西门子模块6ES7515-2AM02-0AB0安装调试机座角板焊接是一道重要的生产工序，其目的是将角板通过凸焊机焊接固定在机壳上，使电机得以安装在风扇总成的风罩上。机座角板的分布有三等分均布的，也有非三等分分布的。传统的焊接方法是： 操作者将机壳放入根据机座焊接高度定制的焊接夹具中，将角板放置在带有磁钢的夹具定位块内贴住机壳；将带有机座的焊接夹具置于凸焊机的焊接电极上；踩下脚踏开关，凸焊机焊接；手动旋转夹具到下一个角板焊接位置，重复步骤3，直至焊完所有角板；取下夹具，将焊好的机座取出，完成一次机座角板的焊接操作。

图1 机座示意图

由于人工转动夹具，操作者在焊接时顶住夹具的作用力大小不同，会造成角板轴向定位存在误差。同时，整个操作过程操作者要重复转动多次，致使操作者劳动强度较高。种种问题影响了产品质量和生产效率，因此我们设计了一套半自动角板焊接夹具来解决上述问题。

根据机座角板焊接工序的特点，需要能够按要求重复转动固定的角度，故我们采用了伺服电机来控制焊接时的转动角度。伺服电机带有信号反馈，精度高，并且能提供足够的转矩带动夹具的转动。同时，使用单轴数控系统控制伺服驱动器，利用单轴数控系统的编程功能，我们编制出一套程序来模拟人工焊接时的动作顺序，实现了焊接自动化。为了保证焊接质量，我们设计了角板焊接座，用来安放夹具，实现分度转动、上下浮动、卸料等功能。从而较好地解决了半自动角板焊接夹具与凸焊机的接口，大化地利用了原有的设备。

一、系统硬件设计

1. 系统组成

系统的组成以及运行流程。

2. 角板焊接座

角板焊接座的作用是加载并转动工件，提供一个浮动平台，由伺服电机通过焊接座的齿轮副来控制转动角度。焊接座通过弹簧、导套和导柱能上下浮动，在转动时脱开内电极，焊接时压紧内电极，从而避免夹具转动时的擦碰，能有效提高焊接质量。与焊接座配套使用的是在原有手工焊接夹具基础上改进的夹具，它的作用是固定机壳和角板的相对位置。在焊接座上，我们采用带磁钢的吸盘来吸住焊接夹具，代替人工的手压动作，以保证焊接时夹具不致脱落，避免角板轴向尺寸偏差。为了卸料的需要，我们还在焊接座上安装了卸料机构，它通过两个气缸联接一个卸料环推动焊接夹具脱离带有磁钢的吸盘，完成卸料。3. 伺服系统

伺服电机具有转矩大、精度高、可反馈的特点，可根据脉冲数来控制转动角度和转速。我们选用了上海开通数控有限公司的110HM-8M04030-F 伺服电机，它体积紧凑，转矩达到4N.m。

交流伺服驱动系统是控制伺服电机的装置，我们选用与电机相匹配的KT270全数字交流驱动系统。它采用DSP（数字信号处理器）芯片，加快了数据采集和处理速度，使电机运行性能良好。同时，它能够直接在驱动器面板上设置参数、调试、监视系统状态，外观简洁，结构紧凑。

单轴数控系统KT700B在整个系统中相当于PLC的功能。它具有输入输出功能，自带液晶屏和键盘，可以直接在线编程控制和在线监控。通过它进行编程模拟人工操作步骤，可控制半自动角板焊接夹具。

4. 电气系统和气动系统

主要用来控制输入和输出讯号，与凸焊机接口联接控制执行机构运行位置。

二、系统软件设计

● 系统参数设置

（1）交流伺服驱动器的设置

设置显示状态为监视运行状态；设置控制模式为位置控制模式，以控制伺服电机输出轴的位置；为了使转动更加平稳，设置适当的加减速时间；设置保护限制，比如高转速、高转矩等，以避免异常情况出现导致系统受损；建立工艺文件记录报警参数，及时了解系统的故障模式，采取应对措施。

（2）单轴控制器的设置

根据系统的试运行状况，调整各参数，使其运行稳定；设定系统参数，定义编程用常量、参考点；设置电子齿轮比，通过设置可以将夹具实际转动与脉冲数建立相应关系，便于控制；设定系统极值，确保系统稳定。

● 程序编写

程序编写是基于单轴控制器提供的数控指令编写的。指令采用顺序排列，根据人工操作时的顺序，编写程序。用SET指令接受输出信号，用WAT指令接受输入信号。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置与角度。此外，还可以采用CALL 调用指令，循环执行相似的命令。

