孙 冰 ，谢利理 ，樊京路

（西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710129）

螺纹联接由于简单可靠、拆卸方便，而广泛应用于汽车、航空等领域的生产装配中。在汽车行业不断发展的今天，螺纹联接的精确性、安全性、稳定性、高效性是汽车装配中不可轻视的重点，尤其对于汽车主锥螺母拧紧、发动机主轴承盖螺栓拧紧、发动机气缸缸盖螺栓拧紧、发动机连杆螺栓拧紧、底盘变速箱拧紧工位、离合器总成拧紧等部位，在拧紧过程中需要非常高的螺纹装配要求，所以在汽车装配中的拧紧工序中需要要设计出一套更完善的汽车拧紧方案，来保证汽车装配各部件的稳定性和可靠性，提升汽车装配的生产效率和自动化水平。文中设计一套较完整的汽车装配拧紧设备测控系统，可以有效的保证汽车拧紧过程中的稳定性和实时性，避免人工操作的不确定性，为汽车装配提供了一个良好的操作平台。

1 汽车装配拧紧系统构成

拧紧设备由拧紧轴和轴控单元组成，拧紧轴由马达、信号预处理模块、传感器模块、电缆接头和输出轴组成，主要完成扭矩的测量和输出。马达是拧紧轴的最主要部分，其功率决定了拧紧轴所能达到的最大扭矩。传感器采用应变片式传感器，安装在工具的环形齿轮上，同步测量相对应作用在紧固件上的扭矩。信号预处理模块主要是对扭矩传感器输出的模拟信号进行前置整流、滤波、放大，再通过A/D转换器变成数字信号，供轴控单元采集处理。

轴控单元是一个智能控制单元，具有控制和驱动功能，用来驱动电机、控制拧紧轴按照要求进行动作，并提供用户操作界面，以及外部接口和数据存储传输功能。在控制功能中，轴控单元对扭矩信号进行控制，将扭矩传感器采集后的数字化信号经放大后传递给CPU，CPU根据设置的参数与反馈的数字信号进行计算并发出指令控制电机启停和转速大小。同时，为了具有良好的操作性，轴控单元有屏幕和键盘接口、网络接口等。在驱动功能中，驱动模块将其轴控单元的输入电压转为拧紧轴中电机所需的三项电压，并控制换流器功率晶体管的通断。同时，驱动模块对拧紧轴中电机的转向进行控制，对转速进行PWM 调节，并且对角度分解器提供正弦和余弦激励[1]。另外，轴控单元对电机的每相电流进行监控，并且对接地故障和拧紧轴过热进行检测和保护。

2 基于PLC的测控系统实现方案

2.1 测控系统组成

如图1所示，测控系统的下位机由SIEMENS PLC S7-300系列CPU模块317-2DP、CP343-1以太网通讯模块、PS307开关电源模块、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、拧紧枪、Profibus、TCP/IP通信电缆及相关配件组成。上位机和HMI的画面通过组态软件WinCC来设计。

SIEMENS S7-300系列317-2DP型CPU带有512K工作内存可以大量程序的存储空间，内有一个接口MPI/DP可以与其他设备以12MB/S的速度通讯，设有两个DP-主站/从站接口可以支持PROFIBUS-DP信息通信，操作简单方便，应用性强。另外，CPU处理时间可达到每位0.05μs，这可有效缩短装配生产中的大量数据的处理时间。CP343-1通讯模块实现与上位机的通讯连接, SM321/SM322 是DI/DO模块，用来接收外部的输入信号，同时将输出信号至负载,其性能和指标能满足系统自身的功能要求和环境适应性要求。

图1 测控系统结构图Fig. 1 Testing system structure diagram

2.2 测控软件设计

软件分为3部分：下位机PLC采用STEP7软件进行模块化编程，上位机人机交互界面采用组态软件WinCC 6.0，利用TCP/IP网络实现Wincc与S7-300 PLC之间的数据通信，同时下位机PLC和由WinCC 6.0组成的上位机都具有控制的功能。

PLC程序设计如下，在Blocks里建立组织块（OB）、调用功能块（FC）、功能块（FB）、系统功能块进行模块化编程[2]，在OB1里调用FC功能块程序，结构如图2所示。

