探讨基于PLC的汽车总装线监控及报警系统设计

中心议题：
    *  基于PLC的汽车总装线监控及报警系统设计
解决方案：
    *  系统整体设计
    *  汽车总装线plc控制程序设计
    *  wincc监控程序开发

1 引言

汽车总装生产线是整个汽车生产线的重要组成环节，其运行状况直接影响到汽车厂生产的数量和质量。为此，本项目设计基于step7的plc控制系统，项目软件平台由西门子wincc6.2实现汽车总装线监控系统以及相关报警系统。

西门子公司的wincc组态软件具有监控生产过程的强大功能，是基于个人计算机的数据采集与监视控制系统。它可以对现场的运行设备进行监视控制，实现数据采集、设备运行、参数调节以及各类信号报警等各种功能。wincc具有广泛的应用和较强的兼容性，能提供成熟可靠的操作和高效的组态功能，同时具有灵活的配置能力。

2 系统整体设计

华晨金杯a1车总装车间监控系统由中控室和现场7个plc控制站组成。整个控制系统采用“集中监视、分散控制”的模式，依据这一原则，将整个系统分为三个层次，即监控层、控制层和设备层。每个层次中使用不同的网络结构及软硬件配置，以实现各自不同的功能。系统组成形式如图1所示。

图1 a1车总装车间监控系统整体组成

2.1 监控层主要功能

中控室采用计算机监视系统通过以太网(ethernet)对车间内各个受控设备的运行信息(指能够通过以太网向计算机监视系统传送的数据)进行实时采集和集中监控。中控室设置数据采集服务器一台(工程师站)，作为scada服务器(监视控制和数据采集)系统以windows 2003 server为操作平台，运行控制软件(step 7)完成生产线各控制软件编制及上下载、故障诊断，运行组态监控软件(wincc6.2)，完成设备控制信息和生产数据的采集工作，经过程序处理，生成各种文件，显示各生产区域的动态画面及图形，对该区域的生产设备状态、生产状况、物流状态进行动态模拟、实时监控，并实现实时反映生产环节中各部接口和设备的情况。

监视计算机2台(操作员站)，看板系统控制计算机1台，从scada服务器读取数据库内的信息，建立显示界面并对设备的运行状况进行实时监视，并能自动记录工艺参数、打印故障报表。中控室及plc网络采用以太网交换机(switch)进行网络联接，以太网交换机(switch)之间的联接采用光缆。

2.2 控制层主要功能

控制层采用plc及profibus现场总线接受现场发来的数据信息，经过cpu运算与处理后，发出相应的指令(输出信号)对现场设备进行控制。同时，各个主要单台设备的控制系统具备以下功能：

(1) 能够实现对该设备本身的独立控制，并满足工艺要求；
 

(2) 凡是需要在中控室内集中监视的数据(如运行状况、故障信息等)，各个单台设备的控制系统均能够独立地进行实时采集；

(3) 必须具有中控室计算机监视系统所需的网络接口(以太网)。

2.3 设备层主要功能

设备层主要包括现场操作站、现场传感器(接近开关、光电开关等)、现场其它输入设备(如控制按钮等)、显示设备(如指示灯等)等，直接或通过现场总线与控制层中的plc相联系，将输入信号发送给plc，将plc输出指令发送到现场设备。

在生产线上需要人工参与或手动控制的环节设置，原则上在现场相关区域和主要专机及单线(体)设备旁均应设置本地操作站，如生产线上的升降机、移行机、转台、链式输送机等等。

由于同为西门子产品，wincc和s7- 300 plc下位机之间可实现无缝、高可靠性的通讯连接，最大限度地满足了总装车间实时监控和网络扩展的需要。

3 汽车总装线plc控制程序设计

汽车总装生产线控制系统比较复杂，因此将整个总装线分为7条分线来分别控制，即：bdc存储线、内饰线、门线、底盘线、发动机线、仪表线、终装终检线。各线的plc程序可独立运行互相之间有联锁信号。

采用西门子step7作为编程工具，为了满足上位机wincc监控系统的需要和报表系统的设计要求，在开发plc控制程序的同时，设计了相关的动态数据文件，既为上位机监视和控制提供相应的变量和数据，也为报表系统提供了相关原始数据。

