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白车身机器人焊装线整线控制方法研究 摘要 大型白车身机器人自动化焊装线的结构复杂，涉及设备繁多，为了协调各 个设备与机器人，以及设备之间的动作时序，保证焊装线安全、可靠运行，所 需控制硬件系统和p l c 程序十分庞大。为保证焊装线控制硬件的可靠性和可维 护性，本文使用基于工业现场总线技术的分布式i o 控制方案和基于安全总线 的安全回路设计方法，简化了控制硬件系统，降低了成本，保证了可靠性。为 提高编程的效率和控制程序的逻辑严密性，本文使用模块化的编程思想，对焊 装线整线p l c 程序进行了系统的规划，并且结合高级编程语言面向对象的编程 思路，对每种具体的设备建立了一致的接口和控制变量，对于操作、循环、时 序控制等逻辑单元也使用同样的接口和控制概念封装成单独的程序。编程时根 据实际情况，通过组合相应功能模块，配置模块之间的接口变量，就可以非常 方便的完成程序的编写工作。功能模块程序接口丰富、功能完善，可以保证程 序的可靠性，增加程序的可读性，方便程序的维护和工程技术人员之间的交流。 关键词；白车身焊装线；p l c ；模块化程序设计；工业机器人；现场总线 2 r e s e a r c ho ft h ec o n t r o lm e t h o d si nw h o l el i n em o d ef o r b i w w e l d i n gl i n e a b s t r a c t h u g ea m o u n t so fe q u i p m e n t sm a k et h es t r u c t u r eo fb i wr o b o tw e l d i n gl i n e v e r yc o m p l e x i no r d e rt om a k ea c t i o n sb e t w e e nm a c h i n e sa n dm a c h i n e s ，a n d a c t i o n sb e t w e e nm a c h i n e sa n dr o b o t ss m o o t h l ya n do r d e r l y , w h a t sm o r e ，t oe n s u r e t h ew e l d i n gl i n er u n n i n gw i t hs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，ag r e a td e a lo fp l c p r o g r a mc o d e sa r en e e d e d i no r d e rt om a k et h em a i n t e n a n c ea n ds e r v i c i n go f e l e c t r i c a lh a r d w a r ee a s i l ya n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h eh a r d w a r e ，t h i sp a p e r u s e sd i s t r i b u t e di 0m o d u l e sw h i c hb a s e do nf i e l db u st e c h n o l o g ya n dt h es a f e t y i om o d u l e sb a s e do ns a f e t yf i e l db u s ，t oc u t t i n gd o w nt h ec o s ta n di n c r e a s i n gt h e f l e x i b i l i t y o ft h ew h o l el i n e i no r d e rt om a k et h e p r o g r a m m i n gw o r k h i g h e f f i c i e n t l ya n dt h ep l cp r o g r a mm o r el o g i c a l ，t h i sp a p e ru s e st h ei d e a so f m o d u l a r i z a t i o nt op l a nt h ep l cp r o j e c tf o rt h ew h o l ew e l d i n gl i n ea n dt h ei d e a so f o b j e c to r i e n t e dm e t h o di nh i g h l e v e lp r o g r a ml a n g u a g et ob u i l di n t e r f a c ea n d c o n t r o lv a r i a b l