Automobile Technology & Material
OVERHEAD控制系统的研究
OVERHEAD OVERHEAD摘要：主要介绍了 电气控制系统的设计与应用。通过对 系统设备OVERHEAD组成及工艺流程的分析，制定相应的 电气控制方案，包括制定电气设备组成、硬件PLC MOVIDRIVE MOVIPRO图纸设计、变频器参数设计、 软件编程，通过使用 变频器和 变频器， OVERHEAD使 控制系统实现高速输送精确定位，满足用户要求，并成功应用到焊装生产线中。 OVERHEAD PLC关键词： 控制 高速传输 精确定位 变频器U468.2+2 B Doi：10.19710/j.cn
1 前言
随着汽车市场发展的越来越快，用户对汽车生产的要求也越来越高，焊装生产线作为汽车生产的核心工艺之一，需要高速输送设备进行生产线之间快速、精确的传递。输送设备的传递速度、精度不仅影响到汽车的焊接质量，同时影响到汽车生产的效率。高速输送设备的目的是为了降低焊接工位的辅助时间、提高工位的有效工作时间，从而达到降低工装成本以及单车焊接成本的目的，提高企业的经济效益。
2 OVERHEAD设备组成
OVERHEAD OVERHEAD由以下几部分组成： 1机械设备组成见图 。OVER⁃当主拼工位焊接完成地板总成后， HEAD OVERHEAD设备下降到位， 上的抓手将地OVERHEAD板总成件从主拼工位抓起， 上升到最高点后，横移到机械化平台运件滑撬的正上方， OVERDEAD设备下降将地板总成件放在滑撬上OVERHEAD后，抓手打开， 设备上升到最高点，并反向横移回初始位置，完成一个运件循环工作。
3 电气方案和元件选配前提 3.1 电气设备的要求
所有的电气设备和元器件必须适应汽车制造中可能出现的不良环境，比如油雾、粉尘、强磁场、电网的扰动以及高频干扰等，必须能保证生产的
安全和无故障运行。在控制柜打开的情况下，也要保证系统的电磁兼容性。
Siemens Simatic S7 300控制系统选用 公司 系
PLC， PROFINET列安全 现场总线采用 。
控制系统需要实现以下功能：对系统中执行设备（电机、气缸等）、位置开关、安全防护设备、系统操作显示设备的控制。
在控制面板上要显示相关信息：操作信息、过程信息、网络信息、故障信息、设备状态。
Siemens Panel PC采用 公司 作为现场画面的操
Step 7作显示设备， 等相关软件作为编程调试软件。
3.2 电气设备组成及功能描述
OVERHEAD电气控制系统既要满足现场的实际生产需要，又要符合用户的标准。其组成包括PLC控制柜、控制电源柜、变频器控制柜、变频器MOVIPRO - MP377、人机界面 远程操作屏、安全回OVERHEAD路控制箱、 设备控制箱。 3.2.2 制电源柜控制电源柜用于给自动区域内的电气控制设380 V 220 V备供电提供 和 电源。在本项目中，控制电源柜负责给变频器控制柜，以及分布式变频MOVIPRO 380 V器 提供 动力电源。控制电源柜主要由母线排系统、电源模块、相 3.2.1 PLC控制柜PLC SIEMENS S7 300控制柜内由 的 系列安全PLC SIEMENS PN/PN Koppler SIEMENS、 耦合器、ET 200S Switch、 路由器以及辅助接触器和继电器PLC 2组成， 控制柜组成见图 。 PLC OVERHEAD本项目中 控制柜为 控制系统HIP电气设备如安全回路控制箱、安全回路水气站OVERHEAD上的阀岛、 设备控制箱以及变频器柜24V DC24V 3等设备提供 控制电源， 供电原理见图4和图 。 E/A监视继电器、 模块、马达式断路器、电能能耗测量、电源测量模块等原件组成。控制电源柜组成5见图 。3.2.3 变频器控制柜OVERHEAD变频器控制柜用于驱动 升降电机在垂直方向上运动。
SEW变频器柜主要由负荷隔离开关、变频器（ MOVIDRIVE） E/A、电机保护开关、制动电流器、 模块、辅助接触器、安全开关、制动电阻、空调等设备组SEW MOVIDRIVE SEW成。 变频器是 研制的新一代驱动变频器，具有更宽的低速范围，增加的过载能力MOVIDRIVE和丰富的模块化单元设计，同时， 变频IPOS器更是集成了 定位和顺序控制系统，具备系统6要求中的定位功能。变频器柜内配置见图 。
