Technology 技术纵横

92 AUTOMATION PANORAMA 2016.5

摘要：随着汽车工业在我国的快速发展及市场的日渐成熟，对车辆安全

性的要求也在不断提高，车身上装配的每一个螺栓的拧紧都要有严格的

拧紧力和拧紧角度的要求，以前仅靠扭力扳手拧紧的工艺操作已经不能

满足当今的螺栓数据安全性和追溯性的要求了。文中结合Bosch高精度拧

紧枪和工业以太网，基于高级语言开发了螺栓数据管理系统，并应用在

上海大众汽车车身车间，实现了螺栓数据的稳定采集、质量控制和数据

追溯。

关键词：高精度拧紧枪；PROFINET；螺栓数据管理系统

Abstract: With the rapid development of the automobile industry in China

and the matured market, it was continuously improved on automobile safety

requirements. Every screw of theautomobile body should have strict tightening

torque and tightening angle. The way by torque wrench to tighten screw has

been unable to meet the requirements of screw data safety and traceability

today. In this paper, combined with Bosch EC tightening tools and PROFINET,

screw data management system is developed based on Visual Studio language,

which realizes stable screw data collection, quality control and good screw data

retroactivity.

Key words: EC tightening tool; PROFINET; Screw Data Management System

李虎（西门子工厂自动化工程有限公司上海第一分公司，上海200030）

Application of Screw Data Management System in Shanghai Volkswagen

文献标识码：B文章编号：1003-0492(2016)05-0092-03中图分类号：TP274

螺栓数据管理系统在上海大众汽车的应用

1　引言过去，由于车辆构造的相对简单，零部件大多采用了车身一

体化的生产模式，部件与部件之间的装配螺栓相对较少，这就导

致了传统观念上对车辆生产过程中螺栓拧紧所产生的数据管理重

视不够。而近十年来，伴随着汽车制造业工业化程度的提高，车

辆的构造也日益复杂化，在车辆生产中动辄成百上千的拧紧螺栓

数据面前，僵化的管理观念已不能再适应市场的需要；而随着自

动拧紧装置的普及应用，以往的人工数据监控所固有的管理漏洞

也已无所遁形。传统的人工预紧、纸张记录、抽样复核的螺栓数

据管理方法，大大增加了工作量，提高了数据追溯的难度，导致

资源利用率和管理效率的低效化，给车辆质量管理和最终产品的

安全化保障带来了很大的困难。

随着网络技术的长足发展，采用网络系统对高精度拧紧系统

进行数据联网并监控成为可能，可以将所有单个独立的螺栓拧紧

系统连接起来，通过适当的数据库设置将所有的数据进行采集处

理。本文所讨论的是在上海大众汽车车身车间开发并已经投入使

用的基于Bosch高精度拧紧枪和工业以太网的螺栓数据管理系统，

该系统实现了数据的安全稳定和可追溯性。

2　系统结构设计螺栓数据管理系统是采集生产过程中高精度拧紧枪的螺栓拧

紧结果，包括扭矩、角度、合格与否等信息，并结合FIS（上级生

产管理信息系统）及现场的车辆信息，识别出每个螺栓数据，将

螺栓拧紧信息保存在归档服务器中，同时将螺栓结果实时上传给

FIS系统，实现螺栓数据的安全稳定和可追溯性，为日后分析车辆

932016.5 AUTOMATION PANORAMA

制造数据提供依据。

（1）系统设计目标

记录上海大众某厂车身车间四门两盖调整线生产过程中每辆

车的每个电动拧紧螺栓信息，显示于质量控制工作站上，指导返

修操作，并及时将螺栓数据归档，便于日后查询和分析。

同时，本系统配合扫描枪将车辆信息读取至系统中，实现车

型的自动识别，用于拧紧不同的车型。

（2）系统结构

根据现场情况和客户需求，本系统设计为两级架构，分别为

控制层和数据层。控制层由PLC和智能从站ET200S组成，负责对

Bosch拧紧枪控制器的拧紧控制，根据车型信息调用不同的拧紧

程序，使能拧紧枪对螺栓进行拧紧，并指示拧紧结果；数据层由

数据采集部分和数据上传部分组成，数据采集部分是将Bosch拧

紧枪的拧紧结果进行实时采集，并保存在本地服务器上，数据上

传部分是将采集到的螺栓拧紧结果实时上传给上海大众的FIS系

统，以显示在相应的质量检测点，进行质量控制。系统结构如图

1所示。

图1 系统结构图

3　系统工作流程该系统从大众FIS系统获取制造车辆的相关信息，包括车

型、后盖信息等，并保存到本地服务器中，以便车辆进入到工位

后进行查询和匹配；同时系统根据匹配结果控制Bosch高精度拧紧

