一种汽车总装线拧紧设备数据采集方案

Internal Combustion Engine&Parts
0引言
目前国内汽车总装车间拧紧设备品牌多样化，尤其是随着设备更新后造成的多品牌共存，对于数据采集造成了一定的困难。

现行的采集方案多种多样，针对接口开发工作量较大，互通性差，容易造成单个工位专机成为连接各个系统的交互点。

本文以ATLAS拧紧工具举例进行数据采集，在控制器上配备Profinet板卡，通过PN总线与PLC通讯进行数据拧紧数据的采集，经由OPC将数据写入上位机，并进行逻辑处理及数据存储。

另外PLC作为核心控制器，同时与机运线等其它第三方系统通讯交互信号。

1系统总体设计
该数据采集系统采用了基于PROFINET的网络架构，整个系统由轮胎拧紧机系统、各工位单轴拧紧机数据采集系统组成。

系统架
构图如图1所示。

图1系统架构
2轮胎拧紧机系统
轮胎拧紧机系统基于PROFINET实现拧紧系统的控制，通过API接口实现数据采集显示，条码通过扫码枪扫
3疲劳结果及设计优化
图2、图3以及图4分别是水套底部、螺栓搭子以及钻孔处的疲劳计算结果。

图2水套底部的疲劳计算结果
图3螺栓搭子处的疲劳计算结果
针对机体外围螺栓搭子和水套钻孔处，通过加大过渡圆角、添加加强筋等方式，可以解决安全系数不达标的问题；针对水套底部，除了上述方式之外，还可以通过调节螺栓高度，减小螺栓夹持力对该区域影响的方式来提升安全系数。

4小结
通过对铸造降温过程的模拟，得到装配前的机体残余应力，然后把装配载荷、工作载荷综合考虑，进行高周疲劳计算，可以更好的分析机体在发动机台架试验和整车试验中耐久性能薄弱点，并根据计算结果有针对性地找到解决措施，使得最终设计的安全系数达标。

相比传统计算方法，该方法计算得到的平均应力大很多，更接近真实情况，计算得到的风险点与实际一致，是一种非常有效的计算方法。

后续可以结合试验手段，对残余应力、装配应力甚至工作应力进行对标，以提升计算精度。

参考文献:
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1996.
[2]孙耀国，杜海明，周迅，俞小莉.基于有限元的柴油机机体疲劳寿命仿真[J].内燃机工程，2009，08.
[3]Peter krug,Marcus kennedy,James Foss.New Aluminum Alloys for Cylinder Liner Applications.SAE2006-01-0983. [4]李舜酩.机械疲劳与可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，2006.
[5]李谷貌.残余应力的产生和对策[M].北京：机械工业出版社，1983.
图4
水套钻孔处的疲劳计算结果
一种汽车总装线拧紧设备数据采集方案
张新震;徐骏升;关欣
（山东中车同力达智能机械有限公司，济南250022）
摘要:随着工业4.0的推进,国内各大汽车主机厂总装线对于拧紧数据的管理要求越来越严格,对拧紧设备提出了数据管理的接口要求。

本文针对总装车间数据采集提出一种可行性的方案,并对其中用到的Profinet、API及OPC等技术进行简要介绍。

关键词:数据采集;拧紧机;OPC PROFINET
以太网标准
PROFINET 专用字节数
16
6
4
2
2
22410444分隔
源地址目标地址优先权标志类型应用标识符
I/O
角度
扭矩时间
补
状况信息
校验
应用数据
7同步
表2数据帧结构
描显示在一体机界面上，并通过MODBUS TCP 发送到CPU1214C 中。

2.1API 接口
PowerMACS API 是给用户和PowerMACS TC 中建提供接口服务的软件库，技术上它作为Microsoft
ActiveX 组件来实现，它的主要优势在于提供了描述公共接口的标准方式。

[2]在Windows 平台下使用C#开发上位机软件，通过调用其提供的函数可以实现读取拧紧结果和拧紧曲线，给操作者提供更为直观的状态显示。

API 访问框架图如图2所示。

图2API 访问框架图
2.2Modbus TCP 通信
Modbus 是一种应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信。

从1979年开始，Modbus 作为工业串行链路的事实标准，使成千上万的自动化设备能够通信。

互联网组织能够使TCP/IP 栈上的保留系统端口502访问Modbus 。

它分为串行链路上的Modbus RTU 与TCP/IP 上的Modbus TCP ，文中采用的是标准的Modbus 通信协议。

2.3S7通讯
S7协议是SIEMENS S7系列产品之间通讯使用的标准协议，其优点是通信双方无论是在同一MPI 总线上、同一PROFIBUS 总线上或同一工业以太网中，都可通过S7协议建立通信连接。

