1、第一章 引言3焊機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測的意義5國內(nèi)外焊接設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀6國內(nèi)焊接設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r6國外焊接設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀6本課題的主要內(nèi)容7總體思路7第二章 課題需求分析2.5弧焊機(jī)器人介紹8汽車排氣系統(tǒng)介紹9焊接車間工作流程9幾種常用氣密性檢測方式10直接壓力法檢測密封10差壓法氣密性檢測12系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)132.6PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)13WIFI 網(wǎng)絡(luò)介紹14第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器選型要求14西門子 s7-300 系列 plc15PLC 硬件選型...6處理器單元17負(fù)載電源模塊（PS）18信號模塊

2、18接口模塊18通信處理器（CP）18機(jī)架錯誤!未定義書簽。3.4傳感器介紹與選型.23.4.3電流變送器19電壓變送器20壓力變送器223.5系統(tǒng). 23第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)244.1子系統(tǒng)24簡介24模擬量模塊 SM331.24.1.3 SM331 端子及英文縮寫的含義：.54.1.6傳感器的連接25模擬量模塊錯誤!未定義書簽。模擬量模塊的中斷261.7 模擬量的規(guī)格化264.2 數(shù)據(jù)顯示、分析與子系統(tǒng)284.2.1 組態(tài)WINCC 簡介294.2.2 WINCC 組態(tài)的功能和特點(diǎn)錯誤!未定義書簽。WINCCWINCC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及

3、開發(fā)流程圖29畫面30第五章 系統(tǒng)調(diào)試335.1相關(guān)通信335.1.1S7-300 的主要通信方式33Profibus 總線3 Profibus 的主要.錯誤!未定義書簽。第六章WINCC 通信原理34WINCC 與STEP7 通信34S7-300 與 ET200M 的通信34總結(jié)35致 謝錯誤!未定義書簽。摘要隨著社會的發(fā)展私人汽車數(shù)量迅速增加，汽車生產(chǎn)著巨大的競爭壓力。因此，提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本勢在必行，生產(chǎn)的質(zhì)量更是重中之重。同時隨著汽車裝配線與零部件裝配線的高速發(fā)展，為了滿足生產(chǎn)智能化、柔性化與模塊化的生產(chǎn)要求以及隨著汽車產(chǎn)品的增加，品種的多樣化

4、，整車性能的提高，必須不斷改進(jìn)、完善汽車生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平與制造工藝。本文是以某汽車排氣系統(tǒng)焊接機(jī)器人的實(shí)時監(jiān)測為課題，使用西門子 300系列PLC 以及 WINCC 組態(tài)實(shí)現(xiàn)對焊接機(jī)器人的實(shí)時監(jiān)測。本課題的汽車排放控制系統(tǒng)的焊機(jī)監(jiān)測是根據(jù)所需的實(shí)時監(jiān)測的信號，增加相應(yīng)傳感器，用PLC實(shí)時顯示、來自傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理和轉(zhuǎn)化后送入現(xiàn)場工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的和數(shù)據(jù)分析。關(guān)鍵字：汽車生產(chǎn)、可編程控制器、組態(tài)、傳感器AbstractWith the development of society, the raincreasehe number of private cars,automobile pro

5、duction is facing enormous competitive preres.therefore, improveproduction efficiency and reduce production costs is imperative, production quality isatoppriority.Withtheradevelopmentofautomobileassemblylinesimultaneously with the parts of the assembly line, in order to meet production elligent, fle

6、xible and modular production requirements as well as the increase in automotive products, diversification, improved varieties of vehicle performance, wemust continue to improve improve the level of automobile production system designand manufacturing proses.This article is based on a real-time monit

7、oring of automotive exhaust systems forwelding robots topics300 series PLC and configuration software WINCCachieve real-time monitoring of the welding robot. Welder automotive emis control monitoring system is based on the research needed for real-time monitoring ofthe signal, the corresponding incr

8、ease sensor with PLC data acquisition from thesensors, after prosing and convero the field of industrial machine forysis.real-time display of data, alarm and dataKeywords: automobile production,PLC, configuration software, sensors第一章引言1.1 焊機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測的意義隨著中國科學(xué)水平的迅猛發(fā)展，在世界制造業(yè)領(lǐng)域中國已經(jīng)成為了中心。我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，同時對生產(chǎn)設(shè)備的

9、自動化程度與需求量的要求也越來越高。近年來，國內(nèi)焊接機(jī)器人工作站級的設(shè)計(jì)和制造方面取得了很大的進(jìn)步。系統(tǒng)的集成與夾具的設(shè)計(jì)與制造，焊接技術(shù)的探究，機(jī)械臂編程技術(shù)等均可以滿足生產(chǎn)多種類型的汽車部件的焊機(jī)的要求。高性能的機(jī)器人焊接設(shè)備不但可以顯著提高生產(chǎn)效率，減少人為勞動更大大的保證了生產(chǎn)的質(zhì)量，使汽車制造業(yè)能夠應(yīng)對日益增加的壓力。汽車工業(yè)的發(fā)展無論是對所焊接器件的精度與尺寸提出了更高的要求，從而開發(fā)擁有更高加工精度與控制精度的精密焊接設(shè)備將直接影響整個汽車行業(yè)的發(fā)展。我國現(xiàn)在很多焊接仍然是焊接精度差、焊接效率低下。同時惡劣的工作環(huán)境使得們的勞動強(qiáng)度大大增加，不利于汽車行業(yè)的發(fā)展。解決這些問題的更

