信息技术在汽车焊接生产线上的应用

为了满足汽车工业自动化的发展，天津七所高科技有限公司研发了“新型智能电阻焊机集中控制联网系统”，将现代化的管理手段与先进的信息技术应用于生产中，有效地提高了现场管理功能。

随着汽车工业的发展，汽车车身焊装生产线也逐渐向全自动化方向发展。将现代化的管理手段与先进的信息技术应用于焊装生产线，对企业的管理和决策有着非常重要的意义。

为此，我公司开发了“新型智能电阻焊机集中控制联网系统”，并获得天津市科技进步二等奖。该项目技术已达到国际先进水平，经过研发、使用和推广后已实现产业化，并成为公司的核心产品，极大地提高了公司产品的市场竞争力。该系统已经在重庆长安汽车厂、浙江吉利汽车厂等多家汽车厂成功安装并使用。

本系统利用CAN总线技术及工业以太网技术建立焊机控制系统离散模型及构建实时评估系统，可完成大型点焊机焊接生产线自由组网，控制多点焊机互锁以防止电力系统过载跳闸及控制三相电力的功率平衡，实现网络系统管控一体化，解决了网络系统消息通信的实时性、确定性和可靠性问题，实现了对离散群控焊机的多点实时监控，将数据库与网络通信技术应用于该系统，实现数据采集、信息传输、参数查询和参数编程等功能。

系统总体框架设计

工业以太网是未来工业控制网络的发展方向，作为网络控制系统的一种新型数据传输技术，它已成为工业控制领域研究的热点课题。工业以太网具有组网灵活、结构清晰以及便于维护等优点，适合组建大型的工业网络。目前，工业生产中已广泛应用现场总线，并且在相当长的一段时间内，现场总线将继续在工业现场应用，因而现场总线及工业以太网将共同存在于工业现场控制领域。本系统通过把现场总线与工业以太网结合起来，从根本上解决了焊机控制管理系统的实时控制及可靠性，以及三相电网的功率平衡控制问题，有效提高焊接生产线的信息化水平和焊装生产效率。

本系统网络结构采用三层结构两层网络形式（如图1所示）。系统的最下层为现场设备（工业点焊机），根据点焊机在车间的位置及与PC监控软件机房的距离等，划分为不同的CAN局域网络（CAN１、CAN２、．．．、CANｎ），各CAN局域网设备之间通过CAN总线进行通信；系统的中间层为中央控制单元(集中控制器)，负责协调焊机群控限容工作，进行焊机控制、电力限容及三相电力功率平衡控制；同时该单元具有CAN／Ethernet协议转换网关，可以将现场设备组成的CAN网络和上位PC机监控软件系统进行有效转换连接，组成点焊机实时监控管理系统；系统上层为上位PC机监控软件系统，实时监控现场设备的工作状态；工厂管理ERP也可通过Ethernet与上位PC机监控软件系统进行数据信息交换，以共享网络系统信息，协调生产管理。

图1 系统结构

通信协议设计

1. CAN总线消息传输机制及调度算法

根据焊机系统控制信息、监控节点的监控信息、报警信息、节点失败消息和状态信息等建立系统的消息模型，按照相应信息的重要程度划分消息的优先级。在CAN2.0A协议中，报文传送由4种不同类型的帧来表示和控制。它们是数据帧、远程帧、错误帧和超载帧，每种帧都由几个不同的位场组成。在数据帧和远程帧中都有仲裁场，仲裁场由标志符和远程发送请求位组成，其中，合理定义标志符非常关键。

标志符由11位二进制码组成，表示为：D10、D9、… D1、D0，发送次序由高位到低位。通过对系统综合分析，我们定义了标志符的原则：

（1）标志符应含有下位机的地址：我们设计的下位机地址范围为0~63，编制标志符时选用D8、D7、D6、D5、D4、D3位表示下位机地址。

（2）标志符带有数据优先级：标志符中的D10、D9两位用来区别数据的优先权，D2、D1、D0三位在数据帧和远程帧中都有不同的定义，表示数据、数据串和通信命令。

2. 通信过程

上位PC机、中央控制单元与焊机的通信是通过命令方式实现的。通信过程是：每台焊机在通电焊接的前一个周波向中央控制单元发出焊接申请信号，中央控制单元根据评估系统决定可以进行焊接的点焊机并且向这些被选定的焊机发出允许焊接的应答信号，向未被选定的焊机发出禁止焊接的应答命令；任何一台联网的焊机，每完成一次焊接或出现故障时，向上位PC机直接发送数据或故障号；如果没有新的焊接数据或故障，焊机就暂时中断与上位PC机通信。上位机通过发送含有指定焊机地址的命令与指定下位机通信，实现查询、编程及故障复位等功能。nextpage

