基于PLC远程I/O的汽车装配线生产信息系统的应用

周海辉

摘 要：针对汽车装配线生产信息采集和管理的实际需求，提出了一种基于PLC远程I/O的解决方案，并给出了具体实施措施。利用SIEMENS S7-200、S7-300PLC和IPC、LED大屏幕组成装配线生产信息系统，实现装配线上各工位申请求助、申请停线故障报警信息及装配线生产节拍、年月日生产计划、当前完成情况等生产信息显示，以便于故障及时排除和生产状况的动态掌握。系统信息采样及时、信息显示直观、信息保存完整。

关键词：汽车装配生产线；PLC；远程 I/O

中图分类号：U468 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0091-04

Abstract： To meet the practical demand of collecting and managing producing information in auto assembly line， the paper gives the solution based on PLC I/O and practical implement measures. In order to remove the fault on time and master the dynamic of producing condition， we can receive the help signals from every workplace in assembly line， apply for display of the alert information of Stagnation fault， the producing time in assembly line， the yearly monthly or daily producing plan， and producing information of current schedule， by using of assembly line information system consisted of SIEMENS， S7-200， S7-300PLC， IPC， LED screen. According the system mentioned in the solution， we can pick up system information in time， display information intuitively and save information perfectly.

Key Words： Auto assembly line； PLC； long-distance I/O

1 引言

汽车装配生产线是整个汽车生产线的重要组成环节，除了生产线基本自动控制之外，还需要获得一些对生产的动态调度、设备故障及时排除和频发故障设备的及时检修和更换所需要的动态生产信息，如装配线生产节拍、年月日生产计划、当前计划进度、当前实际完成情况、装配线上各工位申请求助、故障报警和数据统计等，这些信息及时且有效地反馈对保障汽车生产数量和质量具有重要意义[1]。然而，汽车装配线通常具有几百米长的距离，若对沿装配线分布的各采样监控点采用单一主控制器集中采样控制，现场将需要铺设大量信号线缆，造成系统结构臃肿、呆板，不便于日后系统检修和系统扩展。为此，系统基于SIEMENS S7-200、S7-300PLC和IPC、LED大屏幕和SIEMENS WinCC6.2 组态软件，实现了汽车总装生产线生产信息监控及报警系统的设计。

2 系统设计

基于PC的操作员控制和监视系统正处于快速发展阶段。西门子公司的SIMATIC? WinCC，是运行于Windows系列操作系统环境下的Windows控制中心，它可将PLC控制、数据处理、通讯、可视化集成于一台PC机上，非常适合于基于个人计算机的生产过程数据采集与监视控制系统[2]。

为此，系统利用SIEMENS S7-200PLC、SIEMENS S7-300PLC、PROFIBUS现场总线、MPI网络、工控PC机及5块2平方米单色LED显示屏，构建了基于PLC远程I/O的汽车装配线生产信息系统的硬件环境，并利用SIEMENS WinCC6.2监控软件编程完成了工况显示画面的设计，系统结构如图1所示：

本系统总装生产线共有68个工位，配置11台SIEMENS S7-200 PLC分组控制。S7-200 PLC由CPU224和EM277 PROFIBUS-DP接口模块构成，负责将各工位的生产状态采样后通过PROFIBUS-DP总线送至主控室内SIEMENS S7-300PLC。S7-300 PLC采用CPU315-2 DP，其内部配置的两个通讯接口分别用于与PROFIBUS-DP和MPI网络连接。S7-300 PLC将所有工位采样信息做相应处理后通过MPI网与工控PC机进行数据通讯[3]。

系统中生产信息实时动态显示体现在中控室中的工控PC机和分布在装配车间内的5块LED大屏幕上，其结构如图2所示：

显示画面的生成利用运行在WindowsXP环境下的SIEMENS WinCC6.2监控软件编程完成，LED发送卡将LED显示窗口的扫描值通过网线传送至各LED显示屏接收卡，由接收卡解析后送至控制卡形成生产信息的LED点阵显示[4]。

3 系统实现

3.1 数据通信

S7-200 PLC与S7-300 PLC的数据通信系统采用PROFIBUS-DP现场总线完成，S7-300 PLC与工控PC机的数据通信系统采用MPI网络完成。

ROFIBUS-DP现场总线在S7-300 PLC上进行组态[1][2][5]，其拓扑结构设计如图3所示。此结构下将S7-300 PLC设置为PROFIBUS-DP主站，站号定义为2；各S7-200 PLC设置为PROFIBUS-DP从站，站号分别定义为3-13。