10、本性方法就是高精度的自動化焊接設(shè)備。而對該設(shè)備的監(jiān)測更是保證正常生產(chǎn)的必要條件。一個系統(tǒng)的控制類型可能是多種多樣的，最傳統(tǒng)的例如繼電器控制，再到后來的單片機(jī)控制和可編程序控制器控制等等。繼電器控制作為早期的一種控制方式，具有自身的一些特點(diǎn)，比如設(shè)計(jì)簡單，容易梳理思路等等，但同樣它也擁有一些自身的缺陷，例如不能很好的應(yīng)對十分復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，接線容易，穩(wěn)定性和能力較弱等等。而作為替代繼電器控制方式的可編程序控制器則很好的解決了繼電器控制的一些缺點(diǎn)和不足，例如可編程序控制器能夠一定程度上簡化線路連接，能夠增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作。如果出現(xiàn)問題，可編程序控制器為的控制系統(tǒng)更容易找出錯誤并排除錯誤。則

11、傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)則由于布線繁瑣很難在短時間內(nèi)找出并排除錯誤。雖然單片機(jī)具有明顯的價格優(yōu)勢和體積大小優(yōu)勢，但使用場合具有諸多限制，同樣的可編程序控制器也可以彌補(bǔ)單片機(jī)的一些缺點(diǎn)和劣勢，這里不做贅述。綜合比較，可編程序控制器價格相對合理，體積大小適中，適宜設(shè)計(jì)和安排控制柜。還針對這些明顯的干擾，在選取控制器的時候必須考慮到控制器的能力和穩(wěn)定性。如果在上述諸多干擾下，不能夠正常平穩(wěn)地工作，那么整個系統(tǒng)將處于癱瘓，企業(yè)將不能正常進(jìn)行勞動生產(chǎn)。當(dāng)下，可編程序控制器幾乎已經(jīng)們運(yùn)用到了社會生產(chǎn)的每一個行業(yè)，自身的穩(wěn)定性不言而喻。與此同時，強(qiáng)大的輸入輸出功能，實(shí)用性很強(qiáng)的斷電保護(hù)功能都是可編程序控制器強(qiáng)大的

12、優(yōu)勢所在。因此選用可編程序控制器作為是此次設(shè)計(jì)的控制。1.2 國內(nèi)外焊接設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)焊接設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r由于我國建國初期工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)水平很低，故我國的焊接設(shè)備起步較晚。七十年代以前，我國大型的焊機(jī)主要依賴從原進(jìn)口，很少有自己的設(shè)計(jì)和制造；隨著我國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接設(shè)備的需求量也飛快增長。如今，我國雖然在焊機(jī)的水平上有顯著的提高，但在控制精度，可靠性和質(zhì)量上與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距。近年來，我國世界制造業(yè)中心的地位不斷強(qiáng)化，導(dǎo)致勞動力資本不斷上升，使得加快技術(shù)升級變?yōu)槲覈圃鞓I(yè)的必然出路，提高自動化焊接設(shè)備的程度將是我國工業(yè)現(xiàn)代化的必由出路?！澳壳拔覈暮附釉O(shè)備正向范

13、圍化，大型化、精密化的方向前進(jìn)，如各種大型化工煉油裝置、火力、大型及建筑結(jié)構(gòu)、各類重型機(jī)械、水力和核能發(fā)電設(shè)備、大跨度橋梁、海洋工程、大型客車、長距離天然高速鐵路車輛等?！?這些行業(yè)對高度集成氣與石油輸送管道、航空航天工與高精度的先進(jìn)焊接設(shè)備需求越來越大。1.2.2國外焊接設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀在機(jī)械化以及自動化方面國外已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，因此其生產(chǎn)中大大的降低了勞動成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。與歐洲等其他發(fā)達(dá)國家(德國、)的機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)為的智能控制也充分的應(yīng)用到了焊接過程中。其發(fā)明的控制系統(tǒng)不但具有學(xué)習(xí)功能，可以將示教的過程再現(xiàn)，還可以根據(jù)預(yù)先輸入的焊接材料等數(shù)據(jù)自動的

14、選擇焊接的參數(shù)?！昂附釉O(shè)備與機(jī)器人技術(shù)的融合形成了綜合性的焊接工作站。焊接機(jī)器人的發(fā)展大大減少了人為勞動，其焊接產(chǎn)品質(zhì)量高、精度高，因此在工作環(huán)境比較惡劣的特殊場合得到了廣泛的應(yīng)用。”21.3 本課題的主要內(nèi)容1.3.1 總體思路根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)要求，選擇相應(yīng)的傳感器，同時采用 PLC來自傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理和轉(zhuǎn)化后送入現(xiàn)場工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、報警和數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)場總共 5 臺焊接機(jī)器人，每臺機(jī)器人邊上都安裝有 PLC 模擬量模塊，通過 Profibus 總線將其連接起來，同時為減少布線的工作量，通過無線通信技術(shù)將現(xiàn)場工控機(jī)到的信號傳輸?shù)娇刂剖业亩嗯_客戶機(jī)上進(jìn)行顯示和操作。升做

