孫 冰 ，謝利理 ，樊京路

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129）

螺紋聯(lián)接由于簡單可靠、拆卸方便，而廣泛應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域的生產(chǎn)裝配中。在汽車行業(yè)不斷發(fā)展的今天，螺紋聯(lián)接的精確性、安全性、穩(wěn)定性、高效性是汽車裝配中不可輕視的重點(diǎn)，尤其對于汽車主錐螺母擰緊、發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋螺栓擰緊、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸缸蓋螺栓擰緊、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓擰緊、底盤變速箱擰緊工位、離合器總成擰緊等部位，在擰緊過程中需要非常高的螺紋裝配要求，所以在汽車裝配中的擰緊工序中需要要設(shè)計(jì)出一套更完善的汽車擰緊方案，來保證汽車裝配各部件的穩(wěn)定性和可靠性，提升汽車裝配的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。文中設(shè)計(jì)一套較完整的汽車裝配擰緊設(shè)備測控系統(tǒng)，可以有效的保證汽車擰緊過程中的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，避免人工操作的不確定性，為汽車裝配提供了一個(gè)良好的操作平臺(tái)。

1 汽車裝配擰緊系統(tǒng)構(gòu)成

擰緊設(shè)備由擰緊軸和軸控單元組成，擰緊軸由馬達(dá)、信號(hào)預(yù)處理模塊、傳感器模塊、電纜接頭和輸出軸組成，主要完成扭矩的測量和輸出。馬達(dá)是擰緊軸的最主要部分，其功率決定了擰緊軸所能達(dá)到的最大扭矩。傳感器采用應(yīng)變片式傳感器，安裝在工具的環(huán)形齒輪上，同步測量相對應(yīng)作用在緊固件上的扭矩。信號(hào)預(yù)處理模塊主要是對扭矩傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行前置整流、濾波、放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，供軸控單元采集處理。

軸控單元是一個(gè)智能控制單元，具有控制和驅(qū)動(dòng)功能，用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制擰緊軸按照要求進(jìn)行動(dòng)作，并提供用戶操作界面，以及外部接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸功能。在控制功能中，軸控單元對扭矩信號(hào)進(jìn)行控制，將扭矩傳感器采集后的數(shù)字化信號(hào)經(jīng)放大后傳遞給CPU，CPU根據(jù)設(shè)置的參數(shù)與反饋的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并發(fā)出指令控制電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)速大小。同時(shí)，為了具有良好的操作性，軸控單元有屏幕和鍵盤接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。在驅(qū)動(dòng)功能中，驅(qū)動(dòng)模塊將其軸控單元的輸入電壓轉(zhuǎn)為擰緊軸中電機(jī)所需的三項(xiàng)電壓，并控制換流器功率晶體管的通斷。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊對擰緊軸中電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行PWM 調(diào)節(jié)，并且對角度分解器提供正弦和余弦激勵(lì)[1]。另外，軸控單元對電機(jī)的每相電流進(jìn)行監(jiān)控，并且對接地故障和擰緊軸過熱進(jìn)行檢測和保護(hù)。

2 基于PLC的測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 測控系統(tǒng)組成

如圖1所示，測控系統(tǒng)的下位機(jī)由SIEMENS PLC S7-300系列CPU模塊317-2DP、CP343-1以太網(wǎng)通訊模塊、PS307開關(guān)電源模塊、數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322、擰緊槍、Profibus、TCP/IP通信電纜及相關(guān)配件組成。上位機(jī)和HMI的畫面通過組態(tài)軟件WinCC來設(shè)計(jì)。

SIEMENS S7-300系列317-2DP型CPU帶有512K工作內(nèi)存可以大量程序的存儲(chǔ)空間，內(nèi)有一個(gè)接口MPI/DP可以與其他設(shè)備以12MB/S的速度通訊，設(shè)有兩個(gè)DP-主站/從站接口可以支持PROFIBUS-DP信息通信，操作簡單方便，應(yīng)用性強(qiáng)。另外，CPU處理時(shí)間可達(dá)到每位0.05μs，這可有效縮短裝配生產(chǎn)中的大量數(shù)據(jù)的處理時(shí)間。CP343-1通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊連接, SM321/SM322 是DI/DO模塊，用來接收外部的輸入信號(hào)，同時(shí)將輸出信號(hào)至負(fù)載,其性能和指標(biāo)能滿足系統(tǒng)自身的功能要求和環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Testing system structure diagram

2.2 測控軟件設(shè)計(jì)

