IT技术在上海大众汽车冲压生产线上的应用

本文通过在上海大众汽车冲压车间自动化生产六线的控制系统改造中，WinCC  Web Navigator的技术应用实例，介绍了IT技术在工业控制领域中的实现过程。

近年来,互联网、信息技术飞速的发展正在强有力地推动着工业领域技术的发展。WinCC Web Navigator 是WinCC系统的一个选件，它正是利用这种互联网的IT信息技术，向我们提供了通过互联网和IE浏览器来监控工业生产控制过程的新技术，为工厂提供了技术上更加先进、操作上更加方便的一种新型的分布式HMI的方法。现在，我们在上海大众汽车冲压生产六线上已经成功地将WinCC Web Navigator这项技术应用到大型工业设备中。

上海大众汽车冲压车间生产六线采用的是20世纪90年代从德国进口的机械设备，整条生产线由6台多连杆压机、6套与之相配的上下料机械手输送系统以及1套板料清洗系统组成，它以生产轿车外覆盖件为主。在正常情况下，生产线可无人干预地自动运行，最高生产节拍为每分钟8个零件。该生产线全貌见图1。

图1 上海大众汽车冲压车间生产六线全貌

该生产线的控制系统基本上由西门子的产品构成。每台压机和机械手输送系统分别由S5 155U和S5 115U PLC控制，6台压机单元共有12台PLC。此前每个PLC都有一个上位机系统，并采用西门子早期技术，即S5系列模板WF470实现压机操作画面的显示和西门子组态软件COROS实现机械手的操作画面的显示。由这些终端显示系统分别给操作人员提供了一个人机界面的操作平台，对自动线设备的参数和机床动作进行调整，同时对设备运行状态进行实时监控。

针对目前西门子早期技术已经淘汰，很多器件逐渐停产的现状，为了解决设备备件的升级换代以及落后的技术问题，我们提出应用当今世界领先的WinCC Web Navigator这项技术对设备人机界面控制系统进行升级改造。把IT技术引入到现场设备的控制系统中，构成一个基于互联网的工业生产控制系统，这是目前设备控制领域中不多见的大胆尝试。其基本概念是，首先建立一台计算机服务器作为冲压自动线控制系统的数据和画面集中处理中心，并安装WinCC系统和WinCC Web Navigator选件。这是因为，一方面WinCC系统的作用是控制和管理整个冲压生产线，另一方面，WinCC Web Navigator的作用是为生产线上每台设备发布相应的操作画面网页。在生产线原来的显示终端位置上安装西门子工业触摸屏PC477B作为操作显示终端。通过以太网的通讯连接，在PC447B上运行IE浏览器即可访问服务器上相应设备的网页，由此可以在任何一个显示终端完成压机和机械手操作画面的显示。将压机和机械手的显示终端合二为一，极大地方便了用户的操作。因此，利用WinCC Web Navigator即能保证满足原来的系统功能，又能实现新提出的技术要求。

系统的需求分析

我们在现场对冲压生产线系统进行了仔细调查和研究，并从几个方面综合分析了其系统的特点，这使我们能够在利用Web Navigator技术的基础上，建立一个比较完善的实施方案。

1、PLC

压机的PLC根据模具的工艺参数和机床的控制参数，控制着整个压机的运行方式。

机械手输送系统的PLC根据所选择的加工零件的形状，控制着机械手输送系统各部分运动轴的轨迹。机械手的PLC共控制输送系统的7个运动轴方向。输送系统的上料手、下料手和输送小车的结构请见图2和图3。

图2 机械手输送系统的上料手和下料手

图3 机械手输送系统的输送小车

压机的运行方式和机械手输送系统的运动轨迹的调整都是取决于PLC的上位机控制系统得到的相关数据，即模具参数、机床参数和机械手运行数控程序。因此，新的控制系统要根据工艺要求实时处理与PLC控制相关的数据。nextpage

2、工业以态网

由于只有部分PLC已经使用了粗缆通信方式的工业以态网连接起来，所以必须采取某种方式把设备上所有PLC连接到同一个网络系统上，才能完整地完成PLC与PLC和PLC与上位机的数据通信。

3、系统功能

系统功能主要是控制系统根据生产工艺，对生产线设备完成其操作控制和管理功能。通过对其综合分析，按照压机和输送系统两部分，可分为几类功能。

（1）压机部分的系统功能

a.运行参数 
 
压机正常工作时的主要运转参数。

b.状态监控

在压机运行中需实时监测设备相关的部分的运行状态。

c.调整功能（现行参数的调整）

在压机处于调整模式时，需要用手动方式调整压机现行的动作和参数。

d.更换模具

当压机选择在更换模具的工作模式时进行的数据处理和动作过程。

e.编辑模具数据 （与模具有关的数据）

根据工艺的变化，按照选择的模具号，编辑修改存在于PLC数据块内的相对应的模具数据。    
 
f.编辑机床数据（与机床有关的数据）

由于工艺的变化，压机的动作也需做相应的调整，因而必须编辑修改存在于PLC数据块内机床数据。
   
（2）机械手输送系统部分的系统功能

a.机械手输送系统控制链运行状态显示

b.数控轨迹程序的编辑(编辑零件程序)