15、出了期望。第二章 課題需求分析2.1 弧焊機(jī)器人介紹“弧焊機(jī)器人能夠完成連續(xù)軌跡控制功能與在位置控制的功能。焊接機(jī)器人可以在無人環(huán)境下保持很高的生產(chǎn)率并且確保被焊接器件擁有高品質(zhì)的基礎(chǔ)下進(jìn)行長期作業(yè)。下圖為弧焊機(jī)器人示意圖?！?圖2.1 弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖2.2 汽車排氣系統(tǒng)介紹排氣系統(tǒng)其主要功能為處理汽車發(fā)內(nèi)燃后排放的有害氣體以及消除其所產(chǎn)生的噪音。其工作的原理是采用氣缸收集發(fā)內(nèi)燃后的廢氣，通過凈化器中的催化劑作用使汽車尾氣中的CO、NO、HC與煙霧等有害氣體得到凈化，經(jīng)過消聲處理，然后從車后的排氣管排氣排入空氣中。其整體結(jié)構(gòu)如下圖所示圖2.2 汽車排氣系統(tǒng)組成排氣系統(tǒng)可以分為兩個部分，距離發(fā)

16、遠(yuǎn)的部分叫熱端而相對距離發(fā)較遠(yuǎn)的部分叫做冷端。由于汽車排氣系統(tǒng)處于汽車底部，空間窄小，所以其身具有很多復(fù)雜的焊縫，并且其本身功能為排放氣體，故其對本身的密封性要求很高，這些都對焊接技術(shù)以及焊接設(shè)備提出了很高的要求。冷端的焊縫成形要求高，因?yàn)槠渲饕暮缚p多為小直徑型環(huán)縫。2.3 焊接車間工作流程本課題的排氣系統(tǒng)焊接工藝主要分為9個步驟，可大體分為排氣系統(tǒng)各部分焊接、氣密性檢測、平面度檢測三個方面。每個步驟都要使用相應(yīng)的傳感器與檢測儀來測試是否滿足要求。具體工序流程圖如下：圖2.3工序流程簡圖2.4 常用氣密性檢測方式2.4.1 直接壓力法檢測密封直接壓力法檢測密封就是直接向被測器件內(nèi)沖入壓縮氣體

17、并一直觀察，直到氣體壓力達(dá)到一定值后，關(guān)閉進(jìn)氣口并且密封器件，并在設(shè)定時間內(nèi)監(jiān)視其內(nèi)部的壓力值變化。若顯示的被測器件內(nèi)部氣壓變低，則說明該器件存在泄漏現(xiàn)象。當(dāng)壓力值下降到所設(shè)定的最低氣壓值時則可以判定該器件不合格。該檢測方法要求被測器件具有穩(wěn)定的容積。當(dāng)其應(yīng)用于大批量檢測的時候，檢測時間不可以過長，時間過長易導(dǎo)致壓力傳感器不能不抓到微小的泄漏。圖2.4 直接壓力法檢測原理圖該檢測方法可以基本分為四個階段：1.設(shè)定好壓力；2.向被檢測器件內(nèi)充入氣體；3.穩(wěn)壓即使內(nèi)腔氣體和溫室達(dá)到一個動態(tài)平衡減少溫度對檢測的影響；4.檢測（在完成檢測后自動泄壓）穩(wěn)壓過后開始進(jìn)行檢測，開始時的壓力值設(shè)為P1，檢測完

18、成后壓力P2。然后根據(jù)公式PV=nRT（V：此時表示工件體積即：P1V=n1RT P2V=n2RT(1)減去(2)得：(P1P2)V=(n1 - n2) RTml）計(jì)算泄露速率。(1)(2)(3)令n = n1 - n2（這個就是檢測時氣體分子的泄漏量,求出其在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下體積即可）n 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的體積即：P0VL= nRT（P0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓:Pa )；VL：為泄露氣體在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境下(4)；P0=101325Pa (的體積由4式：n = P0VL/ RT(5)將（5）式代入（3）式得：（P1P2）V = P0VL所以：VL = (P1P2)V / P0令LEAK = VL / t0VL /

19、 t0：為每秒的泄漏量所以每分鐘泄漏量： LEAK*60 ML/min(SCCM)直接壓力法檢測精度較低，很容易受到溫度等條件的影響，但是檢測速度快是其顯而易見的優(yōu)點(diǎn)。2.4.2 差壓法氣密性檢測“差壓法在生產(chǎn)中也非常容易實(shí)現(xiàn)，原因是其檢測氣體也為壓縮空氣。差壓法就是提前準(zhǔn)備一個標(biāo)準(zhǔn)容腔，然后對兩個器件沖如壓縮氣體。在規(guī)定的時間內(nèi)忽略掉溫度對氣體壓力的影響，而檢測靈敏度的顯著提高也能有效縮短檢測時間?！?差壓法不在使用普通的壓力傳感器而是采用差壓傳感器。因?yàn)楸粶y容腔會有氣體泄露，導(dǎo)致其氣壓降低而中心的膜片則向其移動，這樣便可以通過傳感器傳出的信號計(jì)算出泄露量。從而膜片在壓差的作用下產(chǎn)生位移，位