三、试运行发现的问题及解决方案

系统组建好后，进行试生产。运行过程符合设计要求，并按照人工焊接的顺序执行，定位准确。同时，系统可根据实际生产要求，调整运行速度，满足生产节拍的要求。但在实际的操作中发现：夹具与焊接座的制造以及装配质量对系统的稳定可靠运行影响很大。因此，我们对夹具进行了优化，并在装配时进行适当的调整。

起初，夹具易被压翘头，导致焊接后产品尺寸偏差大。我们在凸焊机上增加了预压装置，在焊接前先将焊接座压实，同时增加了护套以提高焊接座的刚度。然而，运行一段时间后发现，工件难以脱离夹具。于是，我们重新修整夹具，调整凸焊机上电极的位置，使焊接时工件受力均匀，不会使工件偏移卡死夹具导致难以脱出。同时，调整卸料气缸的压力以及卸料环与焊接座的间隙，使气缸顶出时更加顺畅。卸料气缸在卸料时，弹力很大，容易造成夹具弹出时使操作者受伤，同时损坏夹具。我们在工作台上设置了缓冲板，夹具在弹出后，先接触缓冲板减速，提高了系统的安全性。

经过一段时间的试运行，角板焊接夹具系统能够按照预定要求，完成整个工作任务。生产出的产品质量符合设计要求，并且避免了人为因素的干扰，降低了操作者的劳动强度。在焊接夹具工作时，操作者可以腾出手进行下一个工件的装配，提高了生产效率。结合伺服系统的应用，将机电一体化技术应用到实际生产中，能够给我们带来更多的便利，创造更大的经济效益。

当提及人机接口时，安全和保安之间的区别往往可以很明确。Wonderware公司的针对基础设施和平台产品的市场 Garbrecht说：“安全指的是嵌入PLC的控制操作和安全联动装置，它已经被设计到控制程序中了。”

保安是针对闯入控制系统意图盗取信息或破坏的人。这是两个不同的领域，然而说到HMI，安全和保安就有一些交集了。

适当的安全设计可以防止操作人员对产品或设备造成的损伤或破坏，并且可以使操作人员及时行动避免这种情况发生。1984年12月份，印度Bhopal省的Union Carbide公司的一家工厂发生了灾难性的事故，化学反应堆失控，造成成吨的异氰酸甲酯泄露，成千的人死亡，更多的人患病。对于此次事故中安全系统是否工作的讨论存在这个分歧，Union Carbide公司的立场是“造成如此大的事故只可能是人为破坏。”而且他人却十分不认同这种说法。

如图1和图2所示，在这个制药流程中，生产过程的启动、控制和监控都是由操作员完成的，Wonderware Intouch 公司的HMI 软件一步一步地知道操作员完成这个过程。

图1 工厂系统的总图

图2 样品数据管理和审核流程

1979年美国Three Mile Island（PA）发生的核工厂泄露事故中，操作人员并没有意识到一个关键的阀门被打开了，虽然显示时关闭的。之后他们收到了反应堆液位的错误信息。后来的调查显示，被恶意破坏的可能被排除，如果操作人员当时收到了正确的信息，他们就能够阻止情况失控。

确保不失控

诚然，确实有外部的恶意破坏者。Wonderware公司的信息安全（Infosec）分析师Rich Clark在一次题为“控制系统安全向导”的演讲中，列举了17类情况，包括从不满的员工到普通的罪犯，以致有组织的危害国家和政府安全的组织和个人。他说，这些人很难别确认，但“他们每天却有很多目标可以攻击。”

Garbrecht说：“从人机接口的角度上，有三种主要的情况，一是公司以外的某些人穿越防火墙，通过网络进入公司，并对人机接口做了某些改动。二是公司内部的某些人以某种原因对公司作了恶意操作。三是公司内部员工，并不是有意要做恶意攻击，只是由于误操作导致流程中安全或其他方面的问题。”

Clark说，如果公司把控制系统的保安工作交给IT部门，那么公司可能会有麻烦。IT人员通过隔离每台机器来达到保安，他们隔离哪些正在上网的和有可能携带病毒的人，使他们不至于影响企业中的其他部分。这种方法在IT领域确实奏效，但是它牺牲了机器之间通讯的便捷性，并且实时性能不好。

Clark继续说道：“当控制系统被设计时，每台机器都设计成可以不受阻碍地与另一台机器通讯。在控制系统的环境中，更多的机器既是服务器又是客户机，这并不符合IT领域中的客户端服务器模型。”Clark指出，控制系统的安全方案是将控制系统放在一面保护墙后面，然后密切控制受保护区域的所有进出。

