整线控制系统研究课件

机器人柔性焊装线的整线控制技术研究答辩人：王长润指导教师：王健强教授2009-04-1212/1/20221机器人柔性焊装线的整线控制技术研究答辩人：王长润11一、概述二、机器人柔性焊装线技术分析三、机器人柔性焊装线总体布局设计四、机器人柔性焊装线控制系统研究五、机器人柔性焊装线安全防护设计六、总结12/1/20222一、概述11/30/20222一、概述结合国内白车身机器人焊装线发展现状，本文主要从自动化控制角度入手，以模块化的、面向实际应用对象的编程策略实现整个车间的自动化控制，实现底板线以及主拼线的自动化控制，实现现场生产信息的管理及监控。模块化的、面向对象的编程策略可以把焊装线上大量的被控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口，这些接口包括控制、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PLC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。通过使用整线控制，一段区域内的设备都由同一个PLC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、机器人以及MES信号的收集都在同一个PLC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。12/1/20223一、概述结合国内白车身机器人焊装线发展现状二、技术分析机器人焊装线是将车身冲压件装配、焊接成白车身的机器人系统集成生产线。柔性焊装线的自动化装备、控制方式、系统集成技术决定着机器人焊装线的整体技术水平。（1）设备利用率高（2）整线的生产效率提高（3）生产能力相对稳定（4）产品质量高（5）焊接设备运行灵活（6）产品应变能力大12/1/20224二、技术分析机器人焊装线是将车身冲压件装配、1工业机器人系统机器人硬件结构机器人控制系统结构12/1/202251工业机器人系统机器人硬件结构机器人控制系统结构11/机器人系统在焊装线上的应用：1、搬运2、焊接3、上下料4、涂胶5、在线检测6、打标7、滚边8、切割等等

在机器人上加载不同的末端执行机构，配置相对应的外围设备即可实现不同的功能应用以满足机器人柔性焊装线上的工艺要求。12/1/20226机器人系统在焊装线上的应用：1、搬运2夹具系统焊装夹具是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和夹紧工具。它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。在生产过程中，焊装夹具除了完成本工序的零件组焊、定位外，还承担检验和校正上道工序焊合件的焊接质量的任务，因此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。12/1/202272夹具系统焊装夹具是焊装工装的重要组成部分总拼夹具形式

1、平移式2、铰链翻转式3、立柱式4、垂直升降式12/1/20228总拼夹具形式1、平移式11/30/202283输送系统

物流输送系统是焊装线设备的重要组成部分，负责白车身零部件的上件及整车的输送等，其主要结构形式有步进式输送、夹具移动输送、往复输送、滑橇输送和自行或手动吊具输送等。12/1/202293输送系统物流输送系统是焊装线设备的重要4总线通讯

现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含过程控制信息交换，还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节阀、分析仪和分布式I/O单元）都可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层上实现。目前，使用较多的现场总线主要是FUNDATIONFIELDBUS基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构为DCS（DistributedControlSystem）的一种。12/1/2022104总线通讯现场总线是应用于过程控制现场的PROFIBUS主站(一类主站，必需)：SIMATICPLC,SIMATICWinCC控制器，支持主站功能的通讯处器,IE/PB链路模块，ET200S/ET200X的主站模块PROFIBUS从站：ET200系列分布式I/O，支持DP接口的传动装置，支持从站功能的通讯处理器，其它支持DP接口的输入、输出或智能设备PROFIBUS网络部件：通信介质-电缆总线部件-总线连接器、中继器、耦合器、链路网络转接器-串行通信、以太网、AS-i、EIB系统人机界面设备(二类主站，可选)：TP/OP设备经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备工程及诊断工具网络配置、诊断工具、剥线工具PROFIBUS网络的构成12/1/202211PROFIBUS主站(一类主站，必需)：PROFIBUS12/1/20221211/30/202212三、总体布局设计1总体性能指标

生产节拍：生产线效率：其中：：混合流水线的平均节拍；：计划期有效工作时间；：计划期内第k种产品的计划产量；：加工零部件或系列产品的种类数目其中：：第k种产品在第j道工位的实际加工时间；：生产的总时间。：有效生产时间；生产冗余率

