PLC 在汽车生产线控制中的应用与优化

章 楠

（中国第一汽车股份有限公司，长春 130011）

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）性能优越，所占内存较少，能够最大限度满足控制需求。PLC 利用网络实施连接，由于难免出现网络延时问题，当前急需增强其实时性。

1 PLC 在汽车车桥焊接生产线控制中的应用与优化

1.1 PLC 网络控制系统

汽车车桥焊接生产线飞速发展，对焊接操作提出更高要求，相关设备应足够精确并达到更高质量水准。为实现该目标，将网络化先进控制系统应用于焊接生产线，以此提高其技术水平。以PLC 技术为基础构建网络控制系统并投入应用，能够加强对汽车焊接生产线的控制。在此期间，首先应掌握生产线规范化工艺程序，明确控制方式及PLC 实施步骤，从整体上控制生产线，贯彻落实焊接操作。

该系统的设计要求如下。第一，针对生产线中的设备实施分布式控制。第二，焊接生产线所有设备均可独立控制和运作。第三，系统具有显著抗干扰性能，即使处于恶劣环境，仍旧能够正常运行。第四，系统具有较强的可靠性，引入PLC 网络控制系统。第五，针对整体焊接生产线实施远程监控，主要涉及生产进度调整、故障排除等。

1.2 底层控制系统

在汽车车桥焊接生产线中，各环节均占据重要地位，包含控制层和底层执行机构等，这是焊接工作中的重点环节。针对底层控制系统，其所选取的硬件元件可以是PLC 中的Q12HCPU 或者FC2NCPU 等。结合执行机构来看，可将双机器人等作为离子设备。其由支架、底座等构成，并通过搭设电缆有机结合。

1.3 3 层PLC 与监控

1.3.1 3 层PLC

3 层PLC 网络控制系统主要由以太网、H 网、CC-Link 网这3 个通信模块构成，并且各个构成部分具有以下功能。首先，以太网属于上端网络设施，负责各部门之间的信息传递和连接。其次，H 网负责控制器通信，具有通信快、可靠性强等优势。最后，CC-Link 网负责PLC 集成设计，并且能够减少与其他设施之间的线路连接，具有灵活度高、配置优越等优势。

1.3.2 监控系统

上位监控即为监控生产线动态，确保汽车车桥焊接作业顺畅，各处设备控制点均应加设人机交互界面，并且在中央控制系统中制作生产线监控图，以确保所有设备发挥良好控制作用。监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）功能相对完善，使用方便，能够收集现场数据以及实施后续监督和控制。该平台主要包括5 个窗口，分别为主控、设备、用户、数据和运行。平台的工作方式如下：合理利用设备控制程序，实现同外部设备之间的信息传递与共享；作为动画交互控制系统，可以利用图形显示功能；各类网络结构与各种终端相连，进而实施分布式网络控制；能够采用自定义控制方式，形成单独的运行策略。

2 PLC 在汽车冲压生产线控制中的应用与优化

2.1 PLC 压机线模拟仿真系统

我国的冲压整线模拟技术相较于国外发展较慢，极少主机厂利用冲压运动仿真PLC 软件实施冲压线和模具集成模拟分析数字化平台研究[1]。在相关设备与模具之间利用自动化技术进行连接，该技术是生产线连续节拍的决定性因素。

2.2 压机线模拟仿真技术的应用

2.2.1 PLC 在模具设计环节的应用

PLC 技术的首要优势为能够在模具生产期间进行自动化模拟分析。相关自动化工程师能够采用详细布局（Detailed Layout，DL）图会签操作时获取的产品数据建立每道工序合适的模型，根据工序件布设、吸盘布设布置等相关信息数据，应用PLC 技术完成自动化曲线的初步设计，然后结合模具结构实际应用该技术详细分析其“无干涉空间”，以此在结构图会签过程中干涉校验。相关人员能够结合“无干涉空间”模型及时讨论和优化，从而获得符合工艺规定的最合适的模具结构。

2.2.2 PLC 在提升机械手运动速度中的应用

在利用PLC 技术的过程中，结合传输机械手运动曲线，采用相关设计工具反复加快机械手的运动速度。该技术能够以传输机械手为主体，更加方便、快捷地设计各个运动轴的具体运动曲线，而且更加直观地检测运动状态下上下模之间需要保持的安全距离，从而在满足安全需求的前提下尽可能加快整体生产线的生产节拍[2]。此外，能够调节机械臂姿态，改进机械手每个轴的匹配动作，有效加快机械手的运动速度。

以诸多传输机械手为对象实施联动调试操作，前后两端机械手和同一压机所形成的干涉区域容易出现不对称情况，而合理调节相位差能够有效平衡干涉曲线。同时，PLC 技术可以在相位匹配条件下缩短传输机械手距离，扩大滑块运动空间，优化整体生产线的生产节拍。