軟件分為3部分：下位機(jī)PLC采用STEP7軟件進(jìn)行模塊化編程，上位機(jī)人機(jī)交互界面采用組態(tài)軟件WinCC 6.0，利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)Wincc與S7-300 PLC之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)下位機(jī)PLC和由WinCC 6.0組成的上位機(jī)都具有控制的功能。

PLC程序設(shè)計(jì)如下，在Blocks里建立組織塊（OB）、調(diào)用功能塊（FC）、功能塊（FB）、系統(tǒng)功能塊進(jìn)行模塊化編程[2]，在OB1里調(diào)用FC功能塊程序，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用結(jié)構(gòu)化編程和分布編程配合使用，F(xiàn)C1000功能塊程序診斷檢測Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)通斷。PLC數(shù)字量模塊采集從擰緊設(shè)備傳感器發(fā)出的電阻信號(hào)經(jīng)FB2、FB4程序計(jì)算后儲(chǔ)存到DB塊里．再由上位機(jī)來監(jiān)測；FC10程序塊檢測擰緊設(shè)備保護(hù)設(shè)備，擰緊設(shè)備共有4個(gè)故障識(shí)別地址。每個(gè)故障識(shí)別地址有故障發(fā)生時(shí)，如錯(cuò)擰或漏擰時(shí)，故障信號(hào)經(jīng)由PLC控制箱中的編碼器電路板，再送入PLC數(shù)字量輸入塊。把故障識(shí)別地址存入DB數(shù)據(jù)塊中，并由上位機(jī)HMI來顯示故障況。FB3程序塊是PLC的主功能邏輯塊，它主要完成PLC與擰緊設(shè)備的功能互鎖，并且能與上位機(jī)Wincc之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 程序結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Program structure diagram

2.3 上位機(jī)WINCC組態(tài)設(shè)計(jì)

西門子公司的WinCC組態(tài)軟件適合于各個(gè)行業(yè)和各種技術(shù)系統(tǒng)，用于在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可視化和過程控制任務(wù)。WinCC組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)等，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可以完成監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控畫面開發(fā)的難度。

WinCC 6.0中使用的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫是Microsoft SQL Server 2005，提供組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)， 利用DAO、OLE、DB、ODBC、WinCC OLE—DB和ADO使歸檔數(shù)據(jù)的訪問變得簡捷，OLE、AetiveX和OPC等功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)接口的使用為交換數(shù)據(jù)提供了便利。它的優(yōu)勢是畫面更新高速性、數(shù)據(jù)通信高效性。同時(shí)它也能夠提供數(shù)據(jù)采集與歸檔、圖形顯示、報(bào)警功能和報(bào)表模塊。

2.3.1 狀態(tài)監(jiān)測模塊

在狀態(tài)監(jiān)測模塊中，通過使用WinCC圖形編輯器可以直接實(shí)現(xiàn)全況顯示，機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告、擰緊狀況及擰緊參數(shù)的顯示。圖形編輯器中的輸入/輸出域顯示的是模擬量的實(shí)際發(fā)生時(shí)間，如擰緊槍運(yùn)行的實(shí)際位置值；擰緊槍實(shí)際擰緊位置、限位開關(guān)、報(bào)警變量等開關(guān)量的通與斷則由不同顏色的圖形來表示，變量為I/0的對應(yīng)的背景色分別為綠/灰。用戶可以通過監(jiān)控畫面中的元件狀態(tài)掌握系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息[3]。

2.3.2 故障報(bào)警模塊

故障報(bào)警的信息記錄、存檔以及顯示和故障的查找、分類、合計(jì)與分析等功能主要在這一模塊中完成。這不僅有效地減少了排除故障的時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)了信息備份，為設(shè)備維護(hù)提供參考值。WinCC軟件中的報(bào)警編輯器主要管理消息的收集和分類，主要是負(fù)責(zé)采集過程、預(yù)加工、表達(dá)式、確認(rèn)及歸檔等消息。在組態(tài)期間，需要對整個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)一些應(yīng)觸發(fā)事件進(jìn)行明確說明，例如，自動(dòng)化系統(tǒng)中的特定位的設(shè)置，過程值與預(yù)定義值差值的最大相差值。