编辑各部分运动轴的运动轨迹及相应辅助动作。

c.示教功能

通过手动方式来获取各部分运动轴的运动轨迹。
 
d.安全开关点的编辑

为避免碰撞，设置各部分轴的运动轨迹的安全极限点。

e. 显示屏按钮操作  

主要包括操作模式选择，程序运行方式的选择以及功能选择。

f. 模具更换

根据压机模具的不同形状，机械手输送系统需要选择相对应的数控轨迹程序(零件程序)。

压机部分和输送系统部分的这些系统功能，在新的方案里是由服务器中运行的WinCC系统来实现的，并通过现场的PC477B上的IE浏览器来进行访问操作。

4、现场环境

冲压车间本身是一个高噪音、高冲击振动、高电磁干扰的恶劣环境，因此我们选择安装在设备床身上的操作终端，要能够承受这种恶劣环境，尤其是要能够长期承受压机的高冲击振动。

系统的硬件构成

图4 系统硬件结构配置

按照图4所示的硬件结构图，系统的具体配置说明如下：

1、工业以态网结构

（1）部分PLC原已经使用粗缆AUI通信方式的工业以态网连接，为降低成本，在新的方案中保持其结构不变，通过一个HUB连接到服务器计算机上。

（2）考虑到粗缆布线不便，成本较高，其它原未联网的PLC采用现较通用的双绞线型工业以态网线连接，再通过交换机连接到到服务器计算机上。

2、服务器计算机

（1）作为系统的控制中心服务器计算机，我们选择的是HP ML370 G5，配有一个英特尔四核处理器，2G内存，双硬盘，热备。由于该服务器具有多线程并行处理能力，比较适合我们这种多终端客户机同时访问的要求。

（2）服务器上插入两块西门子的工业以态通信网卡CP1613 A2，一块通过AUI口连接到现场的HUB，与配置CP1430 TF网卡的机械手PLC交换数据；一块通过RJ45口连接到现场交换机，与配置CP1430 TCP网卡的压机PLC交换数据。

（3）服务器内置的千兆的RJ45网口，经过一个千兆级交换机，与现场多个操作终端PC477B的内置千兆的RJ45网口相连。这样保证上层网都以千兆速率进行数据通信，从而也保证了现场操作终端PC 477B上的页面切换和数据刷新的实时性。

（4）服务器安装有2003 Server操作系统、WinCC（V6.2）基本软件包和WinCC Web Navigator（V6.2）选件。 nextpage

3、现场操作终端PC477B

图5 现场安装的操作终端——西门子工业触摸屏PC 477B

为了适应现场的恶劣环境，对于安装在床身上操作终端，我们选择了西门子最新推出的新产品机器操作面板——工业触摸屏PC 477B（现场安装的PC 477B如图5所示），其基本特点是：

（1） PC 477B装有嵌入式Windows XP瘦型版操作系统，这使PC具有开放性，也提高了防止病毒侵入及非法更改程序。

（2）耐冲击性/抗震性：5g/1g。此项指标基本达到我们的要求。

（3）PC477B 主频 1G， 内存 1G， 系统程序存储 CF卡为 2G。

（4）嵌入式Windows XP含有IE浏览器，PC477B可做为WinCC Web客户机。

系统的软件功能设计

1、压机系统部分 

PLC对于压机的控制是依据在内部以DB块形式存放的模具数据和机床数据，而这些数据通过服务器对其进行处理，由此这些数据就形成了压机控制所需要的设定值。PLC同时也要检测被控制对象的状态，并传到服务器中，就形成了压机控制所需要的实际值。从数据形式上分析，压机系统在控制过程中主要处理的对象是设定值和实际值这两大类数据。从压机本身运行过程区分，压机控制在处理这两大类数据基础上，可出现4种运行过程，即手动调整、单次运行、自动化生产和换模操作。因而，系统归结起来有三类功能，即压机运行状态监控、手动调整监控和编辑数据（模具数据和机床数据）。其软件功能结构如图6所示。

图6 压机的软件功能结构

2、机械手输送系统

主要作用是配合压机冲压过程中对冲压件的物料传送，其控制形式是一种运动轨迹控制。它根据加工工艺、压机、模具、被加工工件的形状特点，通过其系统的上料手、下料手和输送小车相互的运动，把被加工工件准确地从一台压机的模具中取出，经过交接、翻转和输送，再准确地放到下一台压机的模具中，进行下一道的冲压工件的加工。在这里输送系统必须要确保工件在两压机之间的空间运动轨迹中准确、安全和可靠的运行，绝对不得与周围任何物体发生任何碰撞。所以，每付模具都对应着机械手各自运动轨迹的数控程序。

工件的空间运动轨迹分为三段，分别按顺序由输送系统的下料手、输送小车和上料手完成。输送系统的的上料手、下料手和输送小车虽然运动形式各不同，但其软件功能结构基本相同，其结构如图7所示。

