6ES7223-1BM22-0XA8参数介绍日本三菱公司的FX系列PLC在我国应用十分广泛，是目前上占有率较高的几种PLC机型之一。根据三菱公司提供的技术资料，在用户系统中，要实现PLC与Pc机串行通信，一般还需购买FX-232-BD通信模块；而PLC自身所带的编程口在下载完程序后处于闲置状态。因此，若能直接利用编程口实现PLC与PC机串行通信，将有利于节约资源。 PLC主要面向生产现场，具有使用方便、可靠性高和抗干扰能力强等优点。PC机直接面向用户，在数据处理、图像显示和打印报表等方面具有显著优势。将PC机与PLC以上、下位机的形式联合起来应用，可以更有效地发挥各自优势，互补应用上的不足。 LabVIEW是美国NI公司开发的一个基于计算机的虚拟仪器开发平台。强大而灵活的仪器控制功能是LsbVIEW区别于其他编程语言的主要特点，LabVIEW在数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试等领域有着广泛的应用。1 系统硬件构成 三菱FX系列PLC自带的编程口是RS-422接口，而PC机的串行通信口则是RS-232C接口，两者之间需要通过SC-09适配电缆才能通信。不同设备上相同类型的通信接口的引脚定义可能存在差异。PC机与三菱FX系列PLC上的通信接口引脚定义如图1所示。图1 接口引脚定义 RS-422和RS-232C是两种不同标准的串行数据接口，两者的主要差别在于信号传输方式不同。RS-232C标准利用信号线与公共地线之间的电压差进行信号传输，采用的是单向传输方式；RS-422标准则是利用传输线之间信号的电压差进行传输的，采用的是差动传输方式。SC-09电缆实现了这两种不同的信号传输方式之间的转换，其内部电路如图2所示。图2 SC-09电缆内部电路2 通信协议 PC机与PLC之间有两种通信方式：一种是PC机具有优先权而PLC始终被动响应Pc机发来的命令；另一种则是PLC具有优先权，将命令发送给PC机，并接收来自PC机的响应。本文采用的是前一种通信方式。 为实现Pc机与FX系列PLC编程口之间的通信，系统采用的是编程口专用通信协议。2.1 控制字符 在PC机与FX系列PLC的串行通信中，数据是以帧为单位发送和接收的。其中，控制字符ENQ(05H)、ACK(06H)和NAK(15H)可以构成单字符帧心1，其余的字符帧在发送或接收时都必须用控制字符STX(02H)和ETX(03H)分别作为该帧的起始标志和结束标志。 各控制字符的意义如表1所示。表1 控制字符意义2.2 命令代码 PC机对PLC相应软元件的操作是通过“0”、“1”、“7”、“8”四个命令符来实现的，各命令符的含义如表2所示。表2 命令字符含义2.3 命令帧 一个完整的命令帧由控制字符STX(02H)、命令码(CMD)、数据段、控制字符ETX(03H)以及和校验码五部分组成。其中，和校验码是从命令码到控制字符ETX的所有字符的ASCII码(十六进制)相加所得结果的低两位数。 ①PC机“读”命令帧 “读”命令帧由报文开始标志、命令码、软元件首地址、软元件数据长度(字节数)、报文结束标志以及和校验码组成。 当通信正确时，PLC返回的应答帧由报文开始标志、数据段、报文结束标志以及和校验码组成；通信出错时，PLC应答“NAK”1 通信系统联网结构 可编程控制器的联网结构主要指从物理上把各个节点连接起来形成网络，实现通信，构成更强大的控制系统，常用的连接结构主要有链接结构和网络结构。在通信网络中，各网络节点、各用户主机进行通信，必须遵守一套事先制定的规则协议，1979年化组织提出了一套开放式系统互联参考模型，定义了各种设备连在一起进行通信的结构框架。 组网控制系统的控制器为三菱FX2N-48MR型可编程控制器，选用RS-232C/485转换接口以及FX-485ADP通信模块组成1：8的联网控制系统，实现控制和监控数据的发送与接收，上位计算机监视PLC间的数据通信，开发程序的修改由上位机PCc机编写与下载。上位机与PLC联网通信系统结构图如图1所示。 