基于PLC 控制的氧传感器紧固防错系统设计与应用

许 欢，张 楠，冉启勇

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司，武汉 430070）

在汽车整车装配过程中，大部分零部件的联接都是通过螺栓、螺母等紧固件联接而成，紧固件的联接在汽车装配制造中的工作量约为31%[1]。紧固件联接质量的好坏也直接影响着驾乘人员的生命、财产安全，关系到企业的信誉，是总装装配过程中的“生命线”。而我国对于汽车质量安全高度关注，对于存在质量缺陷的汽车，根据国家有关法律的规定需要依法进行召回，并对缺陷车辆进行调查。

在总装车间汽车装配过程中，对于所有涉及安全、法规的紧固件及大部分涉及功能的紧固件，均采用传感器式电动工具进行紧固。传感器式电动工具精度高，稳定性好，紧固精度可高达3%，能有效保证零件紧固质量；同时，电动工具通过电缆与控制器的连接，并利用串口实现PLC 信号输入和输出，最终实现扭矩的精准控制。

总装车间零件的安装分为在线工位安装和离线工位安装。在线工位的紧固件紧固可以通过动力工具控制器与暗灯相连来实现扭矩控制；当工具紧固合格时，动力工具将通过控制器输出合格信号给暗灯系统，系统将正常运行；当工具紧固的扭矩不合格时，动力工具的控制器将无法输出合格信号给暗灯系统，暗灯系统未接收到合格信号将流水线暂停，车辆将停于线尾，需要重新将紧固件紧固至合格或者利用钥匙将开关解锁，流水线才会继续运行，这保证了紧固件扭矩的控制质量。但离线工位无法直接与暗灯系统相连，员工只能通过观察动力工具信号灯和控制器显示屏判定扭矩是否合格，质量漏出风险较大，无法有效保证扭矩准确性。

随着信息技术的快速发展，PLC 控制技术取得了重大的突破，这使得PLC 控制技术成为了工业自动化的核心技术，有效满足了各种工业自动化产品的控制要求。PLC 控制系统因其编程简单、灵敏度高、操作简单和控制功能易于修改等优点逐渐取代接触式继电器控制系统，广泛应用于汽车制造行业[2]。本文以某工厂总装车间离线工位氧传感器紧固为例，引进PLC 控制系统对扭矩紧固进行控制，实现扭矩的有效管理，PLC控制系统的使用对企业生产效率的提升和智能制造升级具有里程碑式的意义。

1 氧传感器紧固控制要求

氧传感器又被称为排气氧传感器，用于汽车发动机，作用就是通过实时监测发动机排出的尾气中氧离子的含量以此计算获取混合气体的空燃比信号，并将获得的空燃比信号转化为发动机控制单元（ECU，Engine Control Unit）可识别的电信号，通过汽车线束传递给ECU。ECU 会根据氧传感器输入的信号，对汽车的喷油量进行修正，实现空燃比的逆向反馈控制。当实际空燃比高于理论空燃比时，减少喷油量；当实际空燃比低于理论空燃比时，增加喷油量，从而有效地将过量空气系数λ 控制在0.98~1.02 的理论最佳范围内，使发动机能持续得到最佳浓度的混合气，有效降低一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等有害气体的排放量，实现节约燃油、保护环境的目的[3]。

氧传感器属于法规零件，产品要求采用PS1 特殊特性代码进行控制，需采用传感器式电动工具进行紧固，并实现暗灯停线控制。由于车间工艺排布的要求，氧传感器安装至前节排气管的工艺操作无法在主线进行，只能在离线工位进行操作，也无法实现暗灯停线，紧固质量无法保证，只能利用人工进行识别。

按照过程控制要求及车间现有工艺顺序，员工取排气管放置定位托台并预拧氧传感器，取电动工具紧固氧传感器至工具亮绿灯，目视氧传感器紧固到底，并画漆笔进行确认，后道工位员工进行二次目视检查并画二次漆笔进行确认，如图1 所示。使用的动力工具型号为APEX 48EAE58AM3，紧固精度为3%，配套使用MPro4000GC 控制器，可利用串口实现PLC 信号输入和输出，最终实现扭矩控制。

图1 原氧传感器紧固工艺

产品释放的氧传感器紧固标准扭矩为D46+/-4 Nm S42-50 Nm，当紧固扭矩过高或过低时，存在氧传感器在车辆行驶过程中松脱的情况，当氧传感器松脱后，电子燃油喷射系统将无法收到排气管中氧浓度的信息，从而无法实现对空燃比的精准反馈控制，汽车发动机的油耗将会明显提升，一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等有害气体的排放量也会显著提升，同时发动机也会出现怠速不稳、缺火和喘振等故障现象，直接影响汽车驾乘人员的行驶安全。