e sf o re v e r ys p e c i a lm a c h i n e ，a n da l s of o rs o m el o g i cu n i t sf o r o p e r a t i o n ，c y c l e ，s e q u e n c ec o n t r o l l i n ga n de t c b a s e do nt h ei n t e r f a c e sa n dc o n t r o l v a r i a b l e s ，t h ec o n t r o lc o d e sf o rt h em a c h i n e sa r em o d u l a r i z e d w h e nw r i t i n gp l c p r o g r a mf o raw e l d i n gl i n e ，i t sv e r yc o n v e n i e n tt oc o m b i n et h ep r o g r a mm o d u l e st o as o f t w a r ep r o j e c t t h ef r a m eo fs o f t w a r ep r o j e c ti sb r i e fa n dt h er e a d a b i l i t yo ft h e s o f t w a r ei se n h a n c e da su s i n gt h i sm e t h o d ，w h i c hm a k ei te a s yt ob es e r v i c e da n d u n d e r s t o o dbyt h ee n g i n e e r s k e yw o r d s ：b i ww e l d i n gl i n e ；p l c ； m o d u l a r i z a t i o ni np r o g r a md e s i g n ； i n d u s t r i a lr o b o t ：f i e l db u s 3 插图清单 图1 1f a n u c 焊装机器人系统：3 图2 1 焊装线组网示意图1 6 图2 2 焊装线组网示意图2 7 图2 3 使用安全继电器的安全回路8 图2 4 安全控制器软件逻辑8 图2 5 使用安全模块的安全回路设计一9 图2 6 配电柜( p d p ) 和主控柜( m c p ) 柜内布置参考图9 图2 7 按钮站外观及硬件构成1 1 图2 8h m i 操作站外观及硬件构成1 1 图2 - 9 现场接线盒及安全门操作盒1 1 图2 1 0 往复杆输送线及其工作流程1 2 图3 1 某u b 线硬件组态图1 3 图3 2 安全i o 模块硬件参数设置1 4 图3 3d e v i c e n e t 网络连接示意图1 4 图3 4d e v i c e n e t 模块组态映射图1 4 图3 5 机器人以太网设最1 5 图3 6c o n t r o l l e rt a g 部分截图1 5 图3 7p r o g r a mt a g 部分截图1 6 图3 8 标准程序间的通信1 6 图3 - 9 安全程序和标准程序间的通信1 7 图3 10 生产者消费者通信模式示意图18 图3 1 l 多p l c 多耦合器1 8 图3 1 2 全任务和主任务程序架构2 l 图3 1 3 主任务程序层次划分示意图2 2 图3 1 4m c p 例程列表2 3 图3 1 5c e l l 例程列表2 3 图3 1 6s h u t t l e 输送线控制程序2 4 图3 17s n 盯i o n 控制例程列表2 5 图3 18r o b o t 程序例程列表2 7 图3 1 9h m i 程序例程列表2 8 图3 2 0p m c 通讯例程列表2 9 图3 2 1 安全程序例程列表3 0 图4 1 手动模式判定逻辑示意图3 5 图4 2 自动模式判定逻辑示意图3 5 7 图4 3 操作相关中间变量逻辑示意图3 6 图4 4 循环逻辑示意图( 1 ) 3 7 图4 5 循环逻辑示意图( 2 ) 3 7 图4 6 循环逻辑示意图( 3 ) 3 8 图4 7 人工焊接时序示意图3 9 图4 8 夹具时序逻辑控制示意图( 1 ) 4 0 图4 9 夹具时序逻辑控制示意图( 2 ) 4 1 图4 1 0 往复杆上升时序控制示意图( 1 ) 4 2 图4 1 1 往复杆上升时序控制示意图( 2 ) 一4 3 图4 12 具有夹具重定位的机器人焊接轨迹4 9 图4 1 3 具有焊接、抓件和放件动作的机器人焊接轨迹5 0 图4 1 4s t y l e 车型信息传递示意图5 2 表格清单 表2 1 按钮功能描述1 0 表4 1 轨迹控制信号列表4 5 表4 2 机器人轨迹段标识功能定义4 5 表4 3 机器人轨迹段标识焊装应用模版4 6 表4 4 过程控制信号列表4 7 表4 5 维护功能及状态信号列表4 8 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金月垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：铜、幺老耙签字日期。