：生产线总平衡迟延

其中：：工位数

12/1/202213三、总体布局设计1总体性能指标生产节拍：生产线效率：其中2工艺评价

节拍评价：节拍平衡是通过将各工序的生产时间与由生产纲领决定的生产线节拍进行比较，评价工艺方案确定的合理性；质量评价：产品的质量反映的是产品满足用户期望值的程度；柔性评价：制造系统适应某种变化的能力，包括机器人柔性、流程柔性、混流柔性、生产柔性和工序柔性。12/1/2022142工艺评价节拍评价：节拍平衡是通过将各工序的生产时间与由3焊装主要生产流程12/1/2022153焊装主要生产流程11/30/2022154总体布局设计12/1/2022164总体布局设计11/30/202216四、整线控制系统研究1系统硬件框架设计控制系统从逻辑控制角度将白车身焊装线划分为多工位工作站，采用以PLC为核心的PROFIBUS-DP总线冗余环网式控制，考虑现场设备的信号量，具体划分为六段PLC控制区域，车身地板线为PLC1，主线分为PLC2和PLC3，物流输送系统为PLC4、PLC5和PLC6。12/1/202217四、整线控制系统研究1系统硬件框架设计控制系2系统网络框架12/1/2022182系统网络框架11/30/2022183机器人单元控制技术焊装线机器人作业主要是以机器人为工作载体，构建焊装线机器人控制系统,在机器人末端加载多种执行器来完成具体工作，机器人末端执行器在焊装线应用场合上总体可分为焊接设备类、抓具设备类、标号设备类和涂胶设备类，为保证实现焊装线的柔性以及机器人的多适用性，机器人控制系统采用分级PROFIBUS-DP总线控制来满足不同末端执行器的灵活切换。12/1/2022193机器人单元控制技术焊装线机器人作业主要网络组态PS5000BOSCHMEDIUMFREQUENCYWELDINGTIMERET200SIP67ET200R-H现场模块ET200R-W现场模块SMCVALVEUNITET200R-H现场模块主要实现STAMPER的气路动作控制BORRISESTAMPER12/1/202220网络组态PS5000BOSCHMEDIUMFREQ机器人程序模块化设计利用机器人控制器中PROFIBUS卡的主站接口，采用总线分层控制方式构成第三级PROFIBUS网络来实现对机器人对其外围设备的控制。（1）焊枪控制及模块编程（2）抓具控制及模块编程（3）工具切换控制及模块编程（4）SPS函数12/1/202221机器人程序模块化设计利用机器人控制器中PROF机器人程序框架12/1/202222机器人程序框架11/30/202222机器人工作流程12/1/202223机器人工作流程11/30/2022234整线控制技术PLC1的网络组态12/1/2022244整线控制技术PLC1的网络组态11/30/20222整线PLC程序模块化设计整线控制系统使用模块化的编程思想对焊装线控制程序进行了系统的规划，对焊装线常用设备建立了一致的接口和控制量，形成相对独立的功能程序模块。通过组合相应功能模块和配置模块之间的接口变量完成整线控制系统的编程工作。12/1/202225整线PLC程序模块化设计整线控制系统使用模块化模块化设计功能块、数据块的定义功能的定义12/1/202226模块化设计功能块、数据块的定义功能的定义11/30/2022PLC程序接口单元控制机器人接口单元控制吊具接口单元PLC与PLC数据通讯12/1/202227PLC程序接口单元控制机器人接口单元控制吊具接口单元P工艺流程控制12/1/202228工艺流程控制11/30/202228GRAPH功能块整条焊装线的顺序逻辑控制需要根据工艺规划划分为相对独立的子功能系统协调完成机器人焊装线的工作任务，形成PLC整线控制程序。12/1/202229GRAPH功能块整条焊装线的顺序逻辑控制需要整线监控与故障诊断（1）机器人子系统安全监控与报警在控制系统，机器人作为相对独立的子系统控制着大量现场设备，包括焊接设备、抓具以及水气等辅助设备。根据工程需要机器人子系统针对现场设备的应用专门开发的功能包中包含着完整的系统监控与报警功能；12/1/202230整线监控与故障诊断（1）机器人子系统安全监控与报警（2）PLC系统安全监控与报警整线PLC控制系统编程采用S7-PDIAG来完成对现场设备和程序的安全监控与故障处理，利用现场的HMI设备和显示屏完成安全监控操作与确认。S7-PDIAG功能块与数据块的定义S7中HMI程序块12/1/202231（2）PLC系统安全监控与报警整线PLCHMI对设备的监控与显示12/1/202232HMI对设备的监控与显示11/30/202232五、安全防护设计1安全防护技术安全继电器传统安全控制回路通常采用硬配线继电器以及固态电路逻辑控制器作为控制单元12/1/202233五、安全防护设计1安全防护技术安全继电器传安全PLC具有强大的逻辑处理能力快速的响应速度良好的实时性方便容易的逻辑编程组态以及紧凑、可靠的模块化硬件结构12/1/202234安全PLC具有强大的逻辑处理能力11/30/202234安全总线系统内部固有的安全协议可以保证整个系统的安全性。协议中规定的数据冗余、交错互检等功能保证了数据传输的高可靠性及故障诊断快速及时。12/1/202235安全总线系统内部固有的安全协11/30/2022352安全控制系统布局12/1/2022362安全控制系统布局11/30/2022363安全控制程序设计整线采用PILZPSSWIN-PRO软件实现安全控制系统的程序设计，采用统一配置I/O方式，模块化的编程思想实现整线安全控制系统的程序设计工作。处理E-Stop信号的功能块处理安全门控制逻辑的程序12/1/2022373安全控制程序设计整线采用PILZPS（1）对机器人柔性焊装线工艺流程及总体布局进行系统研究与分析，在着重研究理论的基础上根据工艺要求与工艺规划，以一条机器人柔性焊装线为例，规划设计整线控制系统的工艺布局；（2）构建基于PROFIBUS－DP现场总线技术的机器人柔性焊装线整线控制系统，对整线控制策略及控制方式进行分析与研究，实现多层分级总线架构的整线控制系统，完成对系统整线控制程序的标准化、模块化设计；（3）构建基于PROFIBUS－DP现场总线技术的机器人控制系统，对机器人控制策略及控制方式进行分析与研究，实现机器人控制程序设计，完成机器人系统控制程序的标准化、模块化；（4）阐述了机器人柔性焊装线安全防护的重要性，并根据焊装生产安全等级的要求，提出了建立在Safetyp总线基础上的安全防护系统，完成安全系统控制程序的标准化、模块化。六、总结1主要工作12/1/202238（1）对机器人柔性焊装线工艺流程及总体布局进行系统研究与分析2进一步研究的问题