“人都是会犯错的”，现使用的氧传感器离线工位安装工艺无法有效实现扭矩的精准控制，对产品质量的控制有较大影响。利用PLC 控制系统与APEX MPro4000GC 控制器来实现氧传感器紧固扭矩控制，一方面可以实现离线工位扭矩控制质量的不断提升，另一方面还可以减少操作浪费，减少工时，提升生产企业的经济效益。

2 氧传感器紧固防错系统设计

2.1 系统工作原理

氧传感器紧固防错系统基本工作原理如图2 所示。员工取排气管放置于定位托台，取氧传感器并预拧氧传感器至前节排气管，固定式扫描枪自动扫描排气管自带零件标签，同时位置传感器检测零件放置到位，员工方可双手按下气缸夹紧按钮，此时电磁阀通电，气缸锁紧，PLC 给电动工具控制器输入使能信号，工具方可工作，员工取电动工具紧固氧传感器至工具亮绿灯，控制器输出合格信号给PLC，PLC 控制气缸松开，员工检查氧传感器紧固到位后，员工取出排气管。

图2 氧传感器紧固防错系统工作原理

2.2 系统硬件

2.2.1 扫描枪、定位及夹持机构选型

由于车间同平台多车型共线柔性化生产，不同车型之间使用的排气管结构不同，故定位托台需满足多个车型同时使用。根据不同排气管之间相同结构，采用凹槽式托台并配以固定销进行定位。为防止紧固过程中排气管受力后头部翘起，故采用气缸推动机构进行夹紧。

为防止前节排气管未放置到位，员工便按下启动按钮，造成安全事故，本系统采用KEYENCE ED-118U 独立型金属接近传感器，可检测到最远11 mm 的物体接近并输出信号。只有当传感器检测到前节排气管完全放置到位，电磁阀才能导通给气缸供气，员工双手按下启动按钮时，夹头才能夹紧排气管。

本系统选用ZEBRA DS457 固定式扫描器，此扫描器具备充分的全向扫描功能，无须将条码与阅读器精确对齐。同时，通过集成扫描触发器，可在投射模式下实现免持自动扫描，减少了员工操作。通过位置调试，实现了不同车型间排气管的扫描。

2.2.2 PLC 选型

PLC 是氧传感器紧固防错控制系统的核心，在选择PLC 时，应重点考虑CPU 的性能、指令系统的可靠性、输入/输出点数和物理结构的类型等。

通过分析氧传感器紧固防错控制系统的运行原理，制定了PLC 的地址分配表（表1），本系统共需7 个输入端子及2 个输出端子来实现系统的有效控制。

表1 氧传感器紧固防错PLC 地址分配表

通过对比选型，由西门子公司生产的S7-200 系列PLC 硬件可实现氧传感器紧固防错控制系统PLC 地址的分配[4]。S7-200（CPU224）型号的PLC 内存为5 KB，有6 个计数器和256 个定时器，可实现14 个信号输入和10 个信号输出。

图3 为氧传感器紧固防错控制系统PLC 和相关信号的接线图。

图3 PLC 外部接线图

2.3 系统软件

顺序控制是PLC 控制技术中的一个重要控制方法，其原理是根据制造过程中生产工艺顺序需求，在不同的输入信号作用下，根据内部状态和时间顺序，各执行单元在生产制造过程中自动、有序地实现工艺操作。

顺序功能图（Sequential Function Chart，简称SFC）是一种专门用来描绘控制系统的控制过程、功能及特性的图形。在使用PLC 控制技术进行顺序控制时，程序的设计思想常常用顺序功能图来准确、形象地进行描述，然后再根据顺序控制指令编写符合程序设计思想的程序[5]。

本文根据氧传感器紧固防错系统的工作原理及相应的控制要求，按照每个输出量不同的状态变化，将防错系统一个运行工作周期有效地分为5 个执行步，5个执行步顺序相连（M0—M4），最终实现氧传感器的有效紧固。如图4 所示，即利用PLC 设计的氧传感器紧固防错系统的功能流程图。

图4 氧传感器紧固防错功能流程图

3 结束语

本文设计了一种基于PLC 控制的氧传感紧固防错系统，可用于氧传感器在离线工位的紧固。该系统将动力工具与PLC 系统相结合，并利用机械夹紧机构保证了扭矩的有效性和准确性。

氧传感器紧固防错系统结构简单，效率高，上线使用后，现场返工次数降为0，质量溢出风险降为0，有效地保证了产品质量。同时此系统的工作原理可推广至众多离线工位紧固件的紧固，对提升产品的质量有巨大的理论意义和实际价值。