PLC在汽车制造业的应用毕业论文Word下载.docx
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参考文献36
附录1元器件清单36
附录2滑橇和升降机实物图38
2.引言
近年来，中国的汽车工业发展飞速，汽车制造业已经成为我国国民经济的支柱产业，与房地产业并驾齐驱拉动我国经济的快速增长。
２００８年金融危机的爆发对国际汽车工业的发展有所限制，但我国汽车工业的发展仍然如火如荼，各大汽车企业陆续推出了新款的车型来刺激汽车消费市场。
单就近几年市场上的销售量和国家所出台的一系列政策就可见一斑。
2009年以来，为应对国际金融危机的影响，落实党中央、国务院保增长、扩需、调结构的总体要求，稳定汽车消费，加快结构调整，增强自主创新能力，推动产业升级，促进我国汽车产业持续、健康、稳定发展，国家出台《汽车产业调整和振兴规划》，提出包括减征乘用车购置税、开展“汽车下乡”、加快老旧汽车报废更新、清理取消限购汽车的不合理规定、促进和规汽车消费信贷、规和促进二手车市场发展等一系列措施。
2009年3月13日，财政部会同国家发展改革委、工业和信息化部、公安部、商务部、工商总局和质检总局，根据《国务院关于印发汽车产业调整和振兴规划的通知》（国发[2009]5号）、国务院办公厅《关于搞活流通扩大消费的意见》（国办发[2008]134号）及国务院第51次常务会议关于摩托车归入汽车下乡补贴渠道的决定，发布了《汽车摩托车下乡实施方案》（财建[2009]104号）。
该方案的实施，既是实现惠农强农目标的需要，也是拉动汽车消费、带动汽车生产的一项重要措施。
另一方面，在技术如何高效率的生产出各种新款车型是摆在各汽车生产厂家面前的头等问题。
总所周知，汽车的整车生产能力取决于车身的制造，汽车的更新换代在很大程度上取决于车身技术的发展。
在白车身的生产制造准备过程中，在工艺和装备的设计和制造直至投产的整个周期中，工艺和装备的设计和制造占有三分之二的时间，成为汽车外形改型换代的主要制约因素之一。
汽车车身工程是目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的一个领域。
车身的焊接工艺也是各汽车企业相互竞争的一个平台，车身焊接被国汽车制造企业视为车辆制造的四大工艺之一。
白车身是轿车的重要组成部分，是车型变化中的主体部分。
它是一个复杂的体系，作为汽车其他零部件的载体，它是以“钢结构”为主的支撑部件。
白车身焊接质量的优劣对整车质量起着决定性作用，自车身的焊接工艺直接决定着汽车的安全性，直接关系到广大汽车消费者的人身安全，精确、合格的白车身焊接可以最大限度的减小消费者在汽车碰撞中对自身所造成的伤害。
目前，国各大汽车生产企业的白车身焊接生产线都使用ＰＬＣ进行控制，以期达到更高的生产效率。
本课题的主要目的就是研究汽车制造过程中，白车身焊装生产线中运用PLC进行控制的部分以及其在现实生产中的应用，使其可以保证整条生产线可以更加稳定、高效、安全的进行生产。
3.选题及意义
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字逻辑操作的电子装置，具有可靠性高，抗干扰能力强，功能完善，实用性强，体积小等特点。
本课题主要介绍运用PLC为控制器系统的设计，所以产品的开发都要讲究实用。
本课题开发的产品对许多场合都能实用，而且能够简单化。
不论对于产品还是使用者来说都是最好的。
此系统的设计即满足了汽车制造流水线上的基本操作要求，还可以满足对于车子的工艺要求。
研究本课题意味着产品成本的下降，效益的提高，因此是一个比较实用且经济的产品。
本系统的设计既需要综合电气专业所学过的多门学科知识，还探讨新技术的应用，同时对于实用电气设计进行一次良好的尝试。