侈印年牛月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 佥魍工些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名翻碇抱 导师签名： 签字日期1 刀四年午月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 褓 t t ! ! l e t i i - 彳年口 日 电话： 邮编： 致谢 两年多紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际， 谨以只言片语向两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚 的谢意。 本文是在导师林巨广教授的悉心指导下完成的。在两年多的学习生涯 中，导师在学习、生活等方面均给予了我无私的帮助与支持。在我学位课 程的拟定、研究课题的落实、论文撰写等方面给予了悉心指导和热情关怀， 使我从中受益匪浅。可以说本文得以完成，倾注了导师大量的心血和汗水。 在此谨向我的导师林巨广教授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 导师渊博的 学识、严谨的治学态度、科学求实的作风、忘我的敬业精神和虚怀若谷的 学术作风给我留下了深刻的印象，并将激励我在今后的科学道路上不懈攀 登! 在两年多的硕士学习生活中，得到了王健强老师的很多指导和帮助， 王健强老师治学态度严谨，诲人不倦的精神给我留下了深刻的印象。感谢 王淑旺老师两年多的细心关怀，对我生活和学习方面都给予了莫大的关怀 和帮助。感谢张天华、童育华、任玉峰、王长润、李斌、王华国以及巨一 自动化公司的同事马文明、王明、陶翔、吴承超等对我手足般的支持和关 爱。 我要特别感谢我的父母和弟弟多年来对我的学习和生活的支持和鼓 励。在我困难的时候，是他们给予了我战胜困难的信心和力量，使我得以 顺利完成了学业。本文凝结了他们的心血、教诲和温暖! 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在 百忙中给予的悉心指导! 同时也对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和 朋友们表示衷心的感谢! 作者：孙纯哲 2 0 0 9 年4 月1 日 4 第一章绪论 激烈的市场竞争加快了汽车产品的更新换代，国内外各大汽车生产商不断 推出新的车型，以性能先进、外形新颖的新车型去开拓和占领市场。而汽车品 种的变化和更新换代，主要以汽车车身的改变最为突出。车身作为汽车零部件 的载体，其制造工艺及质量水平不仅直接影响到汽车的制造质量和制造成本， 还决定了汽车产品市场竞争力和市场寿命。 我国正在进入汽车拥有率迅速上升时期，虽然今年遇到世界范围的经济危 机，但国家出台的各种激励政策，如“汽车下乡”政策等，会为汽车行业的发 展注入新的动力。在未来几年内，汽车消费需求量仍将以每年15 左右的速度 增长。在今后1 0 到1 5 年，中国将逐渐成为最大的汽车消费国，汽车工业的产 值也将保持大概10 的增长。随着汽车文化的发展，个性化、时尚化特征越来 越显著，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的 大批量生产方式受到了挑战。机器人作为一种柔性化制造装备，替代工人单调、 重复的体力劳动，极大的提高了生产效率和产品质量，已成为汽车制造业提高 生产效率、产品质量、经济效益的关键装备。在车身焊装生产中，采用工业机 器人构成焊装生产系统极大的提高了车身焊装生产的自动化水平、降低了成本、 提高生产效率。 1 1 白车身焊装线技术现状 随着国内汽车行业的迅猛发展，工业机器人在汽车行业的应用也愈加广泛， 但人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接时焊接工人经常会受到心 理、生理以及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳，难 以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性；而焊接机器人的工作状态稳定，能确 保焊接质量。一般装配每辆汽车车体大约需要3 0 0 0 - - - , 4 0 0 0 个焊点，其工作量之 大显而易见。机器人点焊工作站作为一个灵活、可靠、通用的点焊柔性加工单 元【卜7 1 ，只需通过简单的机器人程序调整及工作参数、焊枪的更改就可以应用 于不同的汽车焊装线。 