系統(tǒng)的組態(tài)也要分步進(jìn)行。首先，在報(bào)警編輯器中完成故障變量的組態(tài)。然后將報(bào)警控件添加至圖形編輯器中，這樣就實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警與故障控件的有效結(jié)合，使故障信息及時(shí)通過故障控件顯示。如圖3所示， WINCC監(jiān)控界面中的“ALARM”按鈕，頁面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至上圖界面，報(bào)警功能分2部分：當(dāng)前報(bào)警和歷史報(bào)警；當(dāng)前報(bào)警會(huì)直接顯示在頁面中，M點(diǎn)可以是PLC程序內(nèi)部設(shè)置的點(diǎn)，也可以是外部I/O點(diǎn)?？梢钥闯?，目前設(shè)備有2個(gè)報(bào)警：光電開關(guān)觸發(fā)時(shí)間為1s或者更長、設(shè)備急停按鈕被按下報(bào)警。

圖3 故障報(bào)警模塊Fig. 3 Failure alarm module

2.3.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

這一模塊不僅實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備以及備件的信息記錄，也記錄了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及服務(wù)器后臺(tái)執(zhí)行設(shè)備維護(hù)提示及報(bào)警。

整個(gè)系統(tǒng)使用的是VBScript腳本與SQL Server 2008，首先在SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中完成數(shù)據(jù)庫cms及其子級(jí)數(shù)據(jù)庫表的創(chuàng)建，再通過配置ODBC數(shù)據(jù)源連接SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。這樣可以將設(shè)備信息存入自定義數(shù)據(jù)庫中，然后啟動(dòng)報(bào)表生成過程，在Excel控件中顯示數(shù)據(jù)，從而成功的在自定義數(shù)據(jù)庫中完成了的WinCC的數(shù)據(jù)添加，步驟為[4]：

1)在控制面板中，查找管理工具下，選擇數(shù)據(jù)源ODBC，啟動(dòng)ODBC數(shù)據(jù)源管理器。

2)點(diǎn)擊“系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)，進(jìn)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)源頁面，點(diǎn)擊“添加”選項(xiàng)，打開“創(chuàng)建新數(shù)據(jù)源”對話框，在驅(qū)動(dòng)程序列表中，選擇SQL Server，然后點(diǎn)擊完成。

3)在打開的“創(chuàng)建數(shù)據(jù)源向?qū)А贝翱谥?，輸入?shù)據(jù)源名稱、說明和SQL Server服務(wù)器名稱，之后按步驟進(jìn)行完成，測試數(shù)據(jù)庫cms連接成功。接著根據(jù)擰緊設(shè)備信息，通過VB腳本編寫程序。用戶隨時(shí)可根據(jù)設(shè)備信息或備件信息寫入數(shù)據(jù)庫，并在需要的時(shí)候根據(jù)具體情況查詢報(bào)表。同時(shí)，當(dāng)設(shè)備達(dá)到報(bào)警條件或是備件不足時(shí)，將會(huì)自動(dòng)彈出報(bào)警窗口，提示用戶報(bào)警信息。

2.3.4 報(bào)表生成模塊

具體的生產(chǎn)信息及作業(yè)統(tǒng)計(jì)查詢在報(bào)表生產(chǎn)模塊中完成，如，各工位的擰緊數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)角和扭矩，各擰緊工位的數(shù)量。在必要時(shí)，也可以將各個(gè)擰緊機(jī)工位的數(shù)據(jù)打印成表格以便使用。采用VBScript腳本與SQL Server 2005采集作業(yè)數(shù)據(jù)，然后存入自定義數(shù)據(jù)庫，通過報(bào)表畫面查詢或者打印數(shù)據(jù)[5]。

在報(bào)表畫面中，日／月／年報(bào)表選項(xiàng)在報(bào)表下拉菜單中選擇。班次、工位或其組合以及起止時(shí)間選項(xiàng)在作業(yè)下拉菜單中選擇。顯示在Excel控件上選取的數(shù)據(jù)，打印報(bào)表，刪除選取的數(shù)據(jù)分別需要通過生成按鈕，打印按鈕，刪除按鈕。打印功能的完成則需要以頁面布局和打印作業(yè)為前提。利用WinCC的報(bào)表編輯器Report Desinger建立一個(gè)頁面布局，選擇ODBC數(shù)據(jù)源C腳，設(shè)置SQL語句建立模板，然后選擇Print Job選項(xiàng)，新建打印作業(yè)，例如，建立名為“zuoye”的新作業(yè)，主題為“打印作業(yè)情況/天”。點(diǎn)擊新作業(yè)屬性對話框，在layout處鏈接新建報(bào)表。打印報(bào)表按鈕的C腳本為：RtrFJobPrint(“zuoye”)。如圖 4所示。

