安全信号的输入，输出逻辑管理，对应的编程软件是XPSMFWIN。安全PLC硬件外观如下：安全PLC的编程软件XPSMFWIN有两个主应用窗口Project Management和Hardware Management，入下图3.4软件程序结构规范PLC软件程序结构方面PSA有严格的标准化要求，该程序结构标准可以参考文档“FER_PSA_251”1. ASCW 功能模块：
26、这个模块处理所有与电柜有关的信息，它由两个程序段组成：程序段 CE_INIT_VAR 处理标准内部位的生成，系统故障的位的初始化，可应用的变量的初始化（如果需要的话），等. 程序段 CE_DEF_mee1w 处理所有与电柜有关的故障：- 等待通电故障（经由DFB alrm_dia）；- FIPIO总线故障（根据情况，失去自动模式）；- （可编程控制器）系统故障不会在这里被发现，因为它们是由DIAG VIEWER自动触发2. ILOTI 功能模块, 这个模块处理所有与岛有关的信息，它们包括3个程序段: 这个功能模块还调用具有以下功能的DFB：- ALRM_DIA：在诊断缓冲区内登记报警的DFB。
27、- DIAG_PO：安全小门的诊断用DFB 程序段 CE_DEF_ILOTi 处理所有与岛有关的故障，也就是说：- 岛的启动故障（被阻滞而位于1）；- 急停继电器（DFKAAUiI）故障 ；- 急停故障；- 安全小门的诊断：- 接通能源继电器（DFKTMEEiI）故障；- 空载运行警示。 注：以上事件使用Alrm_dia型DFB，用于在诊断缓冲区内（除了安全小门诊断以外）进行注 册。 程序段 CE_gen_iloti 处理所有与岛有关的输入组合，也就是说：- 岛的启动；- 空载运行。 程序段 CS_gen_iloti 处理所有与岛有关的输出组合，也就是说：- 允许接通能源的继电器（KAAEEi
28、I）3. GEN 功能模块处理所有与 GEn 的接通能源有关的信息，它们包括3个程序段 这个功能模块还调用具有以下功能的DFB：ALRM_DIA：在诊断缓冲区内登记报警的DFB 程序段 CE_DEF Gen 处理所有与 GEn 的接通能源有关的故障，也就是说：- 6巴空气压力故障；- 10巴空气压力故障。 程序段 CE_GEN_GEn 处理所有与 GEn 的接通能源有关的输入组合，也就是说：- 接通能源OK 。 程序段 CS_GEN_GEn 处理所有与 GEn 的接通能源有关的输出组合，也就是说：- 接通6巴空气压力的控制阀Yv（电磁阀） ；- 接通10巴空气压力的控制阀Yv（电磁阀）；- 接
29、通能源。4. GMMX 功能模块这些模块处理所有与一个岛的运行模式组 GMM 有关的信息，每个GMM包括3个程序段。根据我们所要设计的设备，我们将可以找到一个到多个GMMx，因此，根据不同的情况，我们将可以找到一个到多个功能模块。注：每个XBTGT/GK显示器限定为15个GMMx，每个应用程序被限定为5个显示器。 这个功能模块还调用具有以下功能的DFB： ALRM_DIA：在诊断缓冲区内登记报警的DFB程序段 CE_def_gmmx 处理所有与岛的运行模式组有关的所有故障，也就是说：故障：- 手动模式继电器（DFKA1MANxX）故障。（使用Alrm_dia型DFB，用于在诊断缓冲区内进行注册
30、）故障位：（每个GMM的集中的位，我们在每个单位设备这一级里可以看到它们）- 一般故障 Dfaut avance MVT （前进运动故障和）- 一般故障 Dfaut MVT（运动故障和） (hors tardif（除延迟外）)- 一般故障 Dfaut tardif MVT（延迟运动故障和） - 一般故障 Dfaut Robots（机器人故障和） - 一般故障 alarme Robots（机器人报警和） - 一般故障 Dfaut Squences（焊接控制器故障和） - 一般故障 alarme Squences （焊接控制器报警和）- 一般故障 Des incohrences MVT（运动不一致和）程序段 CE_gen_gmmx 处理所有与岛的运行模式组有关的输入组合，也就是说：GMMx的单位设备状态的集中位：- 无故障且已准备好的单位设备的和（）。- 正在运行中的单位设备的等待和（）。即停、延迟停止及循环停止：- 即停请求。- 延迟停止请求。- 循环停止请求。- 工件停止请求。- 排空请求。手动模式：- 已确认的手动模式。自动模式：- 允许转到自动模式。- 自动模式的永久条件。已确认的自动模式。程序段 CS_gen_gmmx 处