20、移量通過傳感器轉(zhuǎn)換成能被PLC 的電信號輸出即可換算出泄漏量。圖2.5差壓法氣密性檢測原理圖該檢測方法也是根據(jù)器件內(nèi)氣體壓力的變化進(jìn)行判斷工件是否泄露，不同的是每次開機(jī)檢測必須用標(biāo)準(zhǔn)漏孔對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，可多次標(biāo)定直到標(biāo)定合格，標(biāo)準(zhǔn)漏孔的大小是根據(jù)工件的泄露速率訂購的。檢測也分為四個階段： 1.設(shè)定好壓力；2.向器件內(nèi)充氣；3.穩(wěn)壓（作用使內(nèi)腔氣體和室溫達(dá)到一個動態(tài)平衡減少溫度對檢測結(jié)果的影響）；4.檢測（檢測時間為t0，檢測完成后自動泄壓）。差壓法氣密檢測是以標(biāo)準(zhǔn)漏率為：LEAK = 20 SCCM;標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測的，便于敘述假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)漏孔泄露速被測器件泄露速率為：VL?！安顗悍饷軝z測測試前必須

21、對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，因?yàn)闄z測的結(jié)果是以標(biāo)準(zhǔn)漏標(biāo)準(zhǔn)的。并且標(biāo)定時間和檢測時間要一致，每次修改檢測時間必須重新標(biāo)定設(shè)備，否則會嚴(yán)重影響檢測結(jié)果。應(yīng)用差壓法原理的氣密性檢測系統(tǒng)成本很低，檢測簡單容易實(shí)現(xiàn)，人為工作量少，因其多種優(yōu)點(diǎn)，本文所選用的氣密性檢測儀器為該種方法檢測?！?2.5 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)根據(jù)需求本課題要實(shí)現(xiàn)對5臺焊機(jī)的實(shí)時電流，電壓，用于焊接保護(hù)的氣體的流量以及焊機(jī)所散發(fā)出的熱量等24路模擬量進(jìn)行監(jiān)測。并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示、與分析以保證焊接整體工序正常進(jìn)行，同時實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工控機(jī)與控制室的多臺客戶機(jī)通信，使其全部均可實(shí)現(xiàn)顯示和操作。根據(jù)需求分析該課題需要檢測電流、電壓、氣體流量與熱量等24路模

22、擬量，并為此增加相應(yīng)傳感器。在此選擇了西門子S7-300系列的PLC來進(jìn)行對傳感器數(shù)據(jù)。因?yàn)槠淠K化的結(jié)構(gòu)的主要形式，抗沖震能力強(qiáng)，電磁兼容性能好并且容易實(shí)現(xiàn)分布式I/O。該P(yáng)LC也容易實(shí)現(xiàn)DP網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，以及西門子的MPI網(wǎng)絡(luò)等通信，更有利于與其他系統(tǒng)模塊擴(kuò)展以充分發(fā)揮其優(yōu)越性能。PLC到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和轉(zhuǎn)化后送入現(xiàn)場的工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、報警和數(shù)據(jù)分析。同時現(xiàn)場負(fù)責(zé)的幾臺焊機(jī)信號可以通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的方式（分布式I/O）傳輸?shù)紺PU，這樣可減少傳感器的布線長度，便于維修。同時為通過無線通信技術(shù)將現(xiàn)場工控機(jī)機(jī)上進(jìn)行顯示和操作。到的信號傳輸?shù)娇刂剖业亩嗯_客戶到一起，

23、 使其可以順利完成供電與通信 。” 7 其現(xiàn)場總線級采用的是 PROFIBUS-DP，它的通信可以實(shí)現(xiàn)高速而成本很低。并且它可以實(shí)現(xiàn)分布式I/O的高速數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于裝置級的控制系統(tǒng)。PROFIBUS-FMS是用來解決在車間的級的通信任務(wù)并且同時可以提供數(shù)量巨大的通信服務(wù)。2.8 WIFI 網(wǎng)絡(luò)介紹“WI-FI（Wireless Fidelity）是一種能將、電腦等終端通過無線形式連接起來的技術(shù)。目前使用的標(biāo)準(zhǔn)ieee802.1la，ieees02.1lb和ieee802.1lg三種?！?這3種標(biāo)準(zhǔn)的信號接收不良或受到干擾，會自動調(diào)整其帶寬。自動調(diào)整帶寬的實(shí)現(xiàn)保證了其穩(wěn)定和可靠的通信網(wǎng)絡(luò),

24、并且方便與現(xiàn)存的有線以太網(wǎng)整合，而靈活的組網(wǎng)方式最大程度上降低了成本。該技術(shù)因其輻射半徑大、傳輸效率高而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用等各個領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最多的無線傳輸技術(shù)。本文采用無線路由器連接多臺客戶機(jī)，使不在現(xiàn)場的各個與設(shè)置。室內(nèi)的客戶機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖2.7 WiFi技術(shù)星型和Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谌?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 控制器選型要求“在可編程邏輯控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，第一步要對需求進(jìn)行分析，從而確定出設(shè)計(jì)方案，緊接著便是PLC 硬件的設(shè)計(jì)選型。因此要滿足下述幾點(diǎn)：(1)在充分滿足受控對象的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了滿足該要求，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)前，要對現(xiàn)場進(jìn)行充分認(rèn)真的調(diào)研并對結(jié)果進(jìn)行分析，同時必不可少的是