1.WinCCflexible，德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。
WinCCflexible用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。
WinCCflexible与WinCC十分类似，都是组态软件，而前者基于触摸屏，后者基于工控机。
通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；
多语言支持，全球通用；
可以集成到所有自动化解决方案；
置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；
可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；
集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；
可用选件和附加件进行扩展；
“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
3.2.1可靠性高，抗干扰能力强
3.2.2配套齐全，功能完善，适用性强
3.2.3易学易用，深受工程技术人员欢迎
3.2.4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
3.2.5体积小，重量轻，能耗低
3.2.6开关量的逻辑控制
3.2.7模拟量控制；
运动控制；
过程控制
3.2.8据处理
3.2.9通信及联网
通过毕业设计，进一步融会所学的专业知识，增强了对本专业应用技术和领域的了解，可以培养毕业生分析问题、解决问题的能力，进而提高设计创新、综合应用能力。
同时，因为毕业设计是在毕业生在顶岗实习过程中完成的，故毕业设计融合了毕业生在工业现场、具体的工作岗位所学到的知识和自己学校所学到知识，充分发挥了“理论源于实践，实践是验证理论的重要途径”的积极性，为毕业后从事专业技术工作打下一个扎实的基础。
4.总体描述
整个控制系统的设计初期首先要明确此系统所要完成的功能，在此目标的前提下才能很好的对系统进行设计开发。
如图4-1所示系统的任务是完成汽车白车身的焊接生产的流水线作业，此条生产线是属于汽车焊接生产线的其中一部分，由于汽车生产线都是流水线作业，相互之间需要很好的配合才能保证整体生产的不间断性，所以本控制系统对整个白车身的焊接生产线有着一定的影响，其重要性不言而喻。
系统的主要作用就是传输白车至每个工位中等待加工。
随着自动化控制技术的发展，在汽车生产线中已经广泛的应用ＰＬＣ技术来实现自动化控制功能来达到生产工艺所要求的准确性和安全性，这也是目前的控制技术中的最佳选择。
系统中使用西门子ＰＬＣ以及ＩＮＴＥＲＢＵＳ总线建立一个控制网络。
网络中还包括其他设备如安全光栅、通信模块、安全门等设备。
图4-1系统生产流程
系统对滚床的控制本质上就是对电机的控制，滚床的前后运动是由电机带动皮带来控制的，电机的正转滚床向前运动，电机的反转滚床向后运动。
最终由ＰＬＣ对滚床进行直接控制。
在滚床的两侧分别设置传感器来对现场情况进行检测，每个工位设置了传感器。
在滚床的最前端放置传感器用来判断工件是否到位，在靠近滚床前端的位置处放置了一个传感器，在每个工位的最初设计时，在滚床的前端专门设计了一个停止气缸，当工件到位时此停止气缸伸出阻止工件继续向前运动。
在滚床的后方放置一个传感器，此传感器的功能是判断工件是否占用此位，当此工位的前一个工位需要将工件输送到此工位时，系统将此传感器的信号作为判断的条件之一，如果此传感器有信号，表示此工位占用，不能再把工件输送到此工位，如果此传感器没信号，表示此工位为空，系统再判断其他的条件是否满足，如果满足便可将工件输送到此工位。
