施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决方案V.docx

施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决方案V.docx

《施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决方案V.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决方案V.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

施耐德电气汽车焊装车间电气自动化系统解决方案V

汽车焊装车间侧围生产线

电气自动化系统解决方案

PE&SIDS

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（也称为白车身，Bodyinwhite）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，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，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PremiumPLC系统、HMI、IP67分布式IO，Fanuc焊接机器人，RFID，分布式advancedDIO，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，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。

2.2.2GE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,Movement

Entity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GMM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TSXPREMIUM上的应用程序的限制，TSXPREMIUM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；