25、廣泛收集與該設(shè)計(jì)相關(guān)的國內(nèi)外的資料，進(jìn)行整理與收藏，找出能借鑒的內(nèi)容。與現(xiàn)場的保持密切交流，相互商討以擬定初步方案是未防止出現(xiàn)不利于實(shí)際應(yīng)用問題的最好辦法。(2)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成時，不但要保證該系統(tǒng)的安全性，更要保證其長期穩(wěn)定的運(yùn)行。這要求在設(shè)計(jì)時要全面思考系統(tǒng)運(yùn)行后可能出現(xiàn)的問題，提前最好準(zhǔn)備，如某一部分出現(xiàn)問題，而總體基本受影響，仍然可正常工作等。充分考慮未知因素的前提下進(jìn)行與硬件的設(shè)計(jì)。(3)充分考慮到系統(tǒng)的性價比與投入使用后的問題。一個穩(wěn)定的控制系統(tǒng)可以有效的提高生產(chǎn)的效率，可以為社會帶來巨大的效益。但是新系統(tǒng)的投入使用往往伴隨著技術(shù)培訓(xùn)與設(shè)備費(fèi)用的實(shí)際問題，因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時不能只考慮

26、完成設(shè)計(jì)要求，同時更要考慮該系統(tǒng)投入生產(chǎn)后的一系列問題，既要追求利益最大化，也要考慮如何縮小工程的成本。更要考慮往后系統(tǒng)的升級以及發(fā)展，這就要求在設(shè)計(jì)時在點(diǎn)數(shù)與內(nèi)存等問題上留有余量，為今后系統(tǒng)的升級等打下基礎(chǔ)。焊機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)是焊接正常生產(chǎn)工作的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對焊接作業(yè)過程中參數(shù)的管理，對焊接控制起著舉足輕重的作用。因而需要合理配置監(jiān)測系統(tǒng)的硬件與，其選型非常重要。根據(jù)相應(yīng)的控制要求，本文選用西門子S7-300系列PLC模塊，PLC布置在現(xiàn)場的工控機(jī)旁邊，同時現(xiàn)場幾臺焊機(jī)可以通過DP網(wǎng)絡(luò)的方式（分布式I/O）傳輸?shù)紺PU，這樣可減少傳感器的布線長度，便于維?！?15修3.2 西門子 s7-3

27、00 系列 plc西門子300系列是一種具有模塊化結(jié)構(gòu)的PLC。其模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以使得各種單獨(dú)的模塊之間進(jìn)行廣泛的組合，可以滿足中等性能要求的應(yīng)用。它可以應(yīng)用于多種場合的自動化控制當(dāng)中，尤其被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)制造業(yè)當(dāng)中。在此選用S7-300PLC的主要目的是因其性能可靠、能力強(qiáng)、容易搭建成現(xiàn)場總線（DP）網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，以及西門子MPI網(wǎng)絡(luò)，便于與其他系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)越性能。圖3.1 西門子300系列PLC西門子300 PLC主要組成部分有導(dǎo)軌、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊以及通訊處理器組成。基于S7-300的特殊的結(jié)構(gòu)，塊進(jìn)行搭配來滿足不同的被控對象，來達(dá)到控制要求?？梢赃x擇不

28、同的模圖3.2 PLC運(yùn)行流程圖3.3PLC運(yùn)行流程圖3.3PLC 硬件選型3.3.1處理器單元不同的CPU集成有不同的數(shù)字量和模擬量的輸入與輸出點(diǎn)，輸入與輸出點(diǎn)數(shù)越高說明其性能越強(qiáng)，同理不同的CPU的通信功能也大不相同，例的CPU集成有Profibus-DP的接口。在本課題中選用的型號為CPU 314C-2DP，它集成有Profibus-DP接口，可以實(shí)現(xiàn)分布式布局。該型號的CPU集成有數(shù)字量與模擬量的I/O端口，在工程的較為好中可以直接與進(jìn)程連接。而其具有的PROFIBUS-DP接口則方便使用分布式I/O結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的搭建。 其本身擁有48KB的內(nèi)存用于程序與數(shù)據(jù)，使用卡(MMC)可以擴(kuò)展

29、到4MB。其位操作最小時間為0.1至0.2s。字操作的最小時間為0.5s?？蛇x保持塊為MB0MB2048。3.3.2負(fù)載電源模塊（PS）該電源模塊主要的用處是將通常所用的220V交流電轉(zhuǎn)換為PLC所用的24V直流電。本課題選用PS 307 5A作為電源模塊。3.3.3信號模塊PLC中的數(shù)字量模塊與模擬量模塊組成了信號模塊，所以信號模塊負(fù)責(zé)數(shù)字量與模擬量的輸入輸出等?？梢酝ㄟ^模擬量模塊熱電偶、熱電阻以及輸入信號為直流電流420mA或電壓為010V的多種模擬量信號。本課題訓(xùn)選用模塊SM 331來作為信號的模塊，負(fù)責(zé)24路模擬量?！癝M331可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場的模擬量信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部可以處理的數(shù)字量

30、，該數(shù)字量范圍是027648，然后經(jīng)過PLC的處理使其顯示出需要得到的實(shí)際的數(shù)值。本文選用8AI12位型號作為模擬量輸入模塊?！?63.3.4 ET200M因分布式I/O形式可以有效減少導(dǎo)線長度，大大的節(jié)省了布線、電纜橋架以及其他支出，便于維修。故本課題特別選擇ET200M模塊。搭建控制系統(tǒng)時，需要將輸入與輸出集中，如果PLC遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)的輸入輸出地點(diǎn)，就要鋪設(shè)很長的通信電纜，不但浪費(fèi)而且過長的傳輸容易受到其他電磁等的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以采用PROFIBUS總線的分布式I/O則可以很容易的解決這些問題。3.3.5 通信處理器（CP）它是包括可編程控制器之間、PLC與上位機(jī)以及其他智能設(shè)備通信