采用结构化编程和分布编程配合使用，FC1000功能块程序诊断检测Profibus-DP网络上节点通断。PLC数字量模块采集从拧紧设备传感器发出的电阻信号经FB2、FB4程序计算后储存到DB块里．再由上位机来监测；FC10程序块检测拧紧设备保护设备，拧紧设备共有4个故障识别地址。每个故障识别地址有故障发生时，如错拧或漏拧时，故障信号经由PLC控制箱中的编码器电路板，再送入PLC数字量输入块。把故障识别地址存入DB数据块中，并由上位机HMI来显示故障况。FB3程序块是PLC的主功能逻辑块，它主要完成PLC与拧紧设备的功能互锁，并且能与上位机Wincc之间进行数据传输。

图2 程序结构图Fig. 2 Program structure diagram

2.3 上位机WINCC组态设计

西门子公司的WinCC组态软件适合于各个行业和各种技术系统，用于在生产和过程自动化环境中实现可视化和过程控制任务。WinCC组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通讯技术等，只需通过可视化的组态方式，就可以完成监控软件的设计，降低了监控画面开发的难度。

WinCC 6.0中使用的存储数据库是Microsoft SQL Server 2005，提供组态数据和归档数据， 利用DAO、OLE、DB、ODBC、WinCC OLE—DB和ADO使归档数据的访问变得简捷，OLE、AetiveX和OPC等功能强大的标准接口的使用为交换数据提供了便利。它的优势是画面更新高速性、数据通信高效性。同时它也能够提供数据采集与归档、图形显示、报警功能和报表模块。

2.3.1 状态监测模块

在状态监测模块中，通过使用WinCC图形编辑器可以直接实现全况显示，机构运行状态报告、拧紧状况及拧紧参数的显示。图形编辑器中的输入/输出域显示的是模拟量的实际发生时间，如拧紧枪运行的实际位置值；拧紧枪实际拧紧位置、限位开关、报警变量等开关量的通与断则由不同颜色的图形来表示，变量为I/0的对应的背景色分别为绿/灰。用户可以通过监控画面中的元件状态掌握系统的实时信息[3]。

2.3.2 故障报警模块

故障报警的信息记录、存档以及显示和故障的查找、分类、合计与分析等功能主要在这一模块中完成。这不仅有效地减少了排除故障的时间，并且实现了信息备份，为设备维护提供参考值。WinCC软件中的报警编辑器主要管理消息的收集和分类，主要是负责采集过程、预加工、表达式、确认及归档等消息。在组态期间，需要对整个过程中会出现一些应触发事件进行明确说明，例如，自动化系统中的特定位的设置，过程值与预定义值差值的最大相差值。

系统的组态也要分步进行。首先，在报警编辑器中完成故障变量的组态。然后将报警控件添加至图形编辑器中，这样就实现了故障报警与故障控件的有效结合，使故障信息及时通过故障控件显示。如图3所示， WINCC监控界面中的“ALARM”按钮，页面自动跳转至上图界面，报警功能分2部分：当前报警和历史报警；当前报警会直接显示在页面中，M点可以是PLC程序内部设置的点，也可以是外部I/O点。可以看出，目前设备有2个报警：光电开关触发时间为1s或者更长、设备急停按钮被按下报警。

图3 故障报警模块Fig. 3 Failure alarm module

2.3.3 数据记录模块

这一模块不仅实现了对设备以及备件的信息记录，也记录了设备运行状态以及服务器后台执行设备维护提示及报警。

整个系统使用的是VBScript脚本与SQL Server 2008，首先在SQL Server 2008数据库中完成数据库cms及其子级数据库表的创建，再通过配置ODBC数据源连接SQL Server 2008数据库。这样可以将设备信息存入自定义数据库中，然后启动报表生成过程，在Excel控件中显示数据，从而成功的在自定义数据库中完成了的WinCC的数据添加，步骤为[4]：

1)在控制面板中，查找管理工具下，选择数据源ODBC，启动ODBC数据源管理器。

2)点击“系统DSN”选项，进入系统数据源页面，点击“添加”选项，打开“创建新数据源”对话框，在驱动程序列表中，选择SQL Server，然后点击完成。

3)在打开的“创建数据源向导”窗口中，输入数据源名称、说明和SQL Server服务器名称，之后按步骤进行完成，测试数据库cms连接成功。接着根据拧紧设备信息，通过VB脚本编写程序。用户随时可根据设备信息或备件信息写入数据库，并在需要的时候根据具体情况查询报表。同时，当设备达到报警条件或是备件不足时，将会自动弹出报警窗口，提示用户报警信息。

2.3.4 报表生成模块

具体的生产信息及作业统计查询在报表生产模块中完成，如，各工位的拧紧数据，转角和扭矩，各拧紧工位的数量。在必要时，也可以将各个拧紧机工位的数据打印成表格以便使用。采用VBScript脚本与SQL Server 2005采集作业数据，然后存入自定义数据库，通过报表画面查询或者打印数据[5]。

