车身车间主焊线中的电气控制系统

在汽车制造厂，车身车间主焊线是一条关键的生产线，其电控系统也较复杂，从整个车身车间来看，其电控系统在结构和功能等方面具有一定的代表性。由于涉及的工艺设备多、生产工艺复杂，并且要求主焊线的电控系统必须安全、稳定、可靠，因此，只有合理可靠的电气控制系统才能保证车身主焊生产的工艺和产品的高质量。在我国长春一汽大众轿车二厂的车身车间，CADDY车的主焊线是一条有较高机电一体化水平的装焊线，其电控系统是基于最新的德国大众标准设计制造的。

CADDY车主焊线是一条贯通式流水线，基本工作过程如图1所示。全线共7个工位(AFO100-AFO160)，其中，有2个升降机工位(AFO100和AFO160)，1个激光焊自动工位(AFO140)，4个人工工位(AFO110, AFO120, AFO130, AFO150)。线上的手动工位共配有3台悬挂式点焊机，2台Fronius的MIG/MAG焊机，1台悬吊式夹具，1台SCA的手动涂胶设备。在自动激光焊工位有5台FANUC机器人，4台Fronius自动MIG/MAG焊机，2台FASE电阻焊设备，2套TRUMPF的HL4006D型激光发生设备，3套总成夹具。AFO100是线端，AFO160是线尾。另外，5台滚床、上线升降机和下线升降机构成一个连续、自动的车身输送线。每个工位一台滚床，车身放置在滑撬上，滑撬位于滚床上，滚床转动带动滑撬，从而输送车身。

（1）第一工位AFO100，下部工段的车身底盘通过升降机进入AFO100。

（2）第二工位AFO110，车身底盘从AFO100工位进入本工位滚床，同时，汽车的两个侧围由本工位两侧的机械输送设备输送进入本工位，工人将三部分总成件和上中间连接件简单拼合在一块，本工位工作完成。

（3）第三工位AFO120，第二工位完成的车身进入本工位的滚床，本工位的工作包括：在左右侧围的连接件上涂上胶，并且在几个固定点用悬挂式点焊枪焊住，以为后续自动工位的工作做好准备。

（4）第四工位AFO130，第三工位完成的车身进入本工位的滚床，由工人把汽车顶盖装上，之后进入自动工位。

（5）第五工位AFO140，本工位是自动工位，首先由顶部和左右两侧的总成夹具把整个车身固定住，然后开始焊接。机器人先用激光焊接车身侧围和顶盖接触部分形成的流水槽，然后更换MIG焊枪，焊车身内部的一些焊点。同时，底盘与侧围下部连接处，通过滚床下部的固定式点焊机焊接在一起。此工位是一个封闭的安全区域，工作完成后其前后门自动打开，完成的车身自动出来，AFO130的车身自动进入。

（6）第六工位AFO150，车身在第五工位工作完成后被送出来，之后由工人检查焊接效果，根据需要手工补焊一些焊点。

（7）第七工位AFO160也就是升降机工位，上一工位完成的车身进入升降机，通过空中输送线被送到补焊线。

工艺系统的要求

在人工工位，有手动和自动两种工作模式。手动时，操作人员根据工艺要求正确操作各种夹具设备，完成工作后输送设备；自动时，夹具在车身到位后自动动作，操作人员完成工作后，车身被自动输送到下一工位。

在自动工位，有三种工作模式：手动、单独运行和自动。在自动激光焊工位有5台机器人，4台MIG/MAG焊机，2台电阻焊设备，2套激光发生设备，3套总成夹具，并且必须保证所有设备同时协调工作。

整条线分为7个安全区域，包括4个手动工位区域、1个自动工位区域和2个升降机区域。同时，对安全区域的监控必须符合德国大众的安全标准要求，在任何一个工位都能对本工位及全线的安全状态进行及时监控，并且对生产实时数据实现可视化，即生产人员在生产时可以随时看到本条线的生产状态，是生产和质量的管理者。

控制系统的结构和配置

1、CADDY主焊线的控制系统的结构

从网络角度，整个电控系统可以分为两层网络：第一层现场管理网是工业以太网，主要完成编程信息和统计诊断信息的交换及处理工作。服务器、信息可视设备、统计诊断设备、各种编程设备（Fase焊编程设备、激光编程设备和PLC编程设备）、各种控制器（PLC主控制器、激光控制器、Fase控制器、机器人控制器）及操作PC都连接到该层网路。第二层现场控制网是Interbus网，主要完成对现场各种传感器信号和执行器指令的处理和交换，要求快速准确。各种控制器（PLC主控制器、激光控制器、Fase控制器、机器人控制器）、I/O设备、操作面板及各种执行器（变频器、夹具、焊钳）均连接到该网络。另外，操作计算机可通过PROFIBUS与PLC完成操作信息的通信。