中央处理单元设计

通过需求分析可知，中央控制单元需要具有以下功能：

1. 具有CANopen接口，实现与焊机CAN网络的组网。

2. 具有以太网接口，实现与上位PC机高速数据通信。

3. 可以实现CAN/Ethernet转换。

4. 具有高灵敏度的电压测试装置，实时监测电网变压器网压。

5. 在没有上位PC机情况下可以独立运行限容控制软件，实现限容管理。

通过分析，我们选择德国BECKHOFF的嵌入式控制系统CX1000作为解决方案。CX1000控制系统是为中等规模的控制任务而设计的，它集工业PC和硬件PLC的精华于一体，是一种可以安装在C型导轨上的模块化控制系统。CX1000内置操作系统可以在Microsoft Windows CE.NET和Microsoft嵌入式WindowsXP之间选择。

CX1000工业PC可以同时独立运行4套PLC任务。一个CX1000系统可以假想为不同现场总线中的智能网关，从现场总线接收数据，通过程序处理他们，然后将他们提供给其他的现场总线。

用户可以根据需要将各种系统组件插接在一起，完成各种复杂的控制任务。为了实现CX1000与焊机组成的CAN总线网络连接，配置系统时我们选择了CANopen现场总线主站模块，同时选择了电力测量模块用于实现对车间焊接变压器网压的实时监控。CANopen模块、电力测量模块分别通过K-Bus总线与CX1000连接，CANopen模块负责与点焊机通信，电力测量模块直接与车间焊接变压器连接，实时采集焊接变压器的电压，并将测量值通过K-Bus总线传递到CX1000控制器，CX1000负责对提出焊接申请的点焊机进行评估决策以决定被选中可以进行焊接的焊机。

为了保证限容实时性，限容软件在CX1000中运行，每台焊机在通电焊接的前一个周波向CX1000发出焊接申请信号，CX1000读入焊接申请信号，根据电网电压和当前申请情况，对提出焊接申请的焊机排队，根据排队的次数、次序及优先权等因素决定被选中可以进行焊接的焊机。CX1000向这些被选定的点焊机发出允许焊接的应答信号，向未被选定的点焊机发出禁止焊接的应答命令。这样通过限制在某一时刻同时通电的焊机台数来保证用电不会超负荷。

上位PC机监控软件设计

1. 系统体系结构

考虑到系统的可重用性，本系统采用三层结构模式和组件技术进行系统设计。将系统分为界面显示层、业务处理层、数据库访问层3层结构（如图2所示），每层都有各自的功能，各层之间通过接口函数进行通信。其中，界面层采用ActiveX技术实现，中间层采用DLL技术实现，数据库的访问全部封装到一个模块中，这样各层之间彼此独立，为系统的维护与移植提供了方便。

图2 系统体系结构模型

2. 界面组态技术

将组态技术应用于监控界面设计，监控界面按照焊接车间焊接生产线实际分布显示焊机的工作状态，每台点焊机在上位机软件中显示的位置与车间实际位置一致，方便用户对设备进行维护。以太网节点上的计算机通过安装运行客户端程序可以实时了解现场设备的工作情况。
 
应用价值

大力应用计算机信息技术，对加快焊接程序的编制、缩短现场调试时间及焊接过程焊机信息的准确获取具有重要应用价值，极大地提高我国汽车制造业信息化水平，创造较高的社会效益。

目前，随着信息技术的不断发展，ERP技术越来越被各个行业的企业所接受。该产品可作为ERP一个重要的组成部分，对企业管理实现信息化、集成化、柔性化产生积极的作用。