在控制系统和整个系统之间的所有通讯必须经过防火墙。California的一家生物制药公司近安装了符合21 CFR 11 标准的用于处理历史数据的新型系统。所有有关过程错误和事件的信息都被存储在服务器中需要的人可以调用。但是工厂的重要数据和控制信息都是存放在与整个系统隔离的网络中的。

Clark引用了“having limited threat vectors。”他说，一个理想的安全控制系统应该满足以下几条：

·与全部的威胁隔离，包括商业合作企业。
·用强力抗侵蚀设备分层
·只有一个输入输出点
·所有的系统自动化都在一个安全集合内
·并且企业内的每一个置信机器可以无阻碍地访问另一个置信机器

微软公司称这种安全模型为“网域隔离”。GE公司通过使用“Application Validator Utility”工具，为它的iFIX软件3.5版本添加了这种安全特性。这种软件工具可以自动整理对系统文件和功能的修改，减少安装被无意和有意地危机的可能性。

当操作员界面使用GE Fanuc Automation Complicity 的软件时，它允许这个主要的金属设备上的授权用户在工厂中的任何一个位置访问控制数据，但是对控制参数的改动只能在特定的位置完成。

Systek Automated Controls公司的工程副总裁（前International Automation 公司控制工程经理）Joe Quigg警告说：“有意图的人可以制造危险。对于以前的系统，很多情况下，人们可以不受阻碍和无人监管地对系统作修改和改动。而且这种修改缺乏文档备案机制，如果人们改动了系统，而且没有备案，那就根本无据可查。”他继续说道：“很多逻辑系统都带有硬件继电器逻辑，如果某人可以打开控制面板，那么只要他愿意他就可以设置某些旁路。”

他继续说道：“一个设计精良的现代系统被划分为两个部分，标准部分，即日常的控制程序，它是开放式结构的，另一个是安全不分，如果改动的话就会产生危险，这部分是被锁定的。只有特定的人，使用正确的密码，经过培训和指导才能够对其进行修改。”

应用：性能管理软件、接口，帮助优化操作，达到标准要求

Roche Diagnostics GmbH公司近期在德国Mannheim建立了一条新的置物架流水线，用于照料糖尿病病人和放置诊断产品。为了达到美国食品和药物管理（FDA）标准，提高生产效率，增强其过程监控和审核能力，他安装了Wonderware公司的生产和性能管理软件系统，这同时也是Invensys System公司的一个业务单元。

公司希望找到一个便于使用，能保证其生产过程的系统，而且此系统还要符合F DA 21 CFR Part 11的规定。它选择了Wonderware 公司的两个关键的软件包，InTouch人机接口软件和L服务器，它包含一个与系统实时相关的数据库。这两个软件包使Roche公司既满足了商业要求又满足了生产的要求，而且还符合FDA的要求。

在这条新的置物架流水线上，小瓶子从托盘中分别选出、分类并放在一起，形成一个包，这个包之后会被送到一个旋转的桌子上，进行进一步处理。贴上标签，一台摄像机用来检查矩阵条形码是否正确和是否合理放置。之后另一台摄像机检查每个瓶子和瓶盖是否是正确的颜色，然后这个包就到了终的包装阶段。这个生产过程的启动、控制和监控都是由使用这个软件的操作人员完成的。人机接口指引操作员一步一步指导结束，操作员不必再从复杂的屏幕选项中作出选择了。

FDA标准要求生产商保持生产数据的可追溯性，这就意味着公司必须明确过程中的每一步，包括那个操作人员在什么时间完成某项任务。这个程序的用户管理特性和微软2000操作系统提供的特性允许对工厂进行严密的安全设计，而不必使操作系统直接面对用户。

Dr焎ker Steuerungssysteme GmbH公司的总经理Uwe Dr焎ker说：“使用这种方法的一个益处是用户的管理并不表现为单独的一个系统，而是作为整个企业安全系统的一部分。使用这种操作方法，公司可以很容易地合并并且重用工厂的现有操作系统。而且，这个软件的易用性和统一的接口使Mannheim的操作人员保持置物架流水间运行于优效率下。我们只需采用一个使用单用户管理系统的端对端安全系统而不需要使用几个昂贵的解决方案。”

这条置物架流水线的操作人员登陆应用界面，根据他们的准入等级，对其验证和授权，以便他们执行特定的操作。对过程流水线的操作包括产品和过程数据的日常创建和编辑，启动、暂停或者停止批处理，或者编辑用户预设值文件。流水线的操作人员使用他们的用户名和密码来登陆。这种安全登陆技术使公司能够满足FDA数据可追溯要求，并且使生产流水线具有更强的防篡改功能。