从设备角度，整个电控系统分为三层：第一层设备是管理设备，包括服务器、信息显示、诊断设备和编程设备；第二层设备是控制器，包括主控制器PLC和其他系统控制器（如激光控制器和机器人焊接控制器）；第三层设备是传感器和执行器层，包括各种I/O、操作面板、变频器、执行器和继电器等。

2 、主控制器的配置

主控制器中PLC是核心设备，它一方面协调控制现场各种设备按照工艺顺序要求工作；另一方面它接受编程设备的配置信息，向上层设备发送实时生产信息和设备状态信息，供上层设备统计、诊断和显示。CADDY主焊线有输入信号1865点，输出信号1561点。由于处理信号量大，因此对PLC性能要求很高。本系统选用的PLC是SIEMENS公司的SIMATC S7-400系列PLC，硬件配置如图。




PLC硬件配置

系统实现的功能

1、 在人工工位实现的功能

在人工工位，通过SWAC操作面板和操作按钮，操作人员可以对本工位的设备，如气源和夹具等设备进行手动操作或者自动控制。通过各种指示装置和面板的闪亮判断本工位状态，包括报警、错误的提示，从而进行正常的操作和处理。同时，该系统可以通过操作按钮对本位进行操作模式切换，以及进行正常的启动、停止和维修设置操作。在紧急状态下，操作人员可以通过本工位的急停开关停止本工位和整条线，以保证人身和设备安全。

2、 在自动工位实现的功能

本系统不仅可以通过操作计算机的画面和各种指示灯监控本工位的设备工作状态，而且可以通过激光控制计算机，对激光发生器进行编程和诊断，包括对激光器进行启动、停止等操作。由于操作计算机不仅配置了触摸屏，而且安装了STEP7软件，因此，不仅可以直接点击画面上相应的功能按钮或手动操纵本工位的各种设备，如夹具、吸水泵、滚床等，而且可以在线编程和调试，通过操作按钮对本位进行操作模式切换，包括对本工位进行正常的启动、停止和维修设置操作。在紧急状态下，操作人员也可以通过本工位的急停开关停止本工位和整条线，以保证人身和设备安全。

此外，通过FASE焊接编程计算机，还可以对FASE焊接控制器进行编程和诊断，并显示其状态。通过操作计算机的相关机器人画面，可以对机器人的特有功能进行取舍，如机器人模拟、更换工具、清洗焊枪等。完成本工位复杂多样的设备协调工作后，还需采用可靠的控制策略，以保证多个机器人在同一狭小空间内工作的同时不出现碰撞。




自动工位的计算机

3、 全线生产信息管理功能

SIEMENS 的LED屏和PLC内嵌SIEMENS的 Sicalis功能，可实现生产信息的可视化和管理，通过SIEMENS的LED显示屏实时显示生产线的状态信息，可使操作人员在任何工位都能看到全线的生产状况，包括每个工位的工作模式、是否完工以及安全状态等。PLC内嵌的SIEMENS的Sicalis功能结合诊断和信息统计计算机，通过相应的画面可以随时了解本工段生产统计信息，包括目标产量、当前产量、每个工位的工作时间、故障时间、交接班情况等。同时，生产信息还可以通过工业以太网传送到车间管理网，生产管理人员可以随时查看目前和历史生产情况，做出及时、准确的计划。此外，在Interbus网络的Gateway模块，可以和上、下游输送线的PLC进行信号通信，实现在控制层面上的无缝连接，从而实现车身输送车间级的全自动。

4、 安全功能

对于人工工位，急停按钮和SICK公司的Scanner结合，完成对人工工位安全区域的监控；对于自动工位，急停按钮、SICK公司的Scanner和安全门结合，完成自动工位安全区域的监控。

在实际生产中，CADDY车主焊线稳定可靠，其电控系统采用两级网络、三层设备的配置和结构。随着中国汽车工业的快速发展，尤其对轿车质量和产量的要求不断提高，汽车装焊车间电控系统的自动化水平和信息化水平也需要随之提高。只有采用合理的系统配置和高性价比的自动产品，才能保证生产的安全、高效、优质。