西門子S7-300PLC在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中的應(yīng)用

西門子S7-300PLC在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線PLC控制系統(tǒng)，主要針對(duì)包括轉(zhuǎn)臺(tái)、舉升臺(tái)、舉升轉(zhuǎn)移臺(tái)、翻轉(zhuǎn)機(jī)五種工位的控制。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中，由于被裝配零件的多樣性，需要在裝配線的每個(gè)工段適當(dāng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的方位以方便裝配零件。裝配線上共計(jì)20余個(gè)工位，包括7個(gè)普通轉(zhuǎn)臺(tái)、2個(gè)維修轉(zhuǎn)臺(tái)、4個(gè)無滾輪舉升臺(tái)、7個(gè)單向滾輪舉升臺(tái)以及2個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)。

整個(gè)被控對(duì)象包括22個(gè)工位,每個(gè)工位上包含必需的轉(zhuǎn)移電機(jī)或舉升電機(jī),此外還有32個(gè)生產(chǎn)線傳輸電機(jī)。每個(gè)工位均由一個(gè)ET200S和一個(gè)ET200eco從站組成,用于該工位的I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送以及分散控制。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

系統(tǒng)包括操作員站、工程師站、自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)I/O站等幾個(gè)部分。

系統(tǒng)各部分功能:

操作員站:提供全漢化人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能（操作、顯示、報(bào)表、報(bào)警、趨勢(shì)），并且可以在人機(jī)界面上直接查看對(duì)應(yīng)的step7源程序。

工程師站:用于系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù)。

自動(dòng)化系統(tǒng):使用SIMATIC控制器完成回路調(diào)節(jié)和邏輯運(yùn)算。

現(xiàn)場(chǎng)I/O站:使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)直接采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的信號(hào),控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)場(chǎng)總線ProfiBus:用于連接控制單元與操作員站以及管理網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)采用PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模塊相連構(gòu)成系統(tǒng)的主站。CP342-5是用于連接S7-300和profibus-DP的主/從站接口模塊，CP 343-1是用于連接S7-300和工業(yè)以太網(wǎng)的接口模塊。在該控制系統(tǒng)中，除了上述主站外，從站是由22個(gè)ET200S和22個(gè)ET200eco組成，分別分布在兩條profibus網(wǎng)絡(luò)上。CPU上自帶的profibus-DP接口構(gòu)成profibusⅠ線，CP 342-5接口模塊構(gòu)成profibusⅡ線。

系統(tǒng)配置功能圖如圖1所示:

系統(tǒng)中ET200S從站上采用的IM151-1接口模塊有兩種: 基本型和標(biāo)準(zhǔn)型，基本型的接口模塊所能掛接的電源管理模塊和I/O模塊個(gè)數(shù)范圍為2～12個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)型的接口模塊其范圍為2～63個(gè)。所以當(dāng)從站I/O模塊較多時(shí)，宜選用標(biāo)準(zhǔn)型的接口模塊。接口模塊上帶有profibus地址設(shè)定撥碼開關(guān)。

系統(tǒng)中ET200eco從站中選用了8DI和16DI兩種模板，模板結(jié)構(gòu)緊湊，模板的供電采用7/8‘電源線，模板的通訊采用M12通訊接頭。接線靈活而快速，方便拔插。其接口模塊上帶有2個(gè)旋轉(zhuǎn)式編碼開關(guān)用于profibus地址分配。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的程度，以及生產(chǎn)線的布局來考慮選用不同防護(hù)等級(jí)。控制箱中的模塊采用防護(hù)等級(jí)為20的ET200S I/O模塊，對(duì)應(yīng)每個(gè)控制箱的還有一個(gè)防護(hù)等級(jí)為67的ET200eco模塊，置于生產(chǎn)線滾輪下方，由于該模塊需要接觸到現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，因此需要有防水防油防塵等功能。