图7 输送系统的软件功能结构

3、控制功能的实现 

针对以上软件功能结构，对每一个功能都设计一组WinCC画面和全局脚本。系统软件功能基本上是按照这样过程实现的。首先，通过现场终端操作，进入相应的画面，按照需要的功能触摸相应的功能按钮。然后，通过服务器中运行WinCC系统，就会触发后台指定的脚本工作，一方面调用WinCC的内部数据，一方面调用PLC的内部DB数据。其次，服务器中WinCC系统按照功能要求，经过一系列分析和运算，把得到的数据结果回送到PLC的内部DB中。最后，根据这些DB块中数据变化，PLC改变对设备的控制，达到完成该软件的控制功能。

4、Web Navigator的实现过程

第一步，在服务器计算机的WinCC系统中为实现压机和输送系统的软件功能，必须编辑大量的画面和全局脚本。使用WinCC Web Navigator自带的Web组态程序(向导)，把这些WinCC的画面和全局脚本加入进去，经编译在服务器上就形成互联网上可访问的网页，并存入服务器上指定文件夹。

第二步，把与服务器相连的现场操作终端PC477B做为Web Navigator客户机，在PC477B上使用IE浏览器访问服务器里已生成的网页，并打开操作。操作人员就可以完成有关压机和输送系统的软件功能的操作。

在这里运行的系统主程序仍然是服务器上的WinCC系统，而现场操作终端PC477B客户机以网页的形式做为系统操作界面，远程访问和修改系统主程序中的数据，从而使系统主程序完成其相应压机和输送系统的软件控制功能功能。服务器和客户机之间的网络连接是通过TCP/IP协议实现的。在服务器主程序WinCC运行的情况下，PC477B客户机进入服务器网页程序操作比较简单，只需输入服务器IP地址，用户名和密码。nextpage

图8 压机模具安装过程的的网页页面

图9 压机电子凸轮轨迹值的的网页页面

有关压机的网页页面请见图8和图9，有关机械手输送系统的网页页面请见图10和图11。

图10 机械手输送系统的控制链的网页页面

图11 机械手输送系统的上料手运动程序编辑的网页页面

应用体会

该系统已经于近期在上海大众汽车冲压车间生产六线上投入使用，设计的系统功能基本都得以实现，系统总体的使用效果是令用户满意的。我们通过实施该项目，总结出以下几点体会：

1、PC477B这款产品在我们系统中以机器触摸屏的形式当作是现场操作终端，使用效果很好，为整个系统的控制功能得以可靠稳定地实现提供了技术上的保证。它可在恶劣环境下长期稳定运行，它自带嵌入式Windows XP操作系统，有着无硬盘、体积小、重量轻、免维护的等显著特点，特别适合在工业场合使用，值得推广。

2、Web网页制作过程是以服务器上WinCC为基础，应用WinCC的图形设计器，使用通常的方法生成过程画面，再经过Web发布导向就自动形成Web网页。Web Navigator给我们提供了从WinCC图形直接生成网页的方法，用发布代替组态，使用起来确实十分简单方便。

3、Web Navigator技术要成功使用，必须要做到WinCC的画面调用层次要分明，数据结构要清楚，访问的变量一定要存在。否则，发布编译中会报错，或在浏览网页时会出现中断死机现象。

4、使用PdlPad 工具对开发Web网页帮助很大，一方面可以对WinCC画面和全局脚本进行错误排查，一方面也可以对形成的Web网页脚本进行修改，以改善网页性能。

5、在使用Web Navigator技术要注意一些问题：

（1）全局脚本在Web客户机上不能运行，各Web客户机调用的全局脚本都是在服务器内同一个空间运行，要避免互相影响，特别是要注意全局变量的使用。

（2）Web客户机调用的全局脚本内可以使用WinCC提供的大部分函数，但仍有一小部分函数不支持Web客户机，编辑脚本时请注意查阅手册。

（3）对于S5 PLC，Web客户机可以使用读一个位形式变量的函数，如GetTagBit，但不能使用写一个位形式变量的函数，如SetTagBit。只能把一个位形式变量转换成一个字形式变量，使用写一个字形式变量的函数，如 SetTagWord。

6、使用的Web Navigator是建立在互连网的信息技术基础上，其技术重点是放在服务器上，现场客户机终端相对比较简单，它形成了一种集中控制分散操作的系统，这特别适合在工业领域中生产线上使用。Web Navigator把当前迅速发展的IT技术引入了控制领域，使控制系统更加开放，应用更加普遍，使用更加灵活。同时Web Navigator技术上的通用性，使其控制范围更大，控制功能更强，操作方法更加方便，更加容易掌握。正是由于WinCC Web Navigator是伴随IT技术发展的产物，目前一直处于技术领先的地步，具有很好的发展前景。因此，WinCC Web Navigator作为一种新兴的和实用的IT技术，以它所具有的优越性，是值得在工业控制领域中大力推广应用的。