（1）基于系统仿真的工作节拍分析及生产流程优化（2）远程故障诊断系统的研究采用仿真软件，建立整个生产过程的仿真模型，通过运动仿真分析生产过程中存在的问题及影响工作节拍的因素，得到最优的参数设置，实现优化生产流程，缩短生产节拍，提高生产效率的目的；建立远程故障诊断系统，使生产线具备故障远程诊断功能，当发生用户无法排除的故障时，用户通过启动远程故障诊断系统向制造商发出故障诊断请求，系统制造商通过网络读取生产线运行状态数据，判断故障原因，指导用户排除故障，在最短的时间内恢复生产。12/1/2022392进一步研究的问题（1）基于系统仿真的工作节拍分析及生产谢谢12/1/202240谢谢11/30/202240机器人柔性焊装线的整线控制技术研究答辩人：王长润指导教师：王健强教授2009-04-1212/1/202241机器人柔性焊装线的整线控制技术研究答辩人：王长润11一、概述二、机器人柔性焊装线技术分析三、机器人柔性焊装线总体布局设计四、机器人柔性焊装线控制系统研究五、机器人柔性焊装线安全防护设计六、总结12/1/202242一、概述11/30/20222一、概述结合国内白车身机器人焊装线发展现状，本文主要从自动化控制角度入手，以模块化的、面向实际应用对象的编程策略实现整个车间的自动化控制，实现底板线以及主拼线的自动化控制，实现现场生产信息的管理及监控。模块化的、面向对象的编程策略可以把焊装线上大量的被控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口，这些接口包括控制、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PLC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。通过使用整线控制，一段区域内的设备都由同一个PLC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、机器人以及MES信号的收集都在同一个PLC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。12/1/202243一、概述结合国内白车身机器人焊装线发展现状二、技术分析机器人焊装线是将车身冲压件装配、焊接成白车身的机器人系统集成生产线。柔性焊装线的自动化装备、控制方式、系统集成技术决定着机器人焊装线的整体技术水平。（1）设备利用率高（2）整线的生产效率提高（3）生产能力相对稳定（4）产品质量高（5）焊接设备运行灵活（6）产品应变能力大12/1/202244二、技术分析机器人焊装线是将车身冲压件装配、1工业机器人系统机器人硬件结构机器人控制系统结构12/1/2022451工业机器人系统机器人硬件结构机器人控制系统结构11/机器人系统在焊装线上的应用：1、搬运2、焊接3、上下料4、涂胶5、在线检测6、打标7、滚边8、切割等等