圖4 擰緊數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面Fig. 4 Tigtening data exporting interface

2.4 測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程

測控系統(tǒng)的PLC控制程序由主程序和幾個(gè)子程序組成，主程序主要通過接受各種控制信號(hào)、調(diào)用各個(gè)子程序、設(shè)置報(bào)警信息等對系統(tǒng)進(jìn)行控制，幾個(gè)子程序分別是初始化、擴(kuò)展塊檢查、擰緊機(jī)程序及設(shè)置參數(shù)檢測[6]。初始化子程序主要完成了擰緊設(shè)備啟動(dòng)程序、PLC數(shù)據(jù)采集、處理及HMI監(jiān)控軟件程序。擴(kuò)展塊檢查子程序主要用來檢查擴(kuò)展模塊是否有硬件錯(cuò)誤，系統(tǒng)的二個(gè)模塊標(biāo)號(hào)如下：模塊0為SM321，模塊1為SM322。程序中通過設(shè)置各個(gè)特殊存儲(chǔ)器對2個(gè)擴(kuò)展模塊的標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤、故障以及設(shè)置了相應(yīng)的標(biāo)識(shí)位。擰緊機(jī)參數(shù)檢測主要由PLC[7-8]去完成的，PLC檢測到相應(yīng)的信號(hào)后，可以提醒報(bào)警設(shè)備及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，工作流程如圖5所示。

3 運(yùn)行結(jié)果

監(jiān)控畫面分為3個(gè)部分：總覽部分、現(xiàn)場畫面部分和按鈕部分。在總覽部分可顯示系統(tǒng)標(biāo)示符、畫面標(biāo)題、車號(hào)選擇；在現(xiàn)場部分顯示各個(gè)機(jī)構(gòu)畫面、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)報(bào)表畫面；在按鈕部分顯示監(jiān)控畫面的固定按鈕和登入用戶名。整個(gè)圖面設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 結(jié)束語

采用西門子S7-300 PLC和擰緊設(shè)備的通訊，控制擰緊機(jī)按照設(shè)定參數(shù)完成擰緊工作，利用WINCC作為上位機(jī)，完成實(shí)時(shí)的監(jiān)控和操作，性能穩(wěn)定，使用靈活方便，充分發(fā)揮各個(gè)技術(shù)優(yōu)勢，使其功能變的強(qiáng)大。保證了裝配的質(zhì)量和效率，應(yīng)用前景廣泛。

[1] 黃健.汽車裝配自動(dòng)擰緊機(jī)[D].上海:上海交通大學(xué),2008.

圖5 工作流程圖Fig. 5 Route chart

圖6 WinCC監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Design of monitoring system structure diagram

[2] 李永剛,馬春燕.基于S7-300 PLC和Wincc帶式輸送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2012,33(2):214-215.LI Yong-gang,MA Chun-yan.The design of belt conveyer system based on S7-300 PLC and Winc c[J].Coal Technology,2012,33(2):214-215.

[3] 陳欣,王浩宇,郎朗.基于OPC技術(shù)的上位機(jī)與西門子PLC的通信[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2008(1):70-73.CHEN Xin, WANG Hao-yu,LANG Lang.Communication between upper monitor based on OPC techniques and PLC of siemens[J].Automation and Instrument,2008(1):70-73.

[4] 余丹,楊輝,陸榮秀.基于S7-300與Wincc的橋式起重機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(6):71-75.YU Dan,YANG Hui,LU Rong-xiu.,The monitoring and management system of bridge crane based on S7-300 and Wincc[J]. Academic Journal of East China Jiao tong University,2010,27(6):71-75.

[5] 朱曉會(huì)．基于PLC和Wincc的塔機(jī)智能監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué),2012.

[6] 孫衛(wèi)平.WinCC在Atlas擰緊機(jī)監(jiān)控診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)雜志,2004(3):47-48.SUN Wei=ping.The application of WinCC in Atlas tightening machine testing system[J].Electrical Technology Journal,2004(3):47-48.

[7] 李寧.PLC在準(zhǔn)確定位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(11):195-198.LI Ning.Application of PLC in accurate positioning control system[J].Modern Electronics Technique,2011(11):195-198.

[8] 王旭東.PLC脈沖輸出指令的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子科技,2013(5):16-17,21.WANG Xu-dong.The design and application of instructions of pluse output on PLC[J].Electronic Science and Technology,2013(5):16-17,21.