从站PLC（S7-200）编程将各工位现场采样信号映射到组态的V存储区内，由EM277接口模块通过PROFIBUS-DP供主站PLC（S7-300）远程读写。IPC选配SIEMENS CP5611通讯卡，采用MPI网络通信协议由WinCC6.2监控软件变量管理器编程完成与S7-300PLC的数据通信[5]。

3.2 主站PLC

主站PLC（S7-300）由一块CPU315-2 DP和一块电源模块组成，完成该系统的所有逻辑编程和生产信息加工。它除了完成生产线现场信号的远程读取外，还对各工位提出的停线申请信号进行响应，通过PROFIBUS-DP向S7-200控制器输出停线控制信号。同时，根据车辆下线计数自动完成产量的年累计、月累计和当日当前产量累计，并根据装配线生产节拍自动计算当日当前计划进度。这些生产信息显示在LED大屏幕上给生产管理人员实时动态掌握生产情况提供了直观有效的手段。为正确反映当日实际产量与计划进度的比照情况，系统采用WinCC变量与PLC当前计划进度定时器连锁，即当WinCC装配线工况显示窗口选取停线休息、停线待料等文本列表项时停止计时，以避免非生产线原因造成计划进度数量增长而出现实际产量与计划进度的差距。连锁处理程序主要逻辑如图4所示：

3.3 监控系统

本系统监控系统组态主要包括监控系统画面组态和报警系统组态，利用SIEMENS WinCC6.2监控软件编程完成。监控系统画面组态利用图形编辑器绘制组态画面、定义控件属性和利用变量管理器建立变量标签，实现WinCC控件属性值与S7-300 PLC Step7程序数据区的动态链接。报警系统组态利用Alarm Control报警控件生成报警窗口，完成对各种报警的触发条件、报警文本和报警显示格式的配置，并实现实时和历史数据的显示。监控系统组态如图5所示：

主画面由LED显示屏扫描窗口、报警记录显示确认窗口、各工位运行状态图示区和相关操作命令按钮组成。其中LED显示屏扫描窗口分生产基本信息显示部分和装配线当前状态动态显示部分，后者用来显示最新发生的报警信息、正常运行和因何种原因停线的装配线当前状态信息。此窗口信息在LED大屏幕上向现场全体工作人员实时发布，以期相关人员及时作出对生产的动态调度、对设备故障的及时排除。此外，在LED显示屏扫描窗口内可显示即时输入的临时信息供LED显示屏满屏大字醒目显示，即时发布临时信息的内容在系统提供的PPT模板中录入。系统还另配有独立的报警信息画面，用以显示报警历史记录。

WinCC内部集成了ANSI-C脚本语言系统，根据WinCC报警事件的到来和离去利用Time函数获取报警起始时间和结束时间，并与求解的持续时间和报警工位号形成一条记录记载在以日期为单位格式为.TXT的工作日志中。编程实现查询浏览以日期、时间、工位号、报警类型排序所有工位发生的每条报警记录和总累计持续时间以及某一工位在一段时间内所发生的每条报警记录和总累计持续时间，并可生成文件打印。此信息对生产管理人员及时定量了解装配线设备故障或待料停线的发生地点、发生频率、停线时间以便频发故障设备的及时检修和加强物流管理十分重要。

4 结束语

采用现场总线传输方式，不但大大降低了系统搭建线缆敷设和日后线缆检修成本，而且系统配置灵活，可随工艺要求方便地增减PLC子站的配置数量。同时，PLC子站除了与PLC主站实现远程I/O外，它还可根据现场工艺要求编程独立承担局部控制任务。因此，在长距离PLC集中监控系统中采用远程I/O方式是上佳选择。

参考文献：

[1]路泽永，李立华，冷向东. 汽车装配线中的信息化和网络化建设[J]. 可编程控制器与工厂自动化. 2011（11）.

[2]杨路明，雷亚军. 组态软件WinCC在自动监控系统中的应用[J]. 计算技术与自动化. 2003（04）.

[3]杜波. 西门子WinCC与S7-300/400 PLC数据通讯[J]. 可编程控制器与工厂自动化. 2009（05）.

[4]申屠南瑛， 裘国华，夏哲雷， 金宁.远程分布式多LED显示屏控制系统研究[J].中国计量学院学报 2005（01）.

[5]李波，宋显明，王明红. 与SIEMENS WINCC的动态数据交换[J]. 自动化与仪器仪表. 2002（06）.