31、連接的橋梁。通過通信處理器可以實(shí)現(xiàn)PLC的多種通信。CP不但可以減輕PLC處理通信問題時的負(fù)擔(dān)，還可以省去用戶通過編程進(jìn)行通信的麻煩。3.4 傳感器介紹與選型3.4.1 電流變送器“電流變送器是一種可以將想要測量的模擬量轉(zhuǎn)換成可以被PLC或其他控制器接入的電流或電壓信號的儀表。電流變送器的種類主要有兩線制與四線制兩種。兩線制是指在現(xiàn)場傳感器與控制器之間僅用兩根導(dǎo)線相連，這兩根線不但完成信號的傳輸還為傳感器提供了工作電壓。”1722圖3.10MIK-DJI-400電流變送器下圖為該電流變送器與接口示意圖。圖3.11MIK-DJI-400使用示意圖MIK-DJI-400性能參數(shù)：線性度 分辨率 精

32、度等級絕緣電壓失調(diào)電壓輸出溫漂頻帶寬度消耗電流負(fù)載能力響應(yīng)時間工作溫度溫度0.1%0.1%|PN1級 3kV/50Hz/1min10mV100PPM205KHz，特別是工頻信號5mA+輸出電流電壓輸出：5mA;電流輸出：6V=11.75932767=22.81532767=352.77832767=1000.132767超上界11.7589. 10.000432511. 2764922.810. 20.000532511. 27649352.767. 300.01132511. 276491000.0. 850.110000. 8501額定范 圍10.007.50.-7.5-10.002764

33、820736.-20736-2764820.00016.000. 4.0002764820736. 0300.000225.000. 0.0002764820736. 0850.0.-200.08500.-2000超下界-10.0004.-11.759-27649.-325123.9995. 1.1852-1.-4864不允許 負(fù)值-1.-4864-200.1.-243.0-2001.-2430超下限=-11.76-32768=1.1845-32768-32768=-243.1-32768FC105是處理模擬量（常規(guī)信號）輸入的FC塊，需要在Standard Library中的TI-S7 Co

34、nventing Block中調(diào)用。圖4.3FC105模塊表4.2FC105參數(shù)4.2 數(shù)據(jù)顯示、分析與子系統(tǒng)4.2.1 組態(tài)WINCC 簡介人機(jī)界面（Human Machineerface）簡稱HMI，是一種將人和機(jī)器連為一體的智能化界面。使人和機(jī)器的交往更為簡單，更加人性化、多彩化。它是可以替代傳統(tǒng)式開關(guān)按鈕和指示燈的智能化操作及顯示終端。它還可以用來設(shè)置參數(shù)，顯示數(shù)據(jù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以曲線、動畫等方式描述自動化控制過程等等。強(qiáng)大的人機(jī)界面可以強(qiáng)大到形象直觀的反映整個控制系統(tǒng)，這對于系統(tǒng)開發(fā)和操作都具有很大的?！癢INCC是西門子公司與微軟公司聯(lián)合開發(fā)的一款廉價的并且可以快速組?！?0具有

35、態(tài)的靈活的HMI系統(tǒng)，從眾多角度看，它是一個可以無限擴(kuò)展的規(guī)范的模塊化與很好的靈活性使其不但在簡單的工業(yè)應(yīng)用游刃有余，而且在復(fù)雜的多用戶領(lǐng)域甚至在以分布式布局的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了的可能性?！盬INCC的強(qiáng)大功能，使其在組態(tài)時擁有三種解決問題的辦法：WINCC本身擁有很多標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)資源可以直接應(yīng)用這些其本身自帶的資源來解決問題；WlNCC還可以通過多種控件直接調(diào)用使用Windows本身的應(yīng)用程序；WINCC良好的開放性使用戶可以自己開發(fā)能夠嵌入其本身的應(yīng)用程序來解決問題。作為第一個使用32位過程其他的各行各業(yè)當(dāng)中。”3133的系統(tǒng)，WINCC被廣泛的應(yīng)用于制造業(yè)以及4.2.2 WINCC的開發(fā)

36、流程圖4.4系統(tǒng)開發(fā)流程要創(chuàng)建WINCC系統(tǒng)首先打開，并且新建一個項(xiàng)目，在中新建一個驅(qū)動，本文是采用MPI通信方式來連接WINCC組態(tài)與PLC，故應(yīng)選定驅(qū)動SIMATIC S7 Protocol,在其內(nèi)部選定MPI進(jìn)行新建驅(qū)動程序，然后在其內(nèi)部建立本文所要監(jiān)測的24路模擬量，設(shè)置好變量地址，下一步既可進(jìn)行面的設(shè)計(jì)。畫4.2.3 WINCC畫面(1)變量分類“外部變量: 外部變量就是過程變量，指通過數(shù)據(jù)地址與自動化系統(tǒng)(這里所指的自動化系統(tǒng)最為典型的就是PLC)進(jìn)行通信的變量。WINCC可以通過外部變量外部自動化系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，也可以通過外部變量控制外部自動化系統(tǒng)，即WINCC對外部自動化系統(tǒng)的