在机器人上加载不同的末端执行机构，配置相对应的外围设备即可实现不同的功能应用以满足机器人柔性焊装线上的工艺要求。12/1/202246机器人系统在焊装线上的应用：1、搬运2夹具系统焊装夹具是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和夹紧工具。它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。在生产过程中，焊装夹具除了完成本工序的零件组焊、定位外，还承担检验和校正上道工序焊合件的焊接质量的任务，因此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。12/1/2022472夹具系统焊装夹具是焊装工装的重要组成部分总拼夹具形式

1、平移式2、铰链翻转式3、立柱式4、垂直升降式12/1/202248总拼夹具形式1、平移式11/30/202283输送系统

物流输送系统是焊装线设备的重要组成部分，负责白车身零部件的上件及整车的输送等，其主要结构形式有步进式输送、夹具移动输送、往复输送、滑橇输送和自行或手动吊具输送等。12/1/2022493输送系统物流输送系统是焊装线设备的重要4总线通讯

现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含过程控制信息交换，还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节阀、分析仪和分布式I/O单元）都可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层上实现。目前，使用较多的现场总线主要是FUNDATIONFIELDBUS基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构为DCS（DistributedControlSystem）的一种。12/1/2022504总线通讯现场总线是应用于过程控制现场的PROFIBUS主站(一类主站，必需)：SIMATICPLC,SIMATICWinCC控制器，支持主站功能的通讯处器,IE/PB链路模块，ET200S/ET200X的主站模块PROFIBUS从站：ET200系列分布式I/O，支持DP接口的传动装置，支持从站功能的通讯处理器，其它支持DP接口的输入、输出或智能设备PROFIBUS网络部件：通信介质-电缆总线部件-总线连接器、中继器、耦合器、链路网络转接器-串行通信、以太网、AS-i、EIB系统人机界面设备(二类主站，可选)：TP/OP设备经由通讯处理器连接到网络的计算机及编程设备工程及诊断工具网络配置、诊断工具、剥线工具PROFIBUS网络的构成12/1/202251PROFIBUS主站(一类主站，必需)：PROFIBUS12/1/20225211/30/202212三、总体布局设计1总体性能指标

生产节拍：生产线效率：其中：：混合流水线的平均节拍；：计划期有效工作时间；：计划期内第k种产品的计划产量；：加工零部件或系列产品的种类数目其中：：第k种产品在第j道工位的实际加工时间；：生产的总时间。：有效生产时间；生产冗余率