1 1 1 国外多机器人焊装自动化生产线方面的研究应用现状 国外机器人领域及机器人集成应用发展主要表现在以下几个方面： 1 大型自动化生产线的设计开发技术。利用如仿真系统 8 - 1 0 1 等多种高新技 术和设计手段，快速设计和开发机器人大型自动化生产线，并进行数字化验证。 2 自动化生产线“数字化制造，技术。虚拟制造技术1 1 1 发展很快，国外企业 已利用这类软件建立起自己的产品制造工艺过程信息化平台，再与本企业的资 源管理信息化平台和车身产品设计信息平台结合，构成支持本企业产品完整制 造过程生命周期的信息化平台。自动化生产线的设计、制造、整定及维护基于 一卜述信息化平台进行，开展并行工程，实现信息共享，最大限度地压缩了自动 化生产线投产周期，有利于实现生产线的柔性和质量控制的功能。 3 大型自动化生产线的控制协调和管理技术【1 2 13 1 。利用计算机和信息技 术，实现整条生产线的控制、协调和管理，快速响应市场需求，提高产品竞争 力。 4 自动化生产线的在线检测及监控技术 1 4 】。利用传感器和机器人技术， 实现大型生产线的在线检测，确保产品质量，并且实现产品的主动质量控制。 利用网络技术，实现生产线的在线监控，确保生产线安全运行。 5 自动化生产线模块化及可重构技术( 1 5 1 。利用设计的模块化和标准化， 能够实现生产线的快速调整及重构。 6 应用大量新型的焊接技术，来完成白车身的装配，如弧焊视觉引导i l 引， 机器人激光焊接【l 7 】等。 1 1 2 我国在多机器人焊装自动化生产线方面的研究应用现状 我国在多机器人焊装自动化生产线18 2 0 1 方面的研究应用现状则主要表现在 以下五点： 1 整体上起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距； 2 在焊装线系统控制技术方面，在生产线的多级、多总线控制【2 l j 及联网水 平方面和国际一流水平相比有着一定的差距； 3 在焊装自动线、物流输送设备设计技术方面，己取得了长足进步，掌握 了相应的设计和制造技术，但高端轿车焊装线的设计制造水平和世界水平比仍 有很大的差距； 4 还不能提供焊装线系统集成解决方案，国内汽车巨头现有的焊装线都是 由国外公司负责规划系统解决方案； 5 开始起步与国际公司一起联合规划设计机器人焊装集成解决方案，并协 助焊装线制造、调试。 总的来看，我国的焊装自动化技术及其装备的设计制造水平和国外比还有 较大的差距，如：可靠性低于国外产品；生产线系统技术与国外比有差距；在 焊装线的规模上，和国外先进水平比也有很大的距离。虽然我国对机器人的市 场需求越来越大，并且花了大量外汇引进的“洋 机器人系统，却存在着许多 问题，如国外系统不适合中国企业的工艺现状；国内人员素质较低，培训跟不 上；系统选型不合理，配置不当；缺乏足够的售前和售中技术支持；售后服务 跟不上。这种现象为走引进、吸收、消化和创新之路的中国工业机器人系统集 成提供了契机。 2 对于国内的机器人装备供应商来说这些除了是机遇，更多的是艰巨的挑战， 如何在和国外设备集成商的竞争中取得一席之地，需要很好的把握机器人技术 的发展趋势的同时，更虚加强同内对工业机器人存自动化牛产线中的集成应用t 特别是技术含量最高和应用程度最广的机器人焊装集成应用。 l3 总线技术在多机器人焊装自动化生产线中的应用 总线技术 2 2 也7 1 为用广提供了覆盖从车问级设备的控制到企业级争产控制和 信息管理的全方位的工业网络解决方案一网络集成自动化为基础的企业信息系 统，可以帮助实现在系列设备r 实现通用控制、配置、数据收集和，t 享。还 可以为用户带来巨大的效益：降低成本，增加易j 日性，产品和网络集成变得更 为轻松。 常用的现场总线【2 8 4 ”丰要有：p r o f i b u s 总线、e t h e r n e “i p 工业咀太网、 c o n t r o l n e t 总线、d e v i c e n e t 总线和i n t e r b u s 总线等。现场总线丰要有如下 技术特点：系统的开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自 治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性。现场总线的优点为：节 省硬件数量与投资、节省安装费用、_ 节省维护开销、用户具有高度的系统集成 主动权、提高了系统的准确性与可靠性。 l1 d 焊接机器人系统 囝l - 1f a n u c 焊装机器人系统 1 。业机器人【3 6 i 是典型的机电一体化高科技产品。目前在国内使用较多的工 业机器人品牌卡要有a b b 、c o m a u 、k u k a 、f a n u c 等品牌。机器人技术是 综台了计算机技术、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等 多学科而形成的高新技术，应用日益广泛。