37、監(jiān)測是在外部變量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。沒有外部變量，WINCC就失去了與外部自動化系統(tǒng)通信的能力，所以外部變量是最為總重要的?！?4“內(nèi)部變量:WINCC的內(nèi)部變量不參與外部設(shè)備的控制。同時其也沒有與之匹配的通道和驅(qū)動，不需要建立相應(yīng)的連接。項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)并將其傳送給歸檔系統(tǒng)?？梢岳猛ㄟ^內(nèi)部變量管理的系統(tǒng)變量:為了 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方便，WINCC還提供了一些定義好的有明確意義的變量供調(diào)用，這些變量就是系統(tǒng)變量。系統(tǒng)變量是通過開頭的地方加上一個來與其他變量進(jìn)行區(qū)別的。同時系統(tǒng)變量時WINCC本身創(chuàng)建，不需要設(shè)計(jì)者自己創(chuàng)建，并且系統(tǒng)變量可以實(shí)現(xiàn)在項(xiàng)目的全部以它是全局變量。與畫面實(shí)現(xiàn)調(diào)用，所變量：相對全局變量

38、而言，與畫面中使用。”35變量只能在其所定義的范圍內(nèi)既在項(xiàng)目的全局(3)登錄界面圖4.5 登錄界面用戶登錄：擁有登錄權(quán)限的用戶可以點(diǎn)擊該按鍵輸入賬號、進(jìn)行登錄，如登錄信息不對則彈出未知用戶名?？颍绻卿洺晒t在右下角顯示登錄人的姓用戶注銷：已經(jīng)登錄的用戶如需換崗等，可以點(diǎn)擊用戶注銷按鈕進(jìn)行注銷。退出系統(tǒng)：點(diǎn)擊退出系統(tǒng)則上位機(jī)自動關(guān)閉該操作系統(tǒng)。主畫面：當(dāng)按下該按鈕的時候，可以跳轉(zhuǎn)到主畫面。關(guān)閉計(jì)算機(jī)：當(dāng)按下該按鈕的時候，可以自動關(guān)閉計(jì)算機(jī)。(4)主畫面畫面主要實(shí)現(xiàn)對5臺焊機(jī)的電流、電壓、焊接保護(hù)氣體的流量以及焊主機(jī)熱量等實(shí)時數(shù)值的顯示功能，五個按鈕分別對應(yīng)按五臺焊機(jī)的電壓、電流的實(shí)時曲線，按

39、下按鈕可以實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。圖4.6 主畫面(5) 變量“過程值歸檔實(shí)際就是將通過傳感器等器件到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且對現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔的過程。這樣獲得的過程數(shù)據(jù)可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要性和相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)過濾?！?6下圖為過程之歸檔原理圖：事件的保存，便于以后查詢。相應(yīng)的處理措施等也會給出提示。”3739第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 相關(guān)通信5.1.1S7-300 的主要通信方式MPI通信“MPI是多點(diǎn)接口的簡稱，S7-300CPU集成了MPI通信協(xié)議，MPI的物理層是RS-485，可以達(dá)到12Mbit/s的最大傳輸速率”40Profibus通信“基于Profibus的現(xiàn)場總線可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的以

40、及實(shí)現(xiàn)通信。由于它是由西門子公司開發(fā)的，所以一切符合Iec 61158-3標(biāo)準(zhǔn)的廠商的設(shè)備可以很輕松的與該總線實(shí)現(xiàn)通信。”41因?yàn)槠浼稍贑PU上的Profibus-DP接口，所以西門子300系列的PLC便可以快捷方便的接入Profibus總線，與該總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Profibus最多可以達(dá)到與接入系統(tǒng)的127個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，在該總線中最多可以擴(kuò)展10個中繼器的長度來完成(3) 工業(yè)以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信主要應(yīng)用于工廠的管理級的通信，它是基于IEEE 802.3國際標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)立的。應(yīng)用以太網(wǎng)通信的現(xiàn)場往往對時間的精度不是很高。同時以太網(wǎng)通信可以利用網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)并完成網(wǎng)絡(luò)的大量的數(shù)據(jù)的傳輸。5.2Pro

41、fibus-DP 總線“Profibus是西門子公司主推的一種具有高度開放性與可擴(kuò)展性的并且可以滿 際標(biāo)準(zhǔn)的一種現(xiàn)場總線。”41它往往被應(yīng)用到中等規(guī)模的工程來解決實(shí)際問題。以其通信原理速度高、協(xié)議開放、技術(shù)成熟等特點(diǎn)在加工制造、過樓宇自動化都能行業(yè)中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。在Profibus上的通信有多種形式，如FMS、FDL、DP以及與PA的通信等?！癉P通信經(jīng)常被用于解決現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸問題，在它的幫助下可以實(shí)現(xiàn)非?？焖俚臄?shù)據(jù)傳輸。在DP通信時，像PLC一類的控制器都是通過其本身的高速傳輸串行線進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)與輸出等操作。由于在它進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的時候是由主從站點(diǎn)進(jìn)行能。”4244的，因而他可以實(shí)

42、現(xiàn)擴(kuò)展性很強(qiáng)的組態(tài)以及配置數(shù)據(jù)的額功5.3WINCC 通信原理WINCC的通信主要是自動化系統(tǒng)之間的通信及WINCC同其他應(yīng)用程序之間的通信。WINCC的變量時被變量管理器集中管理的。WINCC在運(yùn)行的時候會進(jìn)行和變量。和管理在項(xiàng)目中創(chuàng)建的變量以及在項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)的所有數(shù)據(jù)WINCC與AS之間的通信，都是依賴過程總線實(shí)現(xiàn)的。WINCC不但提供了如西門子S5、S7、以及505等系列PLC通道，還提供了如DP/FMS、DDE以及OPC等通用通道的來與第控制器通信。此外，它還可以使用附加件的形式來為連接其他種類的控制器提供通道。5.4WINCC 與 PLC 通信在本課題中，綜上所述，由于選擇了西門