图1 上位机与PLC联网通信系统结构示意图2 通信协议及通信格式 1) 系统的通信协议 三菱FX2N-48MR PLc的传输参数和传输控制协议设置在内部寄存器D8120，寄存器参数设置可由b0设置数据长度;b1b2设置奇偶校验;b3位停止位设置;b4-b7位控制波特率的设置位;b13位为和校验位;b14位为协议位;b15位为传输控制协议设置。在该组网控制系统中通信方式采用半双工，同步方法采用起始停止位方式同步，传输速率为9600bps，起始位为1位，数据长度为7位，奇偶校验为偶校验，停止位1位，使用校验和，采用三菱公司专用协议，D8120设置为H6082。 2) 站号的设置 网络控制系统中明确各个PLC控制器的站号，用可编程控制器提供的数字来确定计算机在访问的哪个可编程控制器。在三菱FX2N-48MR型PLC中，站号由D8121寄存器来确定，可以应用指令MOVE KX D812l，其中x可从00H到0FH。在该系统中站号设定为0—7。系统采用面向字符的通信协议，数据传输以帧为单位，上位机与下位机每次只传送一帧信息，主站发出命令帧发起通信，被访问的从站PLC相应含有自己从站号的命令，从站发出一个响应帧，该从站就通知主站与哪台从站进行通信。 信息帧格式如图2所示。 图2 命令帧、响应帧和确认帧格式 ENQ计算机发出请求，ASCII码为05H：ACK PLc对计算机的提问做出确认回答，ASCII码为06H;NAK PLC对计算机的提问做出否认回答，ASCII码为15H;STX信息帧开始标志，ASCII码为02H;ETX信息帧结束标志，ASCII码03H。PC机向PLC发出的命令PLC不理解时用NAK回答。 3) PC机向PLC发送报文格式 PC机向PLC发送的报文格式如下： 其中STX为开始标志02H;ETx为结束标志03H;CMD为命令的ASCII码;SUMH，SUML为CMD到ETX按字节求累加和，溢出不计。由于每字节十六进制数变为两字节ASCII代码，故校验和SUMH与SUML。 PLC对PC机应答报文格式如下： 对读命令的应答报文数据段为要读取的数据，一个数据占两个字节，分上位下位。对写命令的应答报文无数据段，而用ACK及NAK作为应答内容。 4) 传输过程 PC机与FX2N-48MR之间采用应答方式通信，传输出错则组织重发。PLC根据PC机的命令，在每个循环扫描结束处的END语句后组织自动应答，无需用户在PLC一方编写程序。3.通信的实现 根据PC机与FX2N-48MR PLC的传输应答过程编制出如图3所示的通信程序流程图。按照流程图可以编写出通信程序实现PC机与PLC之间的串行通信以完成数据的读取。 图3 通信程序编写流程图4 结论 本文所述PC上位机实现对下位机PLC的联网控制方案已经得到成功应用，提高了可编程控制器的控制范围和规模，增加了系统监控和智能管理水平，易于实现程序开发和利用0 引言车身总装焊接是白车身焊接中的关键工序，直接影响到汽车发动机、门盖、前后桥等其他零部件的装配。国内外主流汽车生产线在白车身总装工序的设计和控制方面都做了不少探索，形成了一批自动化程度高，焊接工艺优良且工作效率高的车身总装夹具。由于现场总线技术的发展，其将智能化现场设备、自动化系统通过一条物理线路连在一起，取代控制器和控制器之间的信号传输［1］，解决了以往集散控制系统布线量大，布线种类多，费用高和易受干扰等缺点［2］。总线技术为车身焊装自动化控制提供了强有力的技术支持。原始的车身总装夹具采用的是人工操作各种气阀，来达到总装工艺的要求; 这种控制方式不但无法控制好车身总装的质量，而且生产节拍要求很难达到。本文根据北京某公司轻客生产线的实际要求，设计出了一套基于PLC 和触摸屏的车身总装夹具的自动化系统。本系统使生产节拍由原来的450s ～ 600s缩短到250s ～ 360s，改变原来由全人工操作为全自动操作，对控制设备成本，提高经济效益很有帮助。1 车身总装设计方案本设计要求在总装工艺上能实现八种不同车型的焊装，考虑到经济和实际的运用，我们在本设计中加入一些切换机构，如有无舵切换，有无门洞切换，新旧前围切换，长短车型切换等。