汽车总装生产线供液系统的智能监控系统设计

完颜瑞楠， 姚文

(上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室，上海 201306)

0 引 言

汽车总装生产线供液系统即设置在总装车间用来配合整车下线前的液体加注系统，是总装生产线至关重要的一环，因此其质量直接关系到整车的质量。随着网络化、信息化的高速发展，社会需求的快速变化、产品的生产技术更为复杂且生命周期短[1]；传统的数据采集方法已经不能满足智能制造的需求[2]，将信息化、网络化技术应用于汽车总装生产线的监控系统中，构成智能监控系统对提高供液系统效率、生产智能化水平和保证汽车品质有重要的实用意义[3]。

本文所设计的智能监控系统，针对某公司现有的供液系统监控装置，对其进行升级改造，使之适应智能制造的要求。

1 总装生产线供液系统

汽车总装生产线供液工艺包括风窗液供应站、洗涤液供应站、防冻液供应站、R134a(冷却液)供应站、制动液供应站和动力转向液供应站六个部分,采用集中供液的方式，可实现各种液体的远距离输送，如图1所示。这种方式不仅改善了总装车间的生产环境，还提高了生产的效率、节约成本。此外，集中供液还方便实现网络监控和管理[4]。

为了实现对供液系统的智能监控，每个供应站分别装配有电磁阀、压力开关、流量计和流量开关，保证数据采集的准确性和完整性。

2 控制系统设计

通过工艺过程分析可知，供液系统对控制系统的要求有：根据工艺参数自动控制相应设备依次启停，自动完成各种液体的供应；实现液位的智能监控和浓度的精确配比；采用PROFIsafe以太网与总装生产线控制系统互联，保证整个控制系统的故障安全；监控整个系统的运行状态，保证其正常运行；主要设备有手动和自动两种运行方式；紧急情况下，可实现系统的急停。

2.1 控制系统结构

该控制系统由一个西门子故障安全型F-CPU为主站和12个分布式I/O ET200S为。从站组成，主站和之间网络通讯是由集成了PROFIsafe协议的PROFInet网络连接实现。由于风窗液、洗涤液和防冻液相类似，制动液和转向液相类似，结构图以其中一个为例。

图1 供液系统整体工艺图

图2 控制系统结构图

如图2所示，整个系统构成了分布式安全系统。分布式安全系统采用故障安全型PLC,用于检测系统故障尤其是检测到危险故障时能使系统回到安全状态，并通过详细的诊断信息来改善故障检测和定位系统，保证系统在安全相关的中断后快速恢复生产[5]。与普通PLC相比，故障安全型PLC除了作为驱动器和控制器的功能任务外，还参与安全任务[6]。

2.2 控制系统主要硬件选型

西门子故障安全型F-CPU具有安全控制功能，不仅确保可靠的安全性，还具有高度灵活性和高生产率的特点。

上位机即人机界面(Human Machine Interaction，简称HMI)是人与计算机之间交互、信息交换的媒介。本系统中采用TP1500精智面板作为控制级的人机界面，其最显著的优点是：当设备电源故障时，可以保证控制系统和人机界面存储卡的数据安全。

PROFInet为自动化通信提供了一个完整的网络解决方案，包括诸如实时以太网、分布式自动化、故障安全和网络安全等，可适用于不同需求的解决方案。它的功能包括实时通信、分布式现场设备、分布式自动化、运动控制、IT标准、网络安装、故障安全、过程自动化和信息安全8个主要的模块。

PROFIsafe是与安全相关的自动化通讯协议，对安全外围设备和安全控制器间的通信进行了描述。它将与安全相关的传感器、控制器和执行机构之间相互连接，使得符合PROFIsafe协议的现场设备可以在统一的网络上运行，实现了普通电气元件和与安全相关电气元件的全集成自动化，大大降低配线的复杂性和维修的困难，也相应节约了成本费用，同时还减少了安全控制器和安全设备间数据传输的失效率和错误率从而可以使系统达到或超过相关标准要求的等级[7-11]。

ET200S分布式I/O具有丰富的信号模块，其防护等级为IP20，可以分散在现场，将任意数量的I/O模块以任意的方式进行组合，通过总线将中央控制器和现场的各类信号连接起来，提高了系统的可靠性。ET200S分为标准模块和故障模块两部分，其中故障安全的内部有两个通道。在正常工作时，两个集成处理器互相监视，自动测试I/O电路，并在发生故障时，将F模块设置为安全状态[12]。此时，F-CPU可通过PROFIsafe的相关总线安全规约与故障安全模块进行通信。

每个供应站都有急停按钮、高/低液位极限、故障检修、管道高/低压、配比浓度等报警信号，这些信号需连接故障安全输入输出模块，其他的信号连接标准模块。

2.3 控制软件设计

控制程序通过TIA Portal V13进行编制，采用模块化的编程方法，以梯形图的方式实现。系统的设计分为上位机和下位机，下面分别进行介绍。

2.3.1下位机设计

下位机的控制系统主要由IM151 F-CPU和12个从站ET200S组成。由于采用的是故障安全控制，下位机的设计还需完成故障安全系统的编程和组态。该系统硬件组态F-CPU和从站F-IO，硬件组态采用TIA V13，ET200S输入采用4/8 F-DI，输出采用4 F-DO，其网络视图如图3所示。