3 目標(biāo)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是一個(gè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)順序裝配的流水線工藝過程。由于工藝的繁瑣性，工程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)考慮采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC為核心構(gòu)成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，各獨(dú)立工位控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、資源共享。該裝配線在整個(gè)生產(chǎn)過程中較為關(guān)鍵，由于每個(gè)工位之間是流水線生產(chǎn)，因此每個(gè)環(huán)節(jié)的控制都必須具備高可靠性和一定的靈敏度，才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。從站中的每個(gè)ET200S站和其對(duì)應(yīng)的ET200eco站共同構(gòu)成一個(gè)工位, ET200eco主要是采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)之用。ET200S站的模塊置于小型控制箱內(nèi), 對(duì)于工位的基本操作有兩種方式，就地控制箱手動(dòng)方式和就地自動(dòng)方式。由于每個(gè)控制工位的操作進(jìn)度不一致，操作工可以按照裝配要求進(jìn)行手自動(dòng)切換。特殊情況下亦可通過手動(dòng)操作進(jìn)行工件位置的修正。

安裝在各工位的分布式I/O模塊ET200S和ET200eco通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件和傳感器將系統(tǒng)主要的監(jiān)控參數(shù)（主要是開關(guān)量）采集進(jìn)來，ET200S和ET200eco將現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)據(jù)量，通過最高速度可達(dá)12M的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳到中央控制器，控制器根據(jù)具體工藝要求進(jìn)行處理，再通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)將控制輸出下傳給ET200S，實(shí)現(xiàn)各工位的控制流程。PROFIBUS是全球應(yīng)用最廣泛的過程現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。PROFIBUS有三種類型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自動(dòng)化;PROFIBUS-DP用于制造業(yè)自動(dòng)化;PROFIBUS-PA用于過程自動(dòng)化。使用PROFIBUS過程現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以使硬件、工程設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和維修費(fèi)用節(jié)省40%以上。PROFIBUS-DP的技術(shù)性能使它可以應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化的一切領(lǐng)域，包括冶金、化工、環(huán)保、輕工、制藥等領(lǐng)域。除了安裝簡(jiǎn)單外，它有極高的傳輸速率，可達(dá)12Mbits/s，通訊距離可達(dá)到1000米，如果加入中繼器可以將通訊距離延長(zhǎng)到數(shù)十公里，具有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型）可供選擇。在一個(gè)網(wǎng)段上最多可連接Profibus-DP從站即ET200S或是ET200eco 32個(gè)。

整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)工藝劃分由轉(zhuǎn)臺(tái)、舉升臺(tái)、舉升轉(zhuǎn)移臺(tái)、翻轉(zhuǎn)機(jī)五種工位組成。各部分可獨(dú)立完成各自的控制任務(wù)，并通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)和上位監(jiān)控系統(tǒng)的連接，由上位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各部分的協(xié)調(diào)控制。

裝配I線工程PLC控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)具有下列特點(diǎn):

（1） 計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化過程控制系統(tǒng)，分布式、高可靠性、高穩(wěn)定性。

（2） 從站作為相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)分散控制各個(gè)工位的運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)控制要點(diǎn)

（1） 該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)主站CPU下兩條profibus網(wǎng)絡(luò)所帶的從站有44個(gè)之多，在利用Simatic Manager編程軟件進(jìn)行硬件配置時(shí)，根據(jù)S7-300CPU中CPU31XC的地址分配的參數(shù)規(guī)范，對(duì)于數(shù)字量輸入輸出，其地址分配的參數(shù)范圍為0.0～127.7。因此在進(jìn)行硬件配置時(shí), S7～300CPU自帶的profibus-DP接口上的profibus I線上的模塊數(shù)字量I/O地址一般規(guī)定在0.0～127.7的范圍中,如有超出則采用間接尋址的方式來處理。profibus Ⅱ線上的模塊的數(shù)字量I/O地址無論處在哪個(gè)范圍中,都必須采用間接尋址方式。