S7-1200CPU 做S7通讯的客户端时，伙伴CPU 无需组态编程，通过PUT 指令将本地数据块中的VIN 码、拧紧数据、拧紧结果、拧紧时间等信息直接写入伙伴CPU 的指定存储区。

（表1）
3单
轴拧紧机数据采集系统3.1网络组态及编程
网络搭建完成后，使用西门子TIA Portal ，通过GSD 文件导入设备，在网络PN/IE_1中添加硬件，更改IP 地址
到同一个网段，在线分配设备名称后即完成网络组态设置，如图3所示。

图3TIA Portal 网络组态
3.2PROFINET
PROFINET 全称是Process Field Net ，是一种基于工业以太网技术的新一代自动化总线标准，它使用到三种协议栈，分别为TCP/IP 、RT 和IRT 。

控制器配备的PROFINET 模块最大支持512字节IO 输入输出数据，通过RT 通讯，周期时间可达2ms ，使用SCALANCE X200交换机，每个控制器端口都是独享百兆带宽，且可以双向不间断的收发数据，保证实时性能。

每个工位所需要的拧紧数据配置到每个控制器总线参数设置，应用数据总长度18个字节，按照PROFINET 数据最小长度为40自动补齐，数据帧结构如表2所示。

3.3定点数和小端模式
用于表示扭矩的数用定点数字来表示，包括两个字节整数部分和两个字节小数部分，整数和小数分别按照小端模式，如表3所示。

整数位数小数位数
1/2
34
210
表3现场总线扭矩数据格式
名称
数据类型偏移量VIN 码
左侧轴1#-5#扭矩左侧轴1#-5#角度左侧合格状态左侧拧紧时间右侧轴1#-5#扭矩右侧轴1#-5#角度左侧合格状态左侧拧紧时间
Array[0…16]of Char Array[0…4]of Real Array[0…4]of Real
STRING[3]DTL
Array[0…4]of Real Array[0…4]of Real
STRING[3]DTL
0.018.038.058.064.076.096.0116.0122.0
表1数据存储区结构
Internal Combustion Engine&Parts
建立FB功能块，按照表3中所提供整数位数对小数进行计算，与整数相加得到最终的扭矩值，并与角度一同存储于数据区，供程序调用，程序
块如图4所示。

图4扭矩角度计算功能块
3.4PLC程序流程
PLC实时扫描每个工位控制器来获取连接状态，并下发解锁信号，对于控制器通讯中断的控制器无法工作。

PLC在写入数据时通过Mark标记来判断该条数据是否被软件读取，数据被读取后覆盖。

对于读取未完成的数据，数据偏移后写入新存储
区。

图5PLC程序流程图
4上位系统组成
4.1OPC
对于上位机系统，接口部分是有广泛的争议，普通的MES厂商一般用OPC，由软件工程师和硬件工程师协同完成一个项目。

小范围厂商的使用PLC支持的协议，如2.2章节所用的MODBUS TCP及其它基于TCP/UDP的各类PLC的协议，缺点在于很多上一代产品对于这些支持并不完美，很难应用到实际项目中。

本文使用西门子SimaticNet，OPCServer作为访问外部数据的接口。

OPC读数有三种方式：同步、异步、订阅。

[3]各控制器需要PLC下发使能信号，因此采用的是同步方式。

4.2程序流程
上位机程序采用C#，然后通过西门子提供的接口库，为同步对象定义句柄，在OPCItem中添加需要读写
OPCitem数据[4]，完成数据的读写。

程序打开后先获取PLC的连接状态，连接成功后获取MES服务器的队列，然后下发控制器使能信号，解锁工具。

当数据有更新时，将该条数据MARK置为1，将数据存储并写入远程数据库，完成整个的采集过程，流程图如图6所示。

图6上位机程序流程图
4.3底层设备交互
底层设备的交互涉及到越位、到位、报警、停线、放行等信号的交互。

本文涉及到简单的控线应用，只针对报警和越位进行交互。

还可以通过各工位工艺参数的设置，可以判断工作组是否完成，从而决定是否需要放行，完成对整个工艺过程的管控。

5结束语
本文介绍了一种汽车制造总装车间拧紧设备数据采集的方案，以Profinet为通讯基础，将所有的拧紧数据采集到核心PLC中，通过OPC作为统一的数据交互方式，把现场层设备与上位制造系统建立连接。

参考文献院
[1]陈凯，边群星.基于以太网总线的全自动汽车U形螺栓拧紧机设计.
[2]PowerMACS4000User guide，Edition7.0.2，2007-07.
[3]西门子，如何在C#中实现OPC数据访问，2009年03月.
[4]王大鹏，苏孝国，王涛.基于C#语言的工业计算机与S7-1200的OPC通讯，自动化与仪器仪表，2014（181）.。