机器人的应用使现代制造产业发生 巨大的变革，对改变传统牛产模式，全面提高企业的综合竞争力具有重大的作 用。因而，机器人及其自动化成套设备的拥有量和水平也成为衡量一个国家工 业自动化水平的重要标志之一。 工业机器人主要是用于模仿人上肢运动，代替人进行某些工业劳动的一种 自动机械，也称为机械手。如图1 1 所示为f a n u c 焊装机器人系统，包括六 自由度工业机器人，伺服焊枪、焊接控制器和机器人控制器等。 1 1 5 大型p l c 控制系统 本文研究工作主要基于r o c k w e l lp l c t y 7 4 4 】的控制思想，并且主要基于 l o g i x 系统p l c 。l o g i x 系统不同于传统的p l c ，它是以先进的系统构建理念， 高性能的硬件，以及功能强大的软件而组成的一个可实现多种性质控制任务的 复杂多任务控制平台。g u a r d l o g i xp l c 系统是r o c k w e l l 最新推出的控制平台， 它提供了单一的集成化控制架构，能够实现离散、传动、运动、过程控制任务。 并且具有安全任务。在安全任务中，安全任务寻址安全i o 、采用特殊的安全 指令、性能和功能经过严格的设置并且还具有安全任务签名锁定功能。 g u a r d l o g i x 不仪仪是一个安全控制器，它是一个加上了s i l 3 安全控制特性 的标准c o n t r o l l i g i x 处理器。通过双处理器架构，它使用一个安全处理器和一 个配对的安全处理器，这种系统类型的好处之一是它仍然是一个单一的项目。 配对安全处理器是系统的一部分，自动分配，不用设置、配置或者下载到需要 到配对的安全处理器。通过更方便的开发环境，在安全应用开发期间，可以有 多个用户编辑修改项目，由于允许在线编辑和强制，因此其开发过程类似于标 准应用开发过程。一但项目通过测试并准备最后确认，用户要将安全任务设置 为s i l 3 安全级别，然后g u a r d l o g i x 控制器强制执行。安全内存被锁定并被保 护，安全逻辑不能被修改。一但安全被锁定到s i l 3 状态，g u a r d l o c i x 的标准 侧操作起来就像一个普通的l o g i x 控制器。 c o n t r o l l o g i x 软件系统包括集成软件开发平台r s l o g i x 5 0 0 0 、通讯服务软件 包r s l i n x 、网络组态软件r s n e t w o r x 。r s l o g i x 5 0 0 0 软件是符合i e c 6 11 3 1 3 标准的软件包，是一个包含编程、诊断、在线监控等功能的集成系统开发平台。 r s l i n x 提供了一个贯穿整个网络的友好的用户图形界面，支持和许多不同网络 上的多种设备同时进行通讯。r s n e t w o r x 网络组态软件是用于进行组态和规划 的工具，允许用户为网络创建一个图形化界面，并配置相应的参数以定义网络。 又根据三层网络构架分别有三个软件：r s n e t w o r xf o rd e v i c e n e t ( 用于设备网 组态) 、r s n e t w o r xf o rc o n t r o l n e t ( 用于控制网组态) 、r s n e t w o r xf o re t h e r n e t i p ( 用于以太网组态) 。 1 2 论文的研究内容及意义 结合国内白车身焊装线发展现状，本文主要从自动化控制角度入手，以模 块化的、面向对象的编程方法实现整个车间的自动化控制，实现发仓、侧围三 4 条分总成，地板线以及主线的自动化控制，并且协同车间m e s 系统，实现现 场生产信息的管理及监控。 模块化的、面向对象的编程方法可以把焊装线上大晕的被摔设备划分为一 个个相对独立的对象，它们拥有完善的外部接1 2 1 ，这些接e l 包括控制、监控、 调试等相关功能的控制字。通过操作这些对象之间的接口完成动作、时序、互 锁、监控及调试功能。在完成模块化的编程基础工作后，焊装线的p l c 编程任 务会得到大大简化，焊装线的控制编程工作难度更多的将体现在工作量上，而 不再是复杂度上。 目前国内的大型机器人焊装线多由国外系统集成商提供，未见国内具备机 器人焊装线整线控制( 即夹具、输送系统、机器人都由同一个p l c 控制) 能力 的系统集成商。由于整线控制的编程任务量大，涉及的设备繁多，机器人、输 送系统及夹具动作时序复杂等因素，成为国内整线控制能力提升的一个门槛。 国内较常用的方式是夹具、输送系统、机器人系统分别由3 到4 家系统集成商 提供电气控制，这种方式存在大量的缺点：1 、多个p l c 控制器的使用，造成 设备浪费，增加成本。2 、三个部分存在大量的接口信号，由于接口不统一，或 则人为的减少的三部分之间的接口信号使焊装线可靠性降低。3 、不同的厂家使 用不同的编程软件以及编程标准，系统可维护性差，增加了设备使用方的维护 成本。