（2） 關(guān)于接觸器的硬件互鎖。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)工位，轉(zhuǎn)臺(tái)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)電機(jī)需要有一個(gè)負(fù)荷開關(guān)和兩個(gè)接觸器一并來控制（而舉升電機(jī)一般只需要一個(gè)負(fù)荷開關(guān)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)接觸器即可進(jìn)行控制），接觸器分正轉(zhuǎn)接觸器和反轉(zhuǎn)接觸器，輸入端為380AV。正轉(zhuǎn)接觸器的三相電壓A、B、C分別和反轉(zhuǎn)接觸器的C、B、A短接。如圖2所示，當(dāng)程序在執(zhí)行過程中，若存在某些漏洞使得正轉(zhuǎn)接觸器和反轉(zhuǎn)接觸器的輸出點(diǎn)同時(shí)置1時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)正轉(zhuǎn)接觸器和反轉(zhuǎn)接觸器各自的A相和C相短接，造成接觸器短路損壞，主電源開關(guān)跳閘。為了避免這種事故的發(fā)生，首先保證程序中不能出現(xiàn)兩個(gè)接觸器同時(shí)置1的情況，其次即是采用接觸器上硬件互鎖，如圖2所示，點(diǎn)Q1、點(diǎn)Q2是輸出控制點(diǎn)，Q1兩端本應(yīng)接在正向接觸器的兩個(gè)輸入端子，同理， Q1兩端本應(yīng)接在正向接觸器的兩個(gè)輸入端子，但是改接成如圖所示。接觸器上有自帶的一個(gè)常開點(diǎn)和一個(gè)常閉點(diǎn)，互鎖中只需用到常閉點(diǎn)，當(dāng)輸出點(diǎn)Q1閉合時(shí)，正向接觸器上常閉點(diǎn)隨之?dāng)嚅_，則Q2輸出點(diǎn)兩端之間不可能形成回路，也就不會(huì)出現(xiàn)短路跳閘的事故。

（3） 該項(xiàng)目中涉及到的變量數(shù)目較多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)可能有更改，為了便于管理，采取S7程序界面和Wincc人機(jī)界面共用一套變量。這樣可以將建立變量的工作量減少一半，也將出錯(cuò)概率減少一半。先安裝step7軟件，之后自定義安裝Wincc軟件，將Wincc通訊組件安裝完整。然后在step7軟件中插入OS站，可點(diǎn)擊右鍵打開并編輯Wincc項(xiàng)目。在Wincc項(xiàng)目中需要引用變量的位置進(jìn)行變量選擇，出現(xiàn)變量選擇對(duì)話框，即可在step7項(xiàng)目變量表中選擇需要的變量，從而保證人機(jī)界面和下位機(jī)所用變量的一致性。

3.3 系統(tǒng)控制功能

（1） 手自動(dòng)回路的切換

在Wincc人機(jī)界面上可以很方便地知道每個(gè)工位的手自動(dòng)狀態(tài)，但是手自動(dòng)狀態(tài)的切換是在從站的控制箱面板上實(shí)現(xiàn)的。在自動(dòng)狀態(tài)下，工位的操作全由下位控制，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制機(jī)械的操作流程。在手動(dòng)狀態(tài)下，操作具有自保護(hù)功能，在某些機(jī)械操作動(dòng)作下通過軟件互鎖可杜絕相應(yīng)的危險(xiǎn)動(dòng)作的發(fā)生。

（2） 安全保護(hù)

上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定了若干級(jí)操作密碼，管理員和操作員分別有自己的操作權(quán)限，且操作員在進(jìn)行操作時(shí)有必要的警告提示框和信息提示框出現(xiàn)。

（3） 查詢?cè)?a target="_blank">程序代碼

當(dāng)上位機(jī)畫面顯示某個(gè)工位出現(xiàn)故障時(shí)，可從畫面直接點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)的下位機(jī)梯形圖程序界面，即可迅速查找出故障的根本原因，節(jié)省了維修時(shí)間。

（4） 故障報(bào)警和報(bào)表打印

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警框中會(huì)出現(xiàn)提示，并伴隨有聲音報(bào)警。操作員可根據(jù)需要打印與生產(chǎn)相關(guān)的報(bào)表信息。

4 結(jié)束語

西門子S7300 CPU通過兩條profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接若干ET200S和ET200eco從站構(gòu)成的集中分散式控制系統(tǒng)已經(jīng)在該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線成功投運(yùn)，能夠保證生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)，尤其在機(jī)械動(dòng)作靈敏度上有較大提高，完全滿足了用戶的要求