考虑到板件运输和生产效率，本总装夹具采用吊具运输板件，结合触摸屏和各个控制盒上设置的按钮，来控制整改设备的动作。又由于本设计是根据某公司轻客原车身焊接线而改造，所以从原生产线考虑改进设计如图1所示。图1 车身总装夹具总体构架示意图本车身总装工艺分为侧围补焊工艺和车身总拼工艺，通过左右吊具系统进行板件的输送。整个车身总装的动作采用气动控制。侧围补焊工位分为左右补焊夹具，属于对称分布，工艺流程类似。侧围补焊工位是一个可翻转的夹具，夹具的翻转是通过变频器控制伺服电机来实现。侧围板件成型后输送到侧围补焊位( 此时侧围补焊夹具处于垂直位) ，然后进行焊点补焊; 补焊完成后，侧围补焊夹具翻转到水平位置，通过吊具抓件向总拼位输送。考虑到侧围补焊控制的方便性，本设计在侧围补焊位设立的独立的控制柜; 此控制柜可控制补焊位和相应的吊具系统。车身总拼工位分为左右侧围位，与侧围补焊一样对称分布。总拼工位的侧位为一个可翻转的夹具，考虑到总拼翻转夹具自身的重量很大，用电机翻转不但效果难实现且成本会加大，故我们考虑用250mm 缸径的气缸控制。总拼位接受来自于吊具系统输送的板件( 接受板件时总拼位侧围处于水平位置) ，然后总拼位侧围夹具夹紧翻转; 在地板上完后，侧围位平移合成车身，后进行焊接。为了操作人员控制的方便和生产安全，在总拼位设立了四个控制盒子，进行配合控制。总拼位的前围也是一个翻转机构( 如图2) ，前围上件夹紧，从水平位翻转垂直，后平移到位焊接; 焊接完成后原方式动作复位。图2 前围夹具三维图2 车身总装控制方案由于车身总装上工序较多且各个部分联系较紧密，所以将整个控制系统分为三个子系统，分别为:侧围补焊系统，总拼系统和吊具系统( 如图3) 。由于DeviceNet 总线具有开放、低价、可靠、高效的优点，特别适合于高实时性要求的工业现场底层控制; 它运用网络技术数据传输可靠、信息响应快速、抗干扰能力增强; 具有自动诊断、故障显示功能;更好地满足控制系统信息集成的要求; 总线节点具有良好的防护等级［3］。所以本设备各个系统间及系统内部通过DeviceNet 总线进行实时信号控制，分析和处理，并通过触摸屏实现各个部分工作状态的监控。由于本系统各个工位是对称分布且对称工位控制方案类似，故以下只叙述系统动作不区分左右。图3 控制方案侧围补焊系统主要由三个控制过程组成，分别是阀1 控制侧围补焊工位的气缸的动作; 阀2 控制侧围翻转台的到位锁死动作; 侧围变频器控制侧围翻转台翻转动作。吊具系统主要功能是将板件输送到总拼工位，是本工艺中联系侧围补焊和总拼工位的纽带。吊具系统的控制形式如下: 独立阀1 控制吊具抓紧气缸的动作; 独立阀2 控制吊具平移小车到位锁死动作;变频器控制吊具的升降、平移。总拼系统是车身总装关键工位，要完成的工序多，安装标准严格，故采用三个阀岛进行集中控制( 如图3 所示) 。阀岛1 是由10 个两位两通阀和2个两位三通阀组成，其中10 个两位两通阀控制如下: 门洞动作控制、舵型切换控制、侧围夹紧1、侧围夹紧2、五个独立固定焊钳控制、侧围限位销控制。侧围水平平移和侧围翻转需气压较大且要求能在出故障时立即停止，故采用三位两通独立阀控制; 阀岛2 主要控制地板和前围的相关动作，由5 个两位两通阀和1 个三位两通阀组成。其中两位两通阀控制如下: 前围夹紧动作，前围翻转动作，地板夹紧动作，长短车型切换动作，前围切换动作; 考虑到前围平移的安全，我们在前围水平移动控制采用三位两通阀。3 控制系统的设计根据工艺方案和控制方案的设计，结合设备的动作实际要求，我们进行了硬件的选型和程序的编写。本车身总成系统的核心处理器采用欧姆龙CJ-1W 系列的PLC，PLC 通过RS232 通讯电缆和触摸屏通信; 触摸屏选用的是欧姆龙NS10-TV00B-V2［4］，该系列触摸屏以数据，图形，按钮等各种形式来反映PLC 的内部状态位，存储数据，从而参与工程控制，能良好的满足经济实用的要求。系统所有的逻辑控制和判断、中间继电器及时间继电器的逻辑功能等均由PLC 内部程序指令来实现。