整条生产线中的各个工位除了空工位外所配置的都是可升降滚床（滚床与升降机结合在一起）。
空工位不需要对白车身进行焊接操作所以不需要安装可升降滚床。
滚床的上升下降也是由电机进行控制，可升降滚床进行上下运动而且最终保持在顶部位置或是底部位置。
可升降滚床使用两个传感器来判断滚床所处的位置，顶部有个传感器当滚床到达顶部时此传感器有信号，当滚床到达底部时底部的传感器有信号，这两个传感器的信号是相互制约的，因为滚床不可能同时达到两种状态。
当白车身被输送到操作工位，此时滚床下降带着白车身整体下降，下降到底部。
如图4-1所示是系统的生产流程本系统主要负责的是AFO160与AFO170之间的滑橇传输与升降机的传输，当AFO160机器人将白车焊接完成后就将白车用滑橇体传入到升降机再由升降机将白车上升至上面的工位，运输完成后升降机在下降至零位等待下一次的传输。
5.硬件设计
硬件的设计是本系统最重要的部分所以在做课题之前对于涉及到本系统所需的硬件都是查了许多的资料，对于系统的各个部分如它的工作流程和和工作方式都在课题之前了解过了。
本系统硬件设计分为PLC控制系统、滑橇系统、传感器系统和安全防护系统，各系统以PLC为控制核心，以传感器为辅助来控制滑橇及升降机的传输和升降，外围的安全保护随系统的运行而运行。
5.1西门子400介绍
S7-400CPU均具有两种类型的存储器。
工作存储器的细分可将性能提高一倍。
当一个标准处理器需要访问其RAM至少两次时，S7-400专用处理器可在一个循环周期中同时访问代码存储器和数据存储器。
因此，数据总线和代码总线也是独立的。
工作存储器的容量取决于从精细分级的CPU系列中所选取的适合的CPU。
对于小型和中等程序，集成式负载存（RAM）就足够了。
对于较大的程序，可通过插入存卡来增加装载存。
插入式闪存卡可用于在不使用电池的情况下进行永久性存储。
图5-1400型PLC
SIMATICS7-400PLC是用于中、高档性能围的可编程序控制器。
S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
S7-400广泛应用于以下领域：
钢铁工业、汽车工业、电力及能源配送、化学和石油化学工业、机械工程，包括专用设备制造、立体仓库、建筑业系统自动化、造纸和印刷工业、食品和饮料工业、市政工程，（例如供水排水，地铁）等场合。
本系统采用的是416-2DP型CPU其特点是灵活扩展：
最高131072个数字量以及81932个模拟量输入/输出。
通过MPI协议可将最多32个站连成简单网络，数据传输速率高达12Mbit/s。
CPU可与通讯总线（C总线）和MPI的站之间建立最多32个连接。
最后的故障和中断事件保存在一个环形缓冲器中，用于进行诊断。
可以对输入数目进行设定。
它的实时时钟日期和时间附加在CPU的诊断消息后面其存储卡用于扩展置的装载存储器。
存储在装载存储器中的信息包括S7-400参数数据以及程序，因此需要2倍的存储空间。
其结果是置的装载存储器不能满足大程序量的要求，因此需要存储卡。
可使用RAM和FEPROM卡。
PROFIBUS-DP接口和组合的MPI/DP接口：
通过PROFIBUSDP主站接口，可以实现分布式自动化组态，从而提高了速度，便于使用。
对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理（相同的组态、编址和编程）.组合式配置：
SIMATICS5和SIMATICS7可以作为PROFIBUS主站符合EN50170规。
CPU416-3和CPU416-3PN/DP还包括：
附加模块插槽：
可用IF964-DP接口子模板进行连接到PROFIBUSDP主站系统中。
CPU414-3PN/DP另外包括：
PROFINET接口，带2个端口（交换`机）：