：生产线总平衡迟延

其中：：工位数

12/1/202253三、总体布局设计1总体性能指标生产节拍：生产线效率：其中2工艺评价

节拍评价：节拍平衡是通过将各工序的生产时间与由生产纲领决定的生产线节拍进行比较，评价工艺方案确定的合理性；质量评价：产品的质量反映的是产品满足用户期望值的程度；柔性评价：制造系统适应某种变化的能力，包括机器人柔性、流程柔性、混流柔性、生产柔性和工序柔性。12/1/2022542工艺评价节拍评价：节拍平衡是通过将各工序的生产时间与由3焊装主要生产流程12/1/2022553焊装主要生产流程11/30/2022154总体布局设计12/1/2022564总体布局设计11/30/202216四、整线控制系统研究1系统硬件框架设计控制系统从逻辑控制角度将白车身焊装线划分为多工位工作站，采用以PLC为核心的PROFIBUS-DP总线冗余环网式控制，考虑现场设备的信号量，具体划分为六段PLC控制区域，车身地板线为PLC1，主线分为PLC2和PLC3，物流输送系统为PLC4、PLC5和PLC6。12/1/202257四、整线控制系统研究1系统硬件框架设计控制系2系统网络框架12/1/2022582系统网络框架11/30/2022183机器人单元控制技术焊装线机器人作业主要是以机器人为工作载体，构建焊装线机器人控制系统,在机器人末端加载多种执行器来完成具体工作，机器人末端执行器在焊装线应用场合上总体可分为焊接设备类、抓具设备类、标号设备类和涂胶设备类，为保证实现焊装线的柔性以及机器人的多适用性，机器人控制系统采用分级PROFIBUS-DP总线控制来满足不同末端执行器的灵活切换。12/1/2022593机器人单元控制技术焊装线机器人作业主要网络组态PS5000BOSCHMEDIUMFREQUENCYWELDINGTIMERET200SIP67ET200R-H现场模块ET200R-W现场模块SMCVALVEUNITET200R-H现场模块主要实现STAMPER的气路动作控制BORRISESTAMPER12/1/202260网络组态PS5000BOSCHMEDIUMFREQ机器人程序模块化设计利用机器人控制器中PROFIBUS卡的主站接口，采用总线分层控制方式构成第三级PROFIBUS网络来实现对机器人对其外围设备的控制。（1）焊枪控制及模块编程（2）抓具控制及模块编程（3）工具切换控制及模块编程（4）SPS函数12/1/202261机器人程序模块化设计利用机器人控制器中PROF机器人程序框架12/1/202262机器人程序框架11/30/202222机器人工作流程12/1/202263机器人工作流程11/30/2022234整线控制技术PLC1的网络组态12/1/2022644整线控制技术PLC1的网络组态11/30/20222整线PLC程序模块化设计整线控制系统使用模块化的编程思想对焊装线控制程序进行了系统的规划，对焊装线常用设备建立了一致的接口和控制量，形成相对独立的功能程序模块。通过组合相应功能模块和配置模块之间的接口变量完成整线控制系统的编程工作。12/1/202265整线PLC程序模块化设计整线控制系统使用模块化模块化设计功能块、数据块的定义功能的定义12/1/202266模块化设计功能块、数据块的定义功能的定义11/30/2022PLC程序接口单元控制机器人接口单元控制吊具接口单元PLC与PLC数据通讯12/1/202267PLC程序接口单元控制机器人接口单元控制吊具接口单元P工艺流程控制12/1/202268工艺流程控制11/30/202228GRAPH功能块整条焊装线的顺序逻辑控制需要根据工艺规划划分为相对独立的子功能系统协调完成机器人焊装线的工作任务，形成PLC整线控制程序。12/1/202269GRAPH功能块整条焊装线的顺序逻辑控制需要整线监控与故障诊断（1）机器人子系统安全监控与报警在控制系统，机器人作为相对独立的子系统控制着大量现场设备，包括焊接设备、抓具以及水气等辅助设备。根据工程需要机器人子系统针对现场设备的应用专门开发的功能包中包含着完整的系统监控与报警功能；12/1/202270整线监控与故障诊断（1）机器人子系统安全监控与报警（2）PLC系统安全监控与报警整线PLC控制系统编程采用S7-PDIAG来完成对现场设备和程序的安全监控与故障处理，利用现场的HMI设备和显示屏完成安全监控操作与确认。S7-PDIAG功能块与数据块的定义S7中HMI程序块12/1/202271（2）PLC系统安全监控与报警整线PLCHMI对设备的监控与显示12/1/202272HMI对设备的监控与显示11/30/202232五、安全防护设计1安全防护技术安全继电器传统安全控制回路通常采用硬配线继电器以及固态电路逻辑控制器作为控制单元12