此软件具有时戳电子签名，能将每一个操作人员与具体的行动联系起来。这个签名和其他相关的数据之后被存储在L服务器历史数据库中，用开生成一个复杂的审计跟踪。这些审计跟踪可以在任何时候被授权主管或经理察看和打印。信息和电子签名是不能被改变或删除的，这样就形成了一个符合FDA要求的、具有防篡改功能的仓库。

而且，Mannheim工厂还使用一个额外的系统来完成高可用性和数据整合。此系统物理上与主系统隔离开来，但它保持和主系统的数据同步。在主系统失效的时候，同步握手协议检测主进程是何时停止的，并自动切换到备用系统，这是一种失效安保能力。细致入微的公用网络整合同样是所有的数据可以用于整个企业范围的分析。

除了来自于FDA规范的压力外，日渐增长的恐怖主义和假冒产品的威胁总是制药公司的主要考虑对象。这种软件管理系统的安全特性使Roche具有很高的信心，使之能够在生产和包装过程的每一步跟踪并保证质量。

应用：HMI系统给铝制品生产带来安全和保障

1990年建于魁北克的美国铝公司Alcoa——Aluminerie de Deschambault是一个需要升级的工厂。他的主要的金属设备使用550人操作，生产原铝锭，然后送到定型设备上生产成各种不同的产品。

过程控制和监控是在一个不能被升级的基于DOS的系统上完成的。数据采集使用一个自制的OpenVMS（VAX）系统。工厂的应用工程师Pierre Boutin解释说：“我们需要一个进行少量工作就可以完成更改设置的系统。”

公司的职员也需要更好的准入机制来处理数据。例如，30多个工厂的环境小组成员紧密合作，但是他们可以在任何时间在半英里的工厂范围内的任何一个地点进行访问数据。任何一个新型系统都需要提供一种高保密认证机制，允许授权用户在工厂的任何一个位置访问控制数据，但是对控制参数的修改只能在特定的位置完成。

Boutin和他的同事选择在现有的基础设施上层安装GE Fanuc Automation公司的Cimplicity软件以搭建控制和监控解决方案。过程中的电解氧化铝提取铝的工艺被分为5步。每一步，10到15个GE Fanuc90-70系列的PLC和多个90-30系列的PLC来完成其他监控和控制工作，在每一步里PLC要监控差不多10000个点。

使用星形以太网拓扑网络，装配了Cimplicity软件的PLC和操作人员接口，通过标准10base-T铜制接线端子，与每一步中的开关连接。每一步都轮流与100Mbps以太网连接，通过光纤引入IT部门。主服务器安放在IT部门，从服务器安放在现场，IT部门的工作人员负责维护系统。

Cimplicity hmi软件工厂版本使用基于客户端服务器结构和开放系统设计的Web技术，用户通过放置在整个厂区的Cimplicity视窗上的Web浏览器，访问实时远程数据。作为对系统内嵌用户访问安全特性的补充，IT部门增加了另一个安全层，在这层上，过程信息可以被所有工作站的授权用户访问，而参数修改只能在指定的工作站完成。

新型控制和监控系统工作良好，促进IT部门和过程控制部门员工的团队合作，而以前，很多公司这两个部门的合作经常出现断层。Boutin说：“这两组人的合作很出色，这在我们的控制和监控系统的成功运行中起了重要作用。”

应用：PLC控制的机器人使用集成了安全软件的手持HMI设备

德国Vlotho的Klocke-Robot-Systeme GmbH 公司安装的完备的Rexroth系统，具有高定位精度、短工作周期和低硬件成本的优点。Klock公司的装货和卸货机器人自动操作注塑机完成任务。集成了完备的安全工能的IndraMotion for Handling系统使用使用连续控制西通IndraLogic，它满足IEC61131-3标准要求，确保已经搭建好的程序模型的可重用性。这个系统的外观和感觉就像一个机器人控制，但实际上是PLC控制。

IndraMotion for Handling系统与完备的移动操作面板配合使用，例如Rexroth VEH30手持式操作人员借口设备。这个组件具有8.4英寸的触摸屏和热插拔能力，可以在设备运行的同时通过以太网方便地与设备互联。一个设备可以完成多个控制任务。用户可以使用手持设备上的恶4个软按钮来编辑动作，也可以通过虚拟键盘教或者输入确定的点。Rexroth IndraDrive的集成的安全功能满足EN-945-1类别3的要求，这样他就符合整个欧洲的安全规程，而无须附加的硬件或控制上的改动。