4 、难以实现高级的管理监控，例如m e s 、p m c 系统。 通过使用整线控制，一段区域内的设备都由同一个p l c 控制，每个被控对 象都有相同或类似的控制接口，夹具、输送系统、机器入以及m e s 信号的收 集都在同一个p l c 内完成。这样由于是同一个编程者按照一定的编程思路和标 准编写程序，因此安全可靠性得到了保证，系统维护成本降低。 5 第二章焊装线电控硬件系统规划 大型的机器人自动化焊装线包括大量的设备：夹具系统、焊装机器人系统、 输送系统、人机交互设备、车间级监控系统。因此所需要的控制i o 点数量巨 大，多逃上万个i o 信号。并且由于整条焊装线长达百余米，设备之问距离大， 为了保证系统可靠性和可维护性，决定采取基于现场总线的分布式i o 控制方 案。通过这种方式可以大大节约控制系统硬件成术，提高系统的可靠性和可维 护性使控制硬什模块化，控制任务划分更加清晰。 机器人焊装线自动化程度高，设备运行具有较高的安全要求，传统的安全 回蹄设计方法会导致安全回路布线复杂，系统柔性低，可维护性差。本方案采 用了基于安全总线的安全回路设计，简化了现场布线，增加了系统的柔性，同 时提高了安全系统的可靠性。 2 1 分布式i 0 控制网络 结合现场总线技术，以p r o f i b u s 和d e v i c e n e t 两种在汽车行业应用 较多的总线技术。描述使用总线技术构成的分布式控制网络。 首先我们措建了使用西门子3 0 0 、4 0 0 系列p l c 和p r o f l b u s 网络构成的 汽车白车身焊装线环网。如图2 1 所示最上层网络是车间m e s 管理系统，通 过d p 耦合器和p l c 网络现场控制层连接，进行数据交互，完成现场信息的采 集：现场层的第层是由6 个p l c 和6 个d p 耦舍器通过p r o f i b u s 介质组成 环网，完成整个车间的自动化控制，协调各个工段之间的互锁。第二层为单个 p l c 组成的分布式i ，o 控制网络，在p l c 所控制的安全区域中，各种设备的控 制信号都是通过现场模块和布置在现场靠近设备的接线盒中的i ，o 模块采集得 来的，机器人设备也是通过p r o f i b u s 总线连接到p l c 上的。在这层网络中 安全p l c 也是作为主p l c 的一个从站来组网的。安全p l c 处理各种安全设备 ，圊r 一蔷n r ；i 三 “”噩”n j j 夏 一“、 ：上 ”嚣c 雨 儿翟”e f 五磊1 u ”。署一r i 五 一 啐啕钿叼毒舳鼎弱弱穸 誊要菇薪幽糌向叼三旷圆咚 圈2 1 焊装线组网示意圈 的i 0 逻辑，然后把状态反馈给主p l c ，实现安全控制任务和主控制任务的通 信。本层架构的第三层为机器人子网络，机器人控制和它直接相关的各种设备， 如水气阀、修磨器、焊枪、抓具、焊接= i ! ! 制器等，这些也是通过各种现场模块 和接线盒中等i 0 来完成信号的采集和设各控制。通信模块接出d e v i c e n e t 总线到现场的分布式i o 中，通过d e v i c e n e t 总线通信的信号主要为普通输 入输出模块、安全输入输出模块。同时有工业以太同网络从交抉机中引出，接 到自动焊接控制器和机器人。这样使用两种网络组成r 控制层到控制网络。最 低层的网络为机器人子网络，使用d e v i c e n e t 总线连接其下各 量嚣2 麦翠器脚 一 图2 - 2 焊装线组网示意图2 种设备，如水气阀、修磨器、焊枪、抓具等。在这套网络中，安全信号是通过 d e v i c e n e ts a f e t y 协议( 和d e v i c e n e t 公用硬件网络) 传输到p l c 中的 安全控制器中。g u a r d l o g i x 产品使用双处理器架构，可以实现安全任务高 安全等级的逻辑运算，因此不需要额外的安全处理器，并且安全任务和主任务 在同一个项目中，它们之间的通信使用程序中变量的映射来完成。 总线网络的应用使整条线的工艺和物流控制联成一个整体，通过合理的控 制任务划分，实现了硬件设计和软件编程的模块化和标准化，使用安全p l c 或 安全模块来处理现场的安全信号，降低了安全回路的设计难度。对多级现场总 线网络的灵活应用，增加了控制系统本身的柔性，更好的实现了机器人自动化 柔性焊装线的控制任务。 2 2 安全总线构成安全网络 使用机器人的白车身焊装线自动化层度相对较高，要求设备的安全等级也 较高，安全回路的设计复杂繁重。采用传统的硬线串接设计方案，分为安全和 急停同路，在硬件电路设计的时候就要把相关的安全设备串接在一起，在末端 控制安全继电器的动作，来控制各种设备的动作使能。传统的安全回路设计如 图2 。3 所示，为某机器人工作站的安全回路示意，多个急停、安全信号串接在 一起，通过多个端子和大量现场布线来完成安全回路。 