PROFINETI/O，可连接256个IO设备PROFINETCBA。
CP443-1是SIMATICS7-400用于工业以太网总线系统的通讯处理器。
它只有自己的微处理器，因而能减轻CPU的通讯任务和进一步的扩展连接。
通过CP443-1，S7-400可以实现下通讯：
编程设备，计算机，HMI设备。
其它SIMATIC其它SIMATICS7系统、SIMATICS5可编程控CP443-1通讯处理器具有SIMATICS7-400系统设计的所有优点：
紧凑的设计；
坚固的塑料外壳的前面装有以下部件：
15针Sub-D插座可在AUI和双绞线接口间自动切换；
带有自适应的自动传输速率保护；
用于快速连接到以太网的RJ45插座。
连接简单CP443-1安装在S7-400的子机架上并通过背板总线与S7-400的其它模板相连。
不存在槽位规则。
模板更换不需要编程设备的帮助。
CP443-1用于将SIMATICS7-400连接到以太网上其10/100Mbit/s自适应全双工连接，可自动切换，可用于ITP、RJ45和AUI的全球连接带有ISO和TCP/IP传输协议的多协议方式。
CP443-1通讯服务有ISO和TCP/IP传输协议PG/OP通讯、S7通讯和S5兼容的通讯利用S7路由的网络间的PG/OP通讯。
通过网络进行远程编程和调试。
5.2传输系统概览
传输系统主要是包括升降系统与棍床系统和控制系统信号灯组成，利用滑橇来相互传送白车从当前工位到另外工位作业的流水线。
其外围是用信号灯按钮来控制其输入和输出。
5.2.1操作台标准配置（信号灯）
如图5-2所示是输送线上面的运转情况显示的信号灯，它的主要作用在输送线中起到了很大的作用，信号灯或按钮的分布图，其中紧停按键主要是针对特殊情况下设计的紧停按键，如果按键按下后系统就会停止运行，操作方式的预选择主要是升降机的控制箱的上层和底层切换使用以及系统的自动和手动的切换，整体的操作都是利用这块控制箱来控制。
图5-2信号灯
0紧停按键；
1操作方式预选择，钥匙开关E9（输送平面）或E7（0m平面）；
2激活删除故障功能，钥匙开关E9；
3删除故障；
4删除节奏控制；
5操作台预选；
6灯光测试；
7紧停显示灯；
8关闭（操作方式）预选；
9单步运动，仅与预选开关
（1）相连用时可以操作；
10自动操作，仅与预选开关
（1）相连用时可以操作；
11预选择输出；
12信息检查；
13起动关闭；
14起动打开；
15下一模块的驱动；
16预选择；
17预选择；
18驱动开关；
5.2.2棍床
传输系统是滚床和撬体相结合，雪撬是主要是运送白车而滚床主要是运送雪撬，本条生产线中使用了2台滚床，传输系统是将各工位的滚床之间构成了一个连续、自动的车身输送线。
每个工位一台滚床，车身放置在滑撬上，滑撬位于滚床上，滚床传送带动滑撬，如图3-3所示从而输送车身。
系统要求有手动和自动两种工作模式。
手动状态下，现场焊接操作人员根据工艺要求正确操作各种夹具设备，完成工作后输送白车身；
自动状态下，夹具在车身到位后自动动作，自动工位机器人完成焊接后，车身被自动输送到下一工位。
本系统采用的是自动工位上面的生产线所以只是采用两个滚床位。
本条生产线中每个工位都有滚床，对滚床的控制是系统的重要部分。
各工位中滚床的功能是将自车身从一个工位输送的另一个工位，本系统当机器人在此工位完成焊接工作后，系统进行判断，直到确保下一个工位的准备工作已经完成后，系统便将白车身通过滚床输送到升降机。
图5-3雪橇输送
系统对滚床的控制分为两种方式：
一种是联动方式，也是全自动化方式，各个工位之间系统化的运作，自车身在一个工位焊接完成，机器人焊接完成后，系统将判断下一个工位的状况，如果下一个工位已经准备就绪，系统将白车身输送到下一个工位，再将前一个工位的白车身送到此工位进行焊接工作。
另一种方式就是手动方式，手动方式主要应用于单工位的操作，在手动方式下的操作是为了对工位进行调试或者故障检测时使用；