4 wincc监控程序开发

4.1 上位机监控系统功能

根据整个总装车间的工艺流程、工艺参数和监控要求，设计开发了上位机监控系统，并将画面分为主画面、bdc车身存储区、内饰装配线、车门线、底盘线、发动机前桥装配线、仪表板装配线和终装终检线。在监控系统主画面上可以显示整个车间宏观运行情况，通过屏幕下方的切换按键可以随时切换到其他分线的监控画面中。

除用于存储区和装配线的运行状态显示、故障显示、设定外，还能够对存储区和装配区的内饰线、车门线、底盘线、终装终检线进行运行控制，包括全线的启动停止、单线的启动停止、存储区的放车程序选择、手动选择放车、运行速度的调整等。

另外，系统还包括完善的报警和报表系统，能对生产线的故障进行统计、保存和打印。

监控系统主画面如图2所示。

图2 a1车总装车间监控系统主画面

4.2 监控系统画面组态

上位机(工程师站)安装wincc开发版，操作员站安装运行版。它提供适用于工业应用的图形显示、消息、归档以及报表等功能模板，能方便的生成全图形化人机界面。上位机同时装有step7编程软件，采用以太网方式与现场plc连接，可以实现在中控室内监视和修改plc程序。

在组态画面之前，首先要建立wincc与step7的动态连接。wincc与 plc之间的通信主要依靠s7协议中的simatic s7 protocol suite协议通道来实现。通过设置以太网地址、机架号、槽号等建立上位机与各分线plc的连接。

在连接建立好以后，要通过建立变量标签、绘制组态画面、元件属性的变量连接和调试等步骤实现wincc对现场运行状态的监控。

(1)建立变量标签：在plc与wincc通信握手建立之后，要在wincc中对plc程序中的变量建立相应的标签。应当注意的是wincc中选择的plc变量必须与plc程序中的变量地址一一对应。

(2)绘制组态画面：在wincc图形编辑器画面中，根据总装车间的设备布置和监控要求，利用wincc绘图工具或兼容绘图软件设计完成所有能实时反映现场状态的监控画面以及其他操作画面。绘制时，应尽量使画面和元件的位置与现场保持一致，并要充分兼顾将来用户的操作习惯，务必使画面简单、友好和易于操作。
 

(3)元件的动态连接：要动态的反映现场设备的运行状态，就要对所绘制的元件的颜色、样式、闪烁、几何等属性进行变量连接。当变量发生改变时，元件的属性发生相应改变，从而实现对被监控系统工作状态的监控，并能直观显示。在调试时应注意要是绘制元件的动作时间周期与实际元件的动作时间周期保持一致。图3为底盘线维修升降机监控画面。

图3 底盘线维修升降机监控画面

4.3 报警系统组态

在工业生产中，安全无疑是最重要的，应该采取任何措施减少故障的发生。故障发生时应当及时通知操作人员，因此报警消息系统对于整个系统的正常运行有着重要意义，它是人机界面应用系统中的重要组成部分。

(1) 组态报警画面：利用wincc提供的wincc alarm control报警控件可以完成对各种报警的触发条件、显示颜色和描述的配置，并能实现实时和历史数据的显示、确认。历史纪录可以设为短期和长期两种，采用先入先出的方式进行实时刷新。通过修改相关设置，可以对报警信息进行存储，存储周期可以按照客户要求来设定，而且可以根据输入的时间段来抽取报警信息并通过报表形式打印出来。因此，该数据库是各种数据报表统计的来源。图4为短期报警消息窗口。

图4 短期报警消息窗口

(2) 报表系统的设计实现：wincc报表系统功能比较强大，并提供user archives (用户归档)可选功能。它的作用是以用户自定义的结构将wincc中的数据保存在内置的wincc数据库中。这些数据可通过表格的方式由active x控件显示。因此，根据实际需要设计了各种报表表格结构。利用报表系统可以实现对生产线的开动时间、停机时间、故障时间进行统计，对设备故障的发生时间、部位、原因和故障停机时间进行保存和打印。

5 结束语

本系统操作简洁，易于修改工艺参数，并在华晨金杯a1车总装车间经调试运行后，自08年投入使用并无故障运行至今。因此，从现场使用情况来看以wincc为上位机组态软件的hmi界面友好、功能完善，不仅完全满足该厂的工艺要求，而且提高了自动化控制水平和生产效率。