考虑到焊装车间的焊屑比较多，故选择防护等级高的SMC 阀岛EX245-SDN2-X35，并在气源处加上过滤网。3. 1 PLC 选型及软件设计PLC 是整个系统的控制核心，本系统采用CJ-1W系列的组合模块式PLC，控制模块采用CJ-HCPU45［4］，通讯模块采用CJ1W-DM21［4］。根据系统控制方案，可统计输入点数为73，输出点数为55。为了保证系统I /Q 点数的需要并预留扩展空间，选择5块16 点数字输入模块( DRT2-ID211: DI16 ×24DC) ［4］; 4 块16 点数字输出模块( DRT2-OD211:DO16 × 24DC) ［4］。按车身控制方案，我们用Cx-Integrator 进行总线组态，在DeviceNet 总线两端用120 欧的终端电阻终结。CJ-1W 作为欧姆龙系列PLC zhonggong能强大的中型模块式PLC，其编程语言是Cx-programmer，支持梯形图、指令表、功能图编程方式，具有结构化程序设计的优点，用树型的形式管理用户程序以及程序需要的数据等。本系统的工作流程框图( 如图4) ，简述如下:(1) 系统开机后，会进行包括站点故障，总线状态，设备当前状态等自检内容，无故障即可进入运行状态。(2) 当运行开始时，本系统会根据当前的模式进行动作; 手动模式下，根据要生产的车型，进行如新旧前围、长短车型、有无门洞、有无舵的切换。(3) 各个切换完成后，按下自动运行模式按钮，补焊工位会上件夹紧，并进行补焊。(4) 完成补焊后按下补焊工位控制柜上的‘吊具下行’按钮，吊具会自动从中位平移到补焊工位; 与此同时补焊位夹具水平翻转，吊具自动下降抓件，后升起向总拼位平移。(5) 此时会判断总拼位围位是否翻转，如没有翻转吊具将在中位停止; 如已经翻转吊具会将板件运输到总拼侧围。放件完毕后吊具会自动升起回到中位，等待下次工作。(6) 总拼位侧围接受到板件后会自动夹紧，同侧两人同时按下操作盒上侧围翻转按钮，侧围夹具会垂直翻转。在吊具放件的时候就可以上地板并夹紧。(7) 同侧操作人员同时按下‘侧围前进’按钮，侧围将平移前进; 侧围平移到位后，滑台定位销将下降，此时车身总装合成完成; 接着进行相关的焊接工作，如前后梁焊接，车身各个点焊接，前围动作焊接以及固定焊钳的自动焊接等。(8) 所有的车身焊接完成后，按下操作盒上的‘工作完成’按钮，总拼位各个夹具会自动松开，接着侧围滑台定位销自动升起; 同侧操作人员同时按下‘侧围后退’按钮，侧围滑台自动后退平移，滑台定位销在后位下降。到此整个动作循环结束。图4 系统工作流程框图本设备手动与自动控制、各个夹具的夹紧打开、故障信号的实时检测等，均会通过主控柜上触摸屏进行人机交互。本系统中设立的实时故障检测功能，一方面会在触摸屏上显示报警地点，另一方面会使故障部分设备中断，确保操作人员安全。3. 2 触摸屏软件的设计触摸屏将设备的分步动作功能键及显示集于一体，能方便的操作和监控设备，并显示当前设备工作的状态。选用欧姆龙触摸屏NS10-TV00B-V2［4］，通过使用欧姆龙Cx-Designer 组态软件提供的多种控制按钮库、图形控件、功能控件等，可方便的对设备所需的显示和操作进行优修改。软件还可以为不同的操作人员设立不同的密码和使用权限。触摸屏软件的设计包括设备的分步功能按钮，各个动作的画面和信息，并将他们与PLC 程序相连。根据系统功能的要求，设计了气动界面，分步工位按钮，各个工位气缸信号检测显示，报警显示以及调试等界面。如图5所示为总拼工位主要界面; 图6 所示为车型滑台限位夹具监控界面。图5 总拼工位界面图6 车型滑台限位夹具界面4 结束语本设计根据某公司轻客生产实际要求，通过PLC和触摸屏的联合控制，简化了现场操作，提高了控制程序和人机界面的灵活性，并提供了完善的实时监视功能，使系统性能更加安全可靠。本车身总装夹具已经投入实际生产，单车生产节拍不超过360s，有效的保证了车身生产线的节拍; 设备通过近3 万辆车的生产检测，设备系统稳定、故障检测与排除方便，达到了预期的目标。