当某一个工位在联动状态下出现问题时，可以通过手动放。
5.2.3升降机系统
带棍床的升降机用于下列场合：
雪撬必须要移位至不同高度的输送单元上，同样通过棍床把雪撬接收/输入到相邻的输送单元上。
升降机处于上终端位置或下终端位置时才能输送雪撬。
手动闸门操作是个例外，这时升降机升至某一位置（闸门位置）。
雪撬输送采用快速档，雪撬定位采用慢速档。
两个速度可为正向或反向。
同样通过两个速度档实现升降台的上升和下降。
换到慢速档后才可以进行升降机的终端定位。
只有在棍床空闲或雪撬正确定位在升降机上时，升降机才允许上升或下降。
在上和下终端位置，电控锁紧装置（VRG）自动把升降机锁定在固定位置。
如果雪撬应移离其位置（如人工干扰后，雪撬自动移开），可手工操作升降机降至下终端位置，并把雪撬移至指定位置。
控制器（PLC）通过四个起始器判断：
雪撬是否在棍床上或已经离开，何时转换到慢速档。
另外通过这些起始器询问雪撬位置。
通过增加的起始器检查雪撬的行驶方向（雪撬在棍床上的正确站位）。
如果情况不符，会产生故障信号“位置检查”（升降机只能手工操作）。
升降机的种类和规格（如棍柱的规格，闸门位置）可根据实际情况变动。
输送装置起动时，棍床上是否有雪撬的信息只有在驱动装置运行和起始器占用情况下才能存储在PLC-程序中（占用-标识）。
占用-标识只能在雪撬完全输送到下一个输送单元时才能删除。
通过两个起始器中止升降机的上升和下降。
这里还配备一个机械开关作为辅助安全保险装置，超过此位置（上端/下端）时在硬件上切断升降机的运动。
图5-4带式升降机驱动部分
滑橇升降机也用于实现不同水平高度输送线路之间的滑橇过渡。
滑橇升降机的升降架上安装一标准的滚床基本单元，采用套筒皮带链条，其技术参数如下：
起升高度可达20米提升速度6m/min～40m/米定位速度≤6米/min承载重量：
500Kg。
滑橇升降机根据使用环境分为常温升降机和高温升降机，其区别为常温升降机使用的环境温度不大于60°
C，而高温升降机的最高使用环境温度可达250°
C。
常温升降机可采用聚氨酯的滚轮和导向轮，并一般用两柱式结构；
高温升降机由于安装于烘干室的两端，烘干室一般没有供高温升降机上部安装固定的钢结构，所以高温升降机常采用四柱结构形式，且其升降架上的滚床单元需采用高温滚床。
5.3传感器系统
5.3.1光栅
本系统采用SICKS3000专业型光栅（如图5.3.1.1）它是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
安全光栅S3000包括一个发射器和一个接收器。
接收器和发射器上各有7-段码显示和LED指示灯，用来显示各种状态和自诊断信息。
图5-5光栅S3000实物图
S3000的主要差在于分辨度、外壳尺寸和可选择的发射器检测距离。
只有满足以下各点，才能保证装置的安全保护功能：
外部供电电源必须符合欧盟EN60204安全条例的要求，以保证在掉电的情况下，仍能保持主电路接通20ms。
合适的电源供应器可作为附件向SICK公司购买（Siemens6EP1型号），需要注意操作手册中关于电气连接和初始启动的各点要求，安全装置的电气信号必须能影响到机器或厂房的控制系统，必须保证在任何时候都可以停止机器的危险动作，装和使用时，必须遵守有关的安全法律和条例安全装置安装的位置必须满足：
当至少一条光束被遮断后，在到达危险点前，机器的危险动作必须能被停止。
这就需要按照欧盟prEN999的有关条例来规定一个安全距离，必须保证，当有人在危险区时，危险动作不能开始。
S3000按其结构可分为专业性、高级型、标准型、遥控型、专业CMS型、室外人，其各特点如下表所示：
表3-1S3000的类型
S3000专业型最大可设置8个可选择保护区域/报警区域；