3.2.4 SEW MOVIPRO变频器
SEW MOVIPRO OVER⁃本项目中使用 控制HEAD SEW MOVIPRO系统的横移运动。 凭借自身强大的设计、可靠性和精确定位使其在同类产品中脱颖而出。依靠模块化、标准化设计和可自由MOVIPRO® SDC配置的软件组件， 这种分散驱动和定位控制系统有利于整合众多功能，同时降低SEW MOVIPRO了设备或系统的复杂性。 变频器7配置见图 。
3.2.5 MP377远程操作屏
为使现场调试人员、车间操作人员、维修人员OVERHEAD便于监控设备，本项目为 控制系统配1 MP377 Panel MP377置套 远程操作屏。通过使用OVERHEAD Panel MP377实现对 的近距离监控。15 PN-BOX E7包括 寸触摸屏， 连接盒， 钥匙开关。MP377 8远程操作屏见图 。
3.2.6 OVERHEAD安全回路控制箱
OVERHEAD依据工艺规划， 控制系统单独成OVERHEAD为一个安全回路。因此 控制系统配置有安全门、安全门控制盒、门锁、单色柱灯、急停按钮。上述电气设备的信号接入安全回路控制9 OVERHEAD箱。安全门电气设备见图 、 安全回10路控制箱见图 。 SIEMENS ET200S安全回路控制箱配置有IM151 SIEMENS ET200S PM- E接口模块、 电源模SIEMENS 4DI 4DO块、 普通输入模块、 普通输出模4/8F-DI 4F-DO块、 安全输入模块、 安全输出模块。
3.2.7 OVERHEAD设备控制箱
OVERHEAD 系统控制箱控制升降锁紧销、OVERHEAD系统阀岛、抓手阀岛以及横移变频器MOVIPRO DC24V SIE⁃提供 。系统控制箱配置有MENS ET200S IM151 SIEMENS ET200S接口模块、PM-E SIEMENS 4DI 4DO电源模块、 普通输入模块、 4/8F- DI 4F- DO普通输出模块、 安全输入模块、 安OVERHEAD 11全输出模块。 设备控制箱见图 。
4 电气控制设计
电气控制系统设计是电气控制系统重要组成PROFINET部分，将根据工艺规划网络拓扑制定、地址分配、硬件图纸设计、软件编程、人机界面的制作设定变频器参数。
4.1 PROFINET网络连接
PROFINET PROFINET本项目现场总线采用 。系统具有环状结构，错误诊断功能可以永久地扫描所有设备，能检测到中断、短路、电缆的电磁干扰和电压故障或电压突降等错误。充分考虑冗余设计的原则，环形冗余连接中最40 10多允许连入 个电气元件（分支中最多允许 个40电气元件，此处并未计算在内）。当超过 个元件时，需通过另一个交换机在设备柜中再连入一组环形结构，所有电气元件分布在两个环形结构中。OVERHEAD 3在本项目中 控制系统共使用 套SIEMENS 交换机。SIEMENS X201-2P IRT-PRO通过一个 交换机OVERHEAD将 电气控制系统连入整个电气控制OVERHEAD系统的环网中，依次连接 所在安全回HIP SIEMENS X201-2P IRT路的 、变频器柜内的 交P2 MOVIDRIVE换机（ 端口）、设备交换机、 变频器、ET200S变频器柜内的 通讯模块、安全回路控制箱ET200S MP377的 通讯模块、 、设备阀岛、横移变频MOVIPRO器 、抓手上的阀岛。OVERHEAD 12控制系统的网络连接示意见图 。
4.2 Step7软件程序地址分配
本项目中，程序地址分配有自己的标准，每种网络的地址范围固定，控制系统中每个电气设备
都有固定的地址段长度限制。4.2.1 IP地址分配在项目设计阶段，提供给用户各条生产线的IP使用 地址的设备数量，用户将依据设备数量为 IP IP各条生产线分配 地址段，使用 地址的设备数13量见图 。IP之后按照用户分配好的 地址段为每个设备IP IP 14分配不同的 地址。设备 地址分配举例见图 。