在报表画面中，日／月／年报表选项在报表下拉菜单中选择。班次、工位或其组合以及起止时间选项在作业下拉菜单中选择。显示在Excel控件上选取的数据，打印报表，删除选取的数据分别需要通过生成按钮，打印按钮，删除按钮。打印功能的完成则需要以页面布局和打印作业为前提。利用WinCC的报表编辑器Report Desinger建立一个页面布局，选择ODBC数据源C脚，设置SQL语句建立模板，然后选择Print Job选项，新建打印作业，例如，建立名为“zuoye”的新作业，主题为“打印作业情况/天”。点击新作业属性对话框，在layout处链接新建报表。打印报表按钮的C脚本为：RtrFJobPrint(“zuoye”)。如图 4所示。

图4 拧紧数据导出界面Fig. 4 Tigtening data exporting interface

2.4 测控系统实现流程

测控系统的PLC控制程序由主程序和几个子程序组成，主程序主要通过接受各种控制信号、调用各个子程序、设置报警信息等对系统进行控制，几个子程序分别是初始化、扩展块检查、拧紧机程序及设置参数检测[6]。初始化子程序主要完成了拧紧设备启动程序、PLC数据采集、处理及HMI监控软件程序。扩展块检查子程序主要用来检查扩展模块是否有硬件错误，系统的二个模块标号如下：模块0为SM321，模块1为SM322。程序中通过设置各个特殊存储器对2个扩展模块的标识错误、故障以及设置了相应的标识位。拧紧机参数检测主要由PLC[7-8]去完成的，PLC检测到相应的信号后，可以提醒报警设备及时做出相应的反应，工作流程如图5所示。

3 运行结果

监控画面分为3个部分：总览部分、现场画面部分和按钮部分。在总览部分可显示系统标示符、画面标题、车号选择；在现场部分显示各个机构画面、生产流程和生产报表画面；在按钮部分显示监控画面的固定按钮和登入用户名。整个图面设计如图6所示。

4 结束语

采用西门子S7-300 PLC和拧紧设备的通讯，控制拧紧机按照设定参数完成拧紧工作，利用WINCC作为上位机，完成实时的监控和操作，性能稳定，使用灵活方便，充分发挥各个技术优势，使其功能变的强大。保证了装配的质量和效率，应用前景广泛。

[1] 黄健.汽车装配自动拧紧机[D].上海:上海交通大学,2008.

图5 工作流程图Fig. 5 Route chart

图6 WinCC监控系统设计结构图Fig. 6 Design of monitoring system structure diagram

[2] 李永刚,马春燕.基于S7-300 PLC和Wincc带式输送机系统设计[J].煤矿机械,2012,33(2):214-215.LI Yong-gang,MA Chun-yan.The design of belt conveyer system based on S7-300 PLC and Winc c[J].Coal Technology,2012,33(2):214-215.

[3] 陈欣,王浩宇,郎朗.基于OPC技术的上位机与西门子PLC的通信[J].自动化与仪器仪表,2008(1):70-73.CHEN Xin, WANG Hao-yu,LANG Lang.Communication between upper monitor based on OPC techniques and PLC of siemens[J].Automation and Instrument,2008(1):70-73.

[4] 余丹,杨辉,陆荣秀.基于S7-300与Wincc的桥式起重机监控管理系统[J].华东交通大学学报,2010,27(6):71-75.YU Dan,YANG Hui,LU Rong-xiu.,The monitoring and management system of bridge crane based on S7-300 and Wincc[J]. Academic Journal of East China Jiao tong University,2010,27(6):71-75.

[5] 朱晓会．基于PLC和Wincc的塔机智能监控管理系统研究[D].济南:山东建筑大学,2012.

[6] 孙卫平.WinCC在Atlas拧紧机监控诊断系统中的应用[J].电气技术杂志,2004(3):47-48.SUN Wei=ping.The application of WinCC in Atlas tightening machine testing system[J].Electrical Technology Journal,2004(3):47-48.

[7] 李宁.PLC在准确定位控制系统中的应用[J].现代电子技术,2011(11):195-198.LI Ning.Application of PLC in accurate positioning control system[J].Modern Electronics Technique,2011(11):195-198.

[8] 王旭东.PLC脉冲输出指令的设计与应用[J].电子科技,2013(5):16-17,21.WANG Xu-dong.The design and application of instructions of pluse output on PLC[J].Electronic Science and Technology,2013(5):16-17,21.