静态和动态保护区域选择。
S3000的传感器头决定了扫描距离围为4米，5.5米或7米，其最大适用性是对想使用的应用场合有最优先的兼容性，再者就是它的I/O模块决定。
S3000可切换不同的扫描区域数量为1个，4个或8个，应用的变换或者简单的升级可以通过更换单元实现和简化了备货，降低了备货成本。
S3000的接线以及参数储存的接线以及参数储存其方便现场更换，无需重新设置参数，直接更换传感器头即可。
5.3.2接近开关
接近开关又称无触点电子开关，顾名思义，开关的通断状态无需靠机械接触来实行。
只要被检测体（如金属等）靠近接近开关的感应围，即可触发开关状态翻转，由“开”（OPEN）转为“闭”（CLOSE），或由“闭”转为“开”。
接近开关既具有行程开关、微动开关的特性，同时也具有传感性能，且动作可靠、性能稳定、频率响应快、寿命长、抗干扰能力强等，并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。
接近开关按常用类型分为电感式、电容式、霍尔式及交直流式等，不同的类型应用于不同的工控领域。
近年来随着世界经济的复苏和发展，各地出现了新一轮的投资热潮，作为自动化控制领域不可缺少的工控产品也呈现出快速增长的态势，据粗略统计单单在中国市场每月需求各种接近开关达120万只左右。
接近开关应用围非常广泛，主要有：
（1）检测距离：
检测电梯、升降设备的停止、启动、通过位置；
检测车辆的位置，防止两物体相撞检测；
检测工作机械的设定位置，移动机器或部件的极限位置；
检测阀门的开或关的位置；
检测汽缸或液压缸的活塞移动位置。
（2）转速与速度控制：
控制传送带的速度；
控制旋转机械的转速；
与各种脉冲发生器一起控制转速和转数。
（3）计数及控制：
检测生产线上流过的产品数量；
高速旋转轴或盘的转数计量；
零部件计数。
（4）尺寸控制：
金属板冲剪的尺寸控制装置；
自动选择、鉴别金属件长度；
检测自动装卸时堆物高度；
检测物品的长、宽、高和体积。
（5）计量控制：
产品或零件的自动计量；
检测计量器、仪表的指针围进而控制数量或流量；
检测浮标控制测量液面高度，流量；
检测不锈钢桶中的铁浮标；
仪表量程上限或下限的控制；
流量控制，水平面控制。
（6）检测物体存在与否：
检测生产包装线上有无产品包装箱；
检测有无产品零件。
（7）检测异常：
检测瓶盖有无；
产品合格与不合格判断；
检测包装盒的金属制品缺少与否；
区分金属与非金属件；
产品有无标牌检测；
起重机危险区报警；
安全扶梯自动启停。
（8）识别对象：
根据载体上的码识别是与非。
（9）信息传送：
ASI总线连接设备上各个位置上的传感器在生产线（50～100m）中的数据往返传送等。
5.4安全操作系统
如图3-12所示是工位与升降机之间的防护门，当汽车焊接完成后将要将汽车传送至升降机时防护门打开后滑橇才会被传送至升降机上面，传送完成后防护门有会关闭。
在加工线的举升区域（加工平面0m）中输送单元驶入和驶出处装有摆动护门。
在打开该防护装置后，所属的输送单元硬件保护回路中断。
安全插销被应用于许多的安全设备上，比如保护门，保护窗之类的。
这些安全插销形成了系统对于保护区域的安全控制。
一旦打开维修门，则电气控制柜会关断在保护区域的所有运动设备。
如果相邻的保护区域中的机器人工作在和着个保护区域重叠的部分，那么也会停止。
•有效围：
防护门（保护区域）所有的调节组件（阀门，电机和机器人）．
•每个自动工位都配备有一个至少由一个电器检测控制保护的防护栏．本设备由２个保护区域／启动区域组成．如一个保护区域的一个防护门被打开，其他保护区域的工作程序不会被中断，因为在此区域不存在由于防护门被打开而产生的危险．
.•只允许通过
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