这样存在以下缺点： 图2 - 3 使用安全继电器的安全回路 ( 1 ) 、大量的硬线串接，增加硬件设计的难度，也增加了现场安装的难度 ( 2 ) 、硬线的连接需要根据现场工艺安排、安全区域的划分进行设计，柔性 低 ( 3 ) 、硬线连接易出错，并且不易查错，难于实现复杂的安全逻辑。 使用安全p l c 、安全控制器的安全回路设计相对简单，如图2 4 所示，只 需要把所有相关的急停安全信号引入到安全p l c 或安全控制器，然后通过软件 编程来完成安全逻辑，不需要把现场的安全触点进行串接，简化了现场接线。 并且系统还具有一定的柔性，当要更改安全区域配置时，安全回路的更改变得 非常容易。 图2 4 安全控制器软件逻辑 使用安全模块和安全总线组成的安全回路 4 5 5 2 1 具有更高的柔性，并且没有 复杂的硬件设计和繁重的现场接线工作。所有安全信号就近接入安全模块中， 通过安全总线传输到p l c 中在安全任务中处理相关到安争逻辑。如圈2 - 5 所 示，为使用安伞模块的安伞同踌。 2 3 焊装线电控硬件构成 23l 系统控制柜 圈2 - 5 使用安全模块的安全刚路设计 系统控制柜( c o n t r o lp a n e l ) 采用主控柜( m c p ) 与配电柜( p d p ) 的模式， 负责给控制系统所管辖区域供电、采集远程i o 信号、逻辑控制、以及机器人 和h m 通讯等等。配电柜柜门有一电源总开关，用于切断p d p , m c p , ，b 围设备等 所有本系统内的电源。主控柜柜门有一控制电源总开关以及其他按钮指示灯， 控制电源总开关用于切断所有控制电源，包括输入、输出、网络电源等。 圈2 - 6 配电柜( p d p ) 和主控柜( m c p ) 柜内布置参考图 如图2 - 6 所示，p d p 柜从车间供电母线引入三相电源，在经过总开关前引 至隔离电源变压器，经过总开关后一路引至外部变频器、机器人等另一路经 过控制电源变压器提供电源至m c p 做控制电源用。丰控柜( m c p ) 柜内包括 了p l c 槽架、直流电源、断路器等电控系统元器件。另外主控柜( m c p ) 柜内 另配备一台工业以太网交换机，用以连接本控制系统内的所有以太网接口设备， 如p l c 机架中的以太网模块、机器人通讯模块，现场触摸屏等。 2 3 2 安全系统和安全设备 本系统采用a l l e n b r a d l e y 品牌的s a f e t yi o 即1 7 9 1 d s 系列，来替代传统 的安全继电器方式来组建安全系统。采用这种方式的急停回路，当急停按钮拍 下后，进入s a f e t yi 0 的两组急停输入信号断开，通过g u a r d l o g i x 中s a f e t yt a s k 的组态处理，使两组接入接触器的s a f e t yi o 输出信号断开，成功切断接触器， 使得整个安全回路断开生效。g u a r d l o g i x 中s a f e t yt a s k ，专门用于配置各种 类型的安全回路，例如：急停、双通道输入、双通道输出、光栅控制等。s a f e t y t a s k 中安全回路编程，均采用模块式组态的方式，可以构建简单急停回路甚至 更加复杂的混合多输入输出的安全回路。 车身电控系统中的安全设备有以下几种：安全光栅、安全激光扫描仪、安 全门锁等，用于防止生产线工位正常工作时有人员或物件闯入危险区域造成严 重损害或事故。所有安全设备信号均通过快速连接电缆接入现场i o 箱内的 s a f e t yi o ，通过安全p l c 对整个安全系统的配置，使得任何一个安全设备被触 发，相应区域内的安全回路即被使能，拼装夹具、机器人及往复输送机构等相 关安全刚路内的设备立即进入安全模式。 2 3 3 按钮站、h m i 、接线盒及安全门盒 在人工操作工位按需要设置按钮操作台。它的作用是通过操作台上的按钮 开关来控制该拼台的自动运行，手动运行，工作完成，急停等操作。每个按钮 操作台至少包括以下按钮( 每个操作台预留4 个按钮以供添加自定义功能按钮) 表2 1 按钮功能描述 按钮功能 急停按钮使本按钮盒操作的工位处于急停状态 安全系统复位按钮复位木工位的安全设备如光栅； 模式选择按钮选择自动、手动等两种模式 循环启动按钮使本工位进入循环启动状态 回原位按钮手动模式下此按钮可使本工位所有夹具回到初 始位置，灯亮表示此工位所有夹具处于初始位置反 之则否 工作完成按钮此按钮表示本工位所有焊接操作完成，灯亮表示 此工位已全部完成一次循环操作 1 0 在每条线体适当位置设置现场h m i 操作站。它的作用是通过h m i 各个功能画 丽和h m i 操作站箱体上的按钮开关来控制该操作站所管辖的线体或设备的运 行、停i r 、检修等 阳2 7 按钮站外观及硬件构成 幽2 - 8h m i 操作站外观及硬件构成 如图2 - 9 所示为现场接线盒。现场接线盒中有一安全i o 模块，通过其输入口 采集现场的安全光栅等的安仝输入信号通过其输出口输出电源使能，给外部 电碰阁等供给动力电源。其中的安全继电器起到电源放大作用。