枪对螺栓拧紧，并对拧紧结果采集和保存，最后将螺栓拧紧结果

上传给大众FIS 系统。工作流程图如图2所示。

具体流程如下：

（1) 当车辆进入拧紧工位时，工人通过扫描枪获取车辆信

息，通过与FIS下发的信息对比，获得车型信息，PLC根据此信息

控制Bosch高精度拧紧枪对螺栓拧紧；当获取失败或匹配失败时可

进行手动输入和匹配。

（2) 基于工业以太网和大众的XML2.1标准协议，系统实时

采集Bosch高精度拧紧枪的螺栓拧紧结果，并结合车辆信息实时保

存到数据服务器。

（3) 将采集的螺栓拧紧结果实时上传给FIS系统，通过质量

检测点对螺栓质量进行控制。

图2 工作流程图

（4) 当有螺栓拧紧不合格时，车辆需要进入到返修工作站进

行返修，并将返修结果保存和上传给大众FIS系统。

4　系统组成4.1　系统硬件组成

根据该系统的两层架构，其硬件组成也分为控制层和数

据层。

（1）控制层由SIEMENS PLC CPU317F+ET200S+Bosch高精

度拧紧枪构成，采用PROFINET总线。根据工艺要求，现场每个

工位又由一个扫描枪、一个MP377触摸屏（带E7钥匙）和一组按

钮指示灯组成。其中扫描枪用来扫描车身的随车码，并将结果发

送给PLC；MP377作为工位操作指导屏，显示本工位所有拧紧工

序的操作状态，并与E7钥匙开关联动作为手动操作的入口；按钮

指示灯指示螺栓拧紧结果，同时可进行螺栓不合格确认。

（2）数据层的硬件主要由服务器和工控机组成，用于运行

相应的软件程序。其中服务器用于螺栓数据的采集和保存，后台

数据库使用SQL Server 2008，并接收FIS系统下发的车型数据和保

存螺栓拧紧结果；工程师站用于螺栓拧紧数据的查询和管理；返

修PC显示需要返修的螺栓，并指导工人完成返修。

4.2　系统软件组成

系统软件主要由PLC程序、数据采集程序、FIS程序和WinCC

程序组成，其中PLC程序和数据采集程序需要遵循大众的XML2.1

协议；FIS程序需要符合FIS数据传输的PMON协议；WinCC程序

作为后台数据库和PLC程序数据交换的接口，并做一些必要的画

Fis

预留

CPU317-2PN/DP 返修PC

生产线PLC

PN/PN Coupler

现场指示灯现场指示灯

7个工位

ET200sScalance XF208ET200s

拧紧枪

MP377

拧紧枪

MP377

工程师站PC847HP数据库服务器

Technology 技术纵横

94 AUTOMATION PANORAMA 2016.5

面显示。

（1）PLC程序主要用于Bosch高精度拧紧枪的逻辑控制，遵

循XML2.1协议。FB300是开发用于控制Bosch高精度拧紧枪的程

序块，每把拧紧枪都是一个PLC从站，通讯字节分别为64字节的

输入和输出。FB300程序块如图3所示。

图3 FB300程序块

（2）数据采集程序用于螺栓拧紧结果的采集，基于XML2.1

协议，以VS C#编程语言为平台，通过实时监听拧紧枪控制器网

络端口，将接收到的数据报文解析后存储到后台数据库中，完成

螺栓结果的数据采集，如图4所示。

图4 数据采集程序

（3）FIS程序主要功能是接收FIS下发的车型信息，同时将螺

栓结果信息上传给FIS系统。遵循大众的PMON协议，通过VB编

程语言编写FIS程序，具体FIS程序共有四个通讯通道，分别是数

据下发通道，快速请求通道，快速应答通道和数据上传通道。

（4）数据查询及分析程序用于螺栓拧紧结果数据的查询和

分析，同时提供有多种查询方式，如通过车辆KNR码查询、通过

螺栓编号查询、通过时间查询等等，另外还提供螺栓一次合格率

分析、小时生产柱状图、3sigam质量分析等多种分析方式，如图5

所示。

图5 数据查询及分析界面

5　结语该系统目前已经投入使用，并且已经取得了预期的效果，车

身四门两盖的螺栓数据都能够采集起来，并且能够通过多种查看

方式进行查询和分析，做到了数据的可后续处理分析，并且实现

了数据的可追溯性。该系统是在上海大众标准化工厂的一次成功

实践，随后上海大众的其它车身工厂都陆续上马了这套系统，从

而有效提高了整体汽车工业的装配水平。

参考文献：

[1] 崔坚. 西门子工业网络通讯指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[2] 苏昆哲. 深入浅出西门子WinCC V6[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,

2005.

[3] 刘锴. 深入浅出西门子S7 - 300PLC[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,

2004.

[4] 明日科技. SQL Server从入门到精通[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.

[5] 陈杰. 工业现场数据采集系统的改进[D]. 上海: 上海交通大学, 2005.

[6] 金恺裔. 车辆螺栓数据管理系统的分析与设计[D]. 云南: 云南大学, 2013.

作者简介

李虎（1981-），男，山东淄博人，工程师，硕士，现就职于西

门子工厂自动化工程有限公司，从事汽车电气自动化生产线开发

设计工作。