组态F-CPU还需要配置密码保护和F参数。硬件配置完成之后，还需要进行安全程序的编写：首先建立安全的F-CALL，用来调用故障安全模块；然后插入F-FB,FB100是主安全程序包含所有安全信息和逻辑，在FB100中编写故障急停程序；最后在OB35中调用F-CALL，实现对故障安全程序的调用[13]。

图3 系统组态网络视图

2.3.2上位机设计

根据供液系统的监控要求，监控画面要实时反应系统的运行情况，包括工艺流程、实时数据、故障报警、数据统计表等，设计的监控系统实现了对风窗液、洗涤液、防冻液、转向液、制动液和空调液的实时监控。

由于TIA博途软件中STEP7和WINCC使用相同的数据库，PLC与HMI的通信连接建立非常方便，可以直接在网络视图中建立通信连接[14]。

图4 风窗液、制动液、R134a液供应站监控画面

图4是各子供液系统的监控画面。由于各个液体供应站的工艺过程基本相似，下面主要对风窗液予以重点介绍：

启动风窗液(洗涤液、防冻液)加液系统按钮，设备配比参数，电磁阀7打开，3#角阀、3#和4#空气隔膜泵开始工作，本系统处于供液状态。储液罐、风窗液槽和离子水槽都分设有高低限位，根据液位的高低来调节进液。电磁阀1和电磁阀2分别与1#角阀和2#角阀相连，用来选择原液的供液桶；当风窗液槽液位减少到低限位时，电磁阀3动作，1#和2#隔膜泵打开，原液进液；电磁阀4与4#角阀相连，保证离子水槽的供应。电磁阀5和电磁阀6分别与5#和6#角阀相连，用于控制原液和离子水的输送。此时，根据所设置的配比参数，从风窗液和离子水槽中加入相应的量来实现风窗液的配比。当储液罐液位达到高限位时，停止进液。

接下来从两个方面对智能监控系统予以介绍：

(1)风窗液智能液位监控和浓度的配比：在原系统中，储液罐的液位由液位计进行测量，但当液体进行配比时，由于风窗原液和去离子水的注入，会引起液位的波动，这样就导致液位计的监测存在一定的误差，误差不断累计，配比精度大大降低。因此本系统中，在原有液位计的基础上，加入了超声波液位计对储液罐的液位进行监测；还分别在风窗原液和去离子水输出端增设了流量计。首先对具体的配比算法进行介绍。

假设HMI设定浓度为X%,且X≪50，不妨令原液桶和水桶的大小是一样的，那么原液量和水量就能由以下公式可计算得到：

100%配置液=X%原液+(1-X%)水

(1)

液桶体积=π*R*2*H

(2)

X=100*ΔH液/(ΔH液+ΔH水)

(3)

原液Hset=X(水Hset-水Lset)/(100-X)+原液Lset

(4)

在公式(3)中ΔH水=水Hset-水Lset，ΔH液=原液Hset-原液Lset。当X≫50时，计算得原液高液位超限，可通过调低水的高限来完成，可由公式(4)来计算得。

通过上述公式可计算得浓度为X%的风窗配置液所需的原液和去离子水的数量，图5是配置的具体算法。

图5 智能液位监控算法流程图

在该控制策略中，虚框内的部分是软测量模块，当液位正常没有波动时，它不起作用；只有当液位发生波动才投入运行，此时它通过流量信息间接地测量储液罐的液位。

图6 液位限值设定

图6是液位限值设定画面，可以分别设置每个供应站的高低限位和相应的配比浓度。当限值设定完毕之后，启动相应的自动/手动按钮，根据工艺需求，完成自动/手动供液过程，并通过控制系统的判断和决策来实现液位的智能监控。

(2)数据统计与系统互联：图7为报警记录画面，对每个报警情况进行记录，用来进行系统分析和改善。图8是数据信息统计画面，分别对用量、液位浓度及运行状态和报警信息进行统计，这些数据可以通过以太网传送到工业物联网云端，将数据在云端共享，提高生产效率和定制化服务程度。

图7 报警记录

图8 数据信息统计

3 结束语

本文介绍了基于PLC集成故障安全控制系统的汽车总装生产线供液系统的设计。控制器采用了配置有安全功能的西门子F-CPU，从站使用的是分布式I/O ET200S，现场总线采用的是具有PROFIsafe通讯协议的PROFInet组网。这些设计构成了西门

子故障安全自动化系统，都满足了故障安全控制的需要，使得本系统满足高级安全的要求。通过详细的诊断信息，本系统能在生产出现安全相关的中断后快速恢复运行。本文设计的汽车总装生产线供液系统不仅满足了智能监控的需求，还大大提高了供液系统的安全性和生产线的效率。随着柔性制造技术的快速发展和现场总线技术的不断进步，故障安全系统会在工业领域发挥越来越重要的作用。

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