一但现场出现 急停，安全任务就会切断使能电源供给。 图2 - 9 现场接线盘及安全门操作盒 如图2 9 所示为安全门盒，丰要是有急停信号，状态指示，工作循环控制等 等。其内部也是有一个安全模块，所有的相关逻辑都是通过安全任务来处理的。 2 3 5 往复输送子系统及机器人系统 往复输送机构，用于工件在工位间的循环输送。此套输送机构受控于往复线 所属的c e l l ( 工区) 电控系统。往复机构升降采用电控气动的方式，进退采_ | j 变频 器进行变频控制 d 0 、 芝 田2 1 0 往复秆输送线及其工作漉程 本方案所采用机器人为f a n u c 品牌机器人，机器人通过e t h c r n o t i p 工业以 太网的通讯方式同机器人所属c e l l ( 工区) 电控系统的p l c 进行连锁控制、协 调运行。机器人与相关往复输送系统、空中小车输送系统、安全门安全光栅等 安全设备通过现场s a f e t yf o 、硬接线、d e v i c e n e t 等通讯方式构成安全程度极 高的连锁控制网络。 第三章焊装线程序规划 整条焊装线多达l 万个i o 信号，控制代码的数量更是惊人。从焊装线硬件 构成来讲，工位之间又有相似的配置及相似的控制逻辑，如何使控制软件模块 化、标准化，提高代码的重用率，提高编程的效率保证软件本身的可靠性和 可维护可扩充性，是大型p l c 软件设计的重点和难点。本方案采用模块化和面 向对象的编程思路，在软件工程框架设计时，根据生产工艺和线体构成，对控 制逻辑进行了合理的划分，编写了针对设备和控制概念的专门的通用程序。通 过对各个模块建立标准的接口和丰富的控制变量，提高模块代码的利用率。通 过程序结构的合理划分，提高的程序的可读性和可维护性。 3 1 硬件网络组态规划 l o g i x 系列p l c 的硬件组态： 作一部分在r s l o g i x 5 0 0 0 软件中完成，一 部分在外部软件如r s n e t w o r k s ( d e v i c e n e t 或e o n t r o l n e t ) 中完成。在 r s l o g i x 5 0 0 0 中组态背板机架上的所有模块以及以太网上的相关模块，同时 配置d n b 模块下面连接的所有安全模块，普通i o 模块没有配簧需要，因此也 就不在此软件中组态。 3 1 ld e v i c e n e t 组态 如图3 1 所示，为某u b 线组态图。图中g u a r d l o g i xp l c 安装在一个具 有13 个槽位的背板上。2 号槽位安装e n b t 以太网通信模块，所连接的网络上 有4 个以太网接口的机器人。3 、4 号槽位安装着两个1 6 位的输入模块，用以 收集m c p 中的状态信号。5 、6 、7 号为d n b 模块，用来连接3 路d e v i c e n e t 网 络f 面的输人输出模块。8 号槽位连接着伺服控制模块，控制者两个伺服电机。 图3 - 1 某u b 线硬件组态圉 如图3 。2 所示为安全1 1 0 模块的具体设置。在此仅设置硬件参数，如模块名 称 息。 般多以控制设备来命名，模块节点地址，以及模块所使用的版本号等信 幽3 - 2 安全i 0 模块螋忭拳诹设置 每个d n b 模块。f 面可以串接一条d e v i c e n e t 网络如图3 - 3 所示为d v v i c e n e t 网络琏接示意图。阁中9 号槽位中的d n b 模块连接了一号设备单元 t o o l i n g # 1 中的各种输入输出，b k 为现场输入模块，p m 为现场阀岛模块， 图3 - 3d e v i c e n e t 网络连接示意图 h m i 为触摸屏操作盒中的安全模块。如图3 - 4 所示，最后所有的模块i 0 通 讯数捶 都要通过r s n e t w o r k s 软件规划映射d n b 模块中，各个模块诊断信 息自动映射到d n b 模块的诊断数据区。 3 1 2e t h e r n e t 组态 ：= ；= j 滞鼎i 秽曼i 嚣! 恻毒i i 笋 ! 卞甲下甲 - 二l i l 二二j ： 辩舅誊i 鲞。戮萎? 邕：舅骞蓑帮毒琶窭 拶笋：i 篓：曼黧 圈3 - 4d e v i c e n e t 模块组态映射凹 如图3 5 所示为机器人以太网模块的具体设置。以太网站的组态，只需要简 单配置模块属性就可以了不需要特殊设置，软件自身会完成所有相关信号的 交互。主要配置了模块的i p 地址，模块名称，一般以被控设备命名，输入输出 数据量配置。 3 2 变量交互方法 岸糍蔗竺竺一 图3 - 5 机器人以太网设置 r s l o g i x 5 0 0 0p l c 编程平台中，变量的交互传递主要通过标签的方式，标 签有c o n t r o l l e r t a g ( 控制器标签) 和p r o g r a m t a g 黧卫 - df r o m n f r o m + _ _h p - _ 一 一一-