2.2.3 PLC 在滑块曲线设计中的应用

在加强推广伺服技术的过程中，伺服电机被更加普遍地应用在压力机中，以此设计形成滑块曲线。相关工艺操作人员能够按照模具工艺特征和性能合理设计模具生产方面的滑块曲线，适当缩短滑块运动时间，以达到工艺要求，并尽可能加快整体生产线的生产节拍。此外，该技术能够根据模具数据离线规范设计自动化曲线，缩短自动化在线调试时间，降低设备调试成本。

3 PLC 在汽车涂装生产线控制中的应用与优化

当前，PLC 功能日渐丰富，起到的作用也不断增强。通过渗透PLC 结构化编程理念以及搭建PROFINET技术平台，为汽车制造业注入活力。从现阶段汽车涂装控制系统来看，PLC 占据核心地位[3]。

3.1 PLC 在涂装生产线控制中的常规应用

在汽车涂装生产线控制中，利用PLC 能够控制其底漆喷涂、面漆喷涂等多项作业。借助编程功能与传感器反馈功能，能够精确控制实施喷涂作业的速度、剂量以及机械臂运动，由此保证涂层具有较强均匀性且质量达标。

实施涂装期间，温湿度因素会对涂层质量产生很大影响。利用PLC 能够监控涂装室内温湿度，按照设定值合理调节，创设稳定工作环境，在提高涂层质量的同时减小负面影响。对于喷涂速度、剂量、距离等各项涂装参数，利用PLC 能够做好存储与管理工作。相关作业人员可以利用人机界面实现与PLC 的交互，改进涂装参数，从而符合各类产品的涂装要求。

PLC 可实施故障诊断，实时监控设备状态及其异常。一旦发生涂装故障，可利用PLC 快速识别并发送报警信息，方便尽快实施针对性维修，缩短停机时间，降低生产损失。在涂装作业实施期间，可利用PLC 收集与记录喷涂剂量、速度等各项重点数据。此外，PLC可以根据所得数据进行涂装分析，从而提高涂装效率和质量[4]。

3.2 PLC 在涂装生产线控制中的应用拓展

3.2.1 标准化

汽车涂装控制系统的控制对象多样，控制逻辑类型主要划分为或、与、非等相对简单的数学逻辑。因此，减小喷漆、烘干等工艺功能差异，掌握控制逻辑相似点，能够编制出符合不同设备要求的标准化模块程序。基于此，相关技术人员能够以PLC 为基础合理构建数学模型，同时开发专用指令，从而在很大程度上提高设计、维护效率。另外，针对常规涂装设备加强研发、制作具有智能化特征的专用硬件控制装置，并利用PLC 技术构建指令系统。

3.2.2 节能

现阶段，汽车涂装生产线中大量设备启动顺序采用人工控制方式，出现工件和设备相互等待的情况，不但降低了效率，还造成了能源浪费。因为汽车涂装车间产生很大能耗，通过建立生产线能够大幅减少能源浪费，所以应先在PLC 之间建立规范化的通信网络，保障信息交换畅通，不同系统的PLC 再结合关联设备情况实施信息顺序启动操作[5]。此外，停止过程与故障后启动过程也应实现最优化。

3.2.3 采样统计分析预诊断

现阶段，一些汽车涂装车间仍未建立上位监控系统，没有开发预诊断功能，而通过PLC 能够丰富预诊断功能。例如，利用PLC 采集部分参数样本，然后采用数学随机统计方式详细分析其趋势，一旦发现偏离基准的趋势，便可认定为预期故障。

3.2.4 系统保护

PLC 能够利用编制保护程序避免设备故障。例如，简单滤波程序可以避免电磁干扰、多方面辨别矛盾信息、阻止不当运行状态等。又如，客车喷漆室中的空调风机和排风机未同时运行，且室体门关闭，此时PLC 会暂停处于运行状态的风机。

3.2.5 利用PROFINET 提升灵活性和可靠性

在汽车涂装车间，若使用西门子1500 系列PLC，则应选取PROFINET 网络结构，以此为PLC 控制区域灵活划分奠定良好基础，方便涂装车间进行冗余配置。如果某一PLC 发生故障，能够通过相邻PLC 实施控制。如果系统某一区域必须具备较强的可靠性，则应实施交叉比较控制，以此提升该区域的可靠性[6]。

3.2.6 CBA 理念和小型PLC 的应用

利用PROFINET 技术，一方面能够充分发挥涂装车间的良好作用，提升其灵活性和可靠性；另一方面还能搭建符合基于组件的自动化（Component Based Automation，CBA）技术使用要求的平台。由于涂装车间控制逻辑标准化具有较强可行性，并且PROFINET技术相对成熟，同时生产制造技术不断朝着柔性化、层次化等方向发展，急需将CBA 技术应用于涂装生产线。在标准化与CBA 技术不断优化发展的背景下，分布式控制理念受到更多关注，其不仅可以让实现PROFINET 通信目标的规模较小的专用PLC 在汽车涂装生产线控制中起到更加显著的作用，还可以方便工艺人员调节控制系统程序。另外，当前PLC 功能逐渐融入智能驱动功能，一些PLC 也许会履行区域管理职责，从而形成全新软件平台。