IP IP 0~10 PLC设备 地址范围为： 地址从 、 控制IP 10~21 IP 22~29柜 地址从 、变频器柜 地址从 、焊IP 30~31 IP接电源柜 地址从 、控制电源柜 地址从32~33、现场阀岛、门盒内的交换机、门盒内的IM151 IP 34~79接口模块等 地址从 等。4.2.2 PROFINET网络地址分配/ PROFINET对于输入 输出信号的地址分配， 0~2058网络地址范围从 字节等。在这个项目中PROFINET 0网络地址从 字节开始分配。设备PROFINET 0~网络地址范围为：控制电源柜地址从2 4~6 PLC字节、焊接电源柜地址从 字节、 控制柜地10~20 1 50~142址从 字节、安全回路 控制箱地址从1 148~142字节、安全回路门盒地址从 字节、安全2 246~386 PROFI⁃回路 的控制箱地址从 字节等。NET 15网络连接地址分配见图 。
4.3 电气硬件设计
OVERHEAD电气硬件图纸的设计是 电气控制系统的主体部分之一，本项目采用的设计软件是Eplan P8 2.0。硬件图纸除了需要设计电气设备平面布置图、网络连接和地址分配图之外，还有包含有：按钮和指示灯的名称，地址分配和灯颜色的区分；所有控制箱柜的详细布置图、接线图和尺寸图；
4.4 电气软件程序设计
电气设备的电源分配图；所有安全控制系统的接线图和原理图；所有电气信号的连接图。最后根据需
Eplan要还可以利用 软件生成各种表格，比如目录、部件列表和端子接线图等信息。硬件图纸举例见16 17图 、图 。 对电气设计来说，电气硬件图纸的设计是电气控制的基础，软件程序的设计是电气控制的灵OVERHEAD魂。软件程序的设计主要实现 控制系统所有逻辑控制关系。
Step7在 软件中，程序的逻辑关系通过不同的OVERHEAD标准功能块分别实现 系统横移运行、升降运行、变频器写参数。所有有关变频器的逻辑控制都在通过标准的18功能块进行编写，举升变频器写参数见图 、横移19 OVERHEAD变频器写参数见图 、控制 横移见图20 OVERHEAD 21、控制 升降见图 。
4.5 HMI（MP377远程操作屏）控制功能
OVERHEAD通过下面的界面可以实现对 控制系统停止、手动、自动、单独运行等运行状态的切 换。控制升降、水平运动并在运动到位后显示位置状态。控制锁紧气缸的打开、关闭并显示气缸
OVER⁃的状态。显示运动步骤以及报警信息， HEAD 22
控制系统主界面见图 。 OVERHEAD通过这个界面控制 抓具上的气缸OVERDEAD打开关闭并监控气缸位置， 抓手控制23页面见图 。OVERHEAD通过这个界面实现对 横移变频器MOVIPRO MOVIPRO的监控，横移变频器 监控页
OVERHEAD通过这个界面实现对 升降变频器MOVIDRIVE 25 MOVID⁃的监控，见图 升降变频器RIVE监控页面。
4.6 变频器参数设定
Movitools/shell SEW MOV⁃软件是 公司针对IPRO MOVIDRIVE Windows、 等变频器开发的在 操作系统环境下运行的专用调试软件，使得用户对变频器的调试、监测更加简便，同时支持数据采集优
化系统功能，方便用户对驱动系统进行最佳组合。Movitools/shell
在针对诸如位置控制应用进行调试时尤其方便，用户只需按照软件提示输入相应条件参数，其他工作可以由软件自动完成，使调试更
26直观。图 所示为电机状态的波形监控页面。 该项目已经应用到实际的焊装生产线上，经 过现场的反复调试，达到了项目高速传输、精准定OVERHEAD位的技术指标： 横移重复定位精度达± 2 mm， / 15 s/6 m；到 横移前进 后退运行节拍各为± 1 mm， /升降重复定位达到 上升 下降运行节拍各5 s/4 m，为 完全满足焊装生产线的技术要求，实现了降低焊接工位的辅助时间、提高工位的有效工作时间的目的。
5 结束语
OVERHEAD对 系统的研究，首先要对设备机械结构以及电气硬件组成进行详细地分析，再对PLC和变频器相应的功能进行论证和二次开发，最PLC后对现场调试过程中 程序和变频器参数不断优化和完善，以理论上的运动曲线作为变频器输AT出参考，设备运行满足节拍要求。 &M