43、子300PLC，故編選擇STEP 7,而為了通信等后續(xù)工作的順利完成，所以組態(tài)選擇了與PLC配套的WINCC。而對需求以及現(xiàn)場分析，最終決定利用MPI通信來連接WINCC與PLC兩者。最終完成并要實(shí)現(xiàn)在焊接工作現(xiàn)場所需要監(jiān)測的24路模擬量通順利過傳感器進(jìn)行，傳入Profibus總線（分布式I/O）的節(jié)點(diǎn)，最后傳送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與分析。當(dāng)其中的某段通信出現(xiàn)錯誤時，可以實(shí)現(xiàn)在畫面進(jìn)行。5.5S7-300 與 ET200M 的通信作為S7-300PLC的從站，ET200M與PLC是通過PROFIBUS-DP總線完成通信的。首先，S7-300擁有有通口IM360，它主要是擴(kuò)展本體模塊并且走背板

44、總線，負(fù)責(zé)從站以及擴(kuò)展模塊的連接。作為一種模塊化輸入輸出站點(diǎn)，ET200M不但有高密度配置，并且它的保護(hù)等級很高。因起所包含的模塊種類非常廣，故其往往被應(yīng)用于復(fù)雜的控制任務(wù)當(dāng)中。它可以實(shí)現(xiàn)對s7-300系列PLC的信號模塊、功能模塊以及通訊模塊等進(jìn)行擴(kuò)展。作為PROFIBUS-DP總線上的從站，ET200M也可以在有電源的情況之下，而在其余模塊仍繼續(xù)運(yùn)行過程中配置S7-300系列 PLC的輸入輸出模塊的有源總線模塊。在投入實(shí)際應(yīng)用之前分應(yīng)對設(shè)計(jì)的焊機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以確保其能夠正常運(yùn)行，盡可能的考慮到各種可能發(fā)生的狀況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所存在的缺陷并加以更改。主要針對PLC、WINCC程序是否正確

45、，以及現(xiàn)場接線等問題進(jìn)行檢查，確保無錯誤發(fā)生，從而避免損失。第六章總結(jié)本文是針對某企業(yè)焊接設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測所作出的設(shè)計(jì)，為了提高本設(shè)計(jì)的自動化程度，選擇了西門子公司的功能強(qiáng)大的S7-300系列PLC作為其控制器，而為了后續(xù)工作的順利以及對等方面的考慮，選在與PLC配套的WINCC作為上位機(jī)組態(tài)。而多臺設(shè)備采用服務(wù)器/客戶機(jī)結(jié)構(gòu)框架，以現(xiàn)場的工控機(jī)做為服務(wù)器，利用無線路由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將到的數(shù)據(jù)傳送到控制室的各個客戶機(jī)，使各個客戶機(jī)所在的房間可以更加簡單的進(jìn)行監(jiān)測，從而進(jìn)行顯示分析等多項(xiàng)功能?？蛻魴C(jī)與現(xiàn)場設(shè)備顯示相同的界面和內(nèi)容，同時設(shè)定不同的操作員擁有不同的權(quán)限，這樣便于在不同的場合對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行

46、實(shí)時設(shè)備方面采用PROFIBUS-DP總線來實(shí)現(xiàn)PLC與各個焊機(jī)附近的模擬量以及上位機(jī)的通信。目前已經(jīng)完成了下述部分的工作：?，F(xiàn)場模塊詳細(xì)了解了焊接系統(tǒng)相關(guān)工作流程，詳細(xì)分析了PROFIBUS現(xiàn)場總線通信方式實(shí)施的可能性，以及確定了總線上的主站與從站的通信方式。該系統(tǒng)焊接工序主要由以下幾部分組成：焊接系統(tǒng)，氣密性檢測系統(tǒng)，平面度檢測等工序。(3)S7-300PLC設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)對12路模擬量以及故障等控制同時完成PLC與WINCC之間的通信，使變量發(fā)生傳遞；(4)WlNCC界面的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模擬量的，并可以根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而進(jìn)行，報表，歸檔，日志等操作；同時采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將到的數(shù)據(jù)

47、發(fā)送給各個控制室，節(jié)約了布線等的成本。同時，由于本人學(xué)術(shù)水平及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和時間的限制，此系統(tǒng)還存在一些需的地方。如：該監(jiān)測系統(tǒng)如果能與焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)合將解決很多實(shí)際遇到的麻煩。總而言之，在本課題的過程中，本人通過廣泛查閱資料、認(rèn)真深入的研究以及虛心的請教，不但使自己在電氣設(shè)計(jì)方面有了很大的提高同時對電氣設(shè)計(jì)工作也有了很深刻的認(rèn)識，更加提高了自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，這些能力對于自己未來的發(fā)展是很有幫助的。參考文獻(xiàn)1.轎車排氣系統(tǒng)焊接中的機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)J.電焊機(jī),2010 年 1 期曾2.直管對接熱絲TIG 焊機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D,青島大學(xué),20123.FANUC 弧焊機(jī)器人程序

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