3.2.7 随机控制

汽车涂装车间实现柔性化，表明变化因素越来越多，包括计划因素、节拍因素等，为PLC 程序带来严峻挑战。但是，在PLC 功能日渐丰富且容量不断增加的条件下，可以利用PLC 随机控制设备，由此更加积极有效地应对变化。首先需要制定可行性变化应对策略，然后开发策略执行逻辑，进而有机结合策略层和逻辑层。

4 PLC 在汽车动力总成生产线控制中的应用与优化

4.1 发动机变速器分装线总成分装线

该分装线负责安装配置发动机和油管等。相关操作人员借助KBK 电动葫芦起吊发动机，将其放置于上层第一工位托盘上，进而在其他工位实施安装配置，并将工件与托盘置于升降机位置，然后利用电动葫芦起吊当前已经装配完成的动力总成，使其到达前桥和动力总成合装线位置。利用升降机将空托盘置于下层，再利用另一台升降机使其升至上层，以此形成工作循环。在第一工位处，利用电动葫芦起吊变速器总成，将其放置于变速器合装台位置，采取手动方式完成变速器合装，并紧固螺栓。合理设置线体长度、托盘数量，均匀布设工位，在上层选取双边驱动摩擦滚道，按照相应间距安装减速电机，同时在下层布设倍速链，并在其前端安装减速电机。

4.2 后桥分装线

该分装线负责安装配置后桥总成，相关操作人员借助电动葫芦起吊后桥总成，将其放置于上层第一工位托盘位置，进而落实各项装配操作。完成该项操作后，利用电动葫芦起吊已经完成装配的后桥总成，使其到达后桥合装线处，以此形成工作循环。

4.3 确定PLC 输入、输出点

明确PLC 的输入点和输出点，也就是输入/输出（Input/Output，I/O）地址的分配。安装总控制柜，可选取西门子1500 系列的PLC，其中包括规模较大的程序存储器与中央处理器，既可以用于集中式I/O 结构，也可以用于分布式自动化结构。结合动力总成分装线具体状况，其线体位置构建的PLC 控制系统使用PROFIBUS 总线结构。不管是输入点还是输出点，均需预留10%及以上余量，确定合适的输入点、输出点及其备用点。

4.4 程序的编写与调试

以西门子1500 系列编程软件为例，选取STEP7V5.5简体中文版。开启STEP7 管理器，贯彻落实硬件组态，可分为4 个部分：新建STEP7 项目、插入新对象、选择插入的300 站、配置具体模块。根据模块具体组态信息，双击各模块均可弹出“Properties”对话框，相关操作人员能够按照要求设置一系列参数。在硬件组态窗口下，完成硬件组态操作后，通过单击“编译”按钮及时保存现阶段的硬件组态，最后单击“下载”按钮。

5 PLC 在汽车总装生产线控制中的应用与优化

5.1 硬件调试

实施程序调试操作时，要连接个人计算机（Personal Computer，PC）和PLC，采取PC 或编程设备（Programming Device，PG）通信方式进行连接。需注意，要注重选择高性能的PLC 来改善布局、减少延迟，并加入冗余设计，以增强可靠性。同时，提高程序运行效率，运用高级控制算法优化精度和速度，并定期维护、升级程序，改善PLC 与其他系统的集成，利用高速通信技术提高数据交换效率和稳定性。

5.2 软件调试

5.2.1 程序的上传和下载

对程序进行上传或者下载时，应采取梯形逻辑（Ladder Logic，LAD）等编辑器开启所需上传和下载的相关程序块，进而选择上传或下载按钮。

5.2.2 建立在线连接

规范连接程序下载线和PLC，然后单击在线按钮，以此完成在线连接。观察下载程序块，保证能够进行在线删除等操作。此外，单击离线按钮方可停止在线连接。

5.2.3 利用监视方法调试程序

当监视程序运行操作时，一定要处于在线状态，通过监视工具可以实时查看PLC 的输入输出信号、内部变量以及程序的执行流程等。如果发现某个信号或变量的值不符合预期，或者程序执行出现异常，则相关人员能够及时发现并采取相应的措施，确保PLC程序的正确性和稳定性。

5.2.4 利用诊断缓冲器调试程序

利用诊断缓冲器可以加快判定故障源，从而增强系统的可靠性。借助诊断缓冲器调试程序能够实时记录PLC 运行的数据，工作人员根据各个模块之间的协作情况及输入输出信号变化情况，可以更好地掌握其运行状态，有利于及时优化和维护。例如，首个条目呈现出近期事件，若该设备已满，则新形成的条目能够覆盖发生时间过长的事件。

6 结语

近年来，科学技术迅速发展，不断推动信息化、网络化进程，在此过程中PLC 技术应用范围持续扩大。PLC 具有周期短、可靠性强等优势，在工业控制领域前景良好。在我国制造业中，汽车产业链始终是一大支柱产业，在其生产线控制中应用PLC 技术，能够实现分布式控制，促进生产线产业化发展。