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西門子S7-300PLC在汽車發(fā)動機(jī)裝配線中應(yīng)用

發(fā)動機(jī)裝配線PLC控制系統(tǒng)，主要針對包括轉(zhuǎn)臺、舉升臺、舉升轉(zhuǎn)移臺、翻轉(zhuǎn)機(jī)五種工位的控制。在汽車發(fā)動機(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工段適當(dāng)調(diào)整發(fā)動機(jī)的方位以方便裝配零件。裝配線上共計(jì)20余個工位，包括7個普通轉(zhuǎn)臺、2個維修轉(zhuǎn)臺、4個無滾輪舉升臺、7個單向滾輪舉升臺以及2個翻轉(zhuǎn)機(jī)。
    整個被控對象包括22個工位,每個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個生產(chǎn)線傳輸電機(jī)。每個工位均由一個ET200S和一個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、自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場I/O站等幾個部分。
    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），并且可以在人機(jī)界面上直接查看對應(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I/O站:使用現(xiàn)場總線技術(shù)，在設(shè)備現(xiàn)場直接采集現(xiàn)場儀表的信號,控制現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
    現(xiàn)場總線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ET200S和22個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模塊個數(shù)范圍為2～12個，標(biāo)準(zhǔn)型的接口模塊其范圍為2～63個。所以當(dāng)從站I/O模塊較多時，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?？刂葡渲械哪K采用防護(hù)等級為20的ET200S I/O模塊，對應(yīng)每個控制箱的還有一個防護(hù)等級為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)動機(jī)裝配線是一個對發(fā)動機(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。該裝配線在整個生產(chǎn)過程中較為關(guān)鍵，由于每個工位之間是流水線生產(chǎn)，因此每個環(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ET200S站和其對應(yīng)的 ET200eco站共同構(gòu)成一個工位, ET200eco主要是采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)之用。ET200S站的模塊置于小型控制箱內(nèi), 對于工位的基本操作有兩種方式，就地控制箱手動方式和就地自動方式。由于每個控制工位的操作進(jìn)度不一致，操作工可以按照裝配要求進(jìn)行手自動切換。特殊情況下亦可通過手動操作進(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)場檢測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)場模擬量信號轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)據(jù)量，通過高速度可達(dá)12M的Profibus-DP現(xiàn)場總線網(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是應(yīng)用廣泛的過程現(xiàn)場總線系統(tǒng)。PROFIBUS有三種類型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自動化;PROFIBUS-DP用于制造業(yè)自動化;PROFIBUS-PA用于過程自動化。使用PROFIBUS過程現(xiàn)場總線技術(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。除了安裝簡單外，它有*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。在一個網(wǎng)段上多可連接Profibus-DP從站即ET200S或是ET200eco 32個。
    整個控制系統(tǒng)根據(jù)工藝劃分由轉(zhuǎn)臺、舉升臺、舉升轉(zhuǎn)移臺、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）從站作為相對獨(dú)立的系統(tǒng)分散控制各個工位的運(yùn)行。
    3.2 系統(tǒng)控制要點(diǎn)
   （1）該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中一個主站CPU下兩條profibus網(wǎng)絡(luò)所帶的從站有44個之多，在利用Simatic Manager編程軟件進(jìn)行硬件配置時，根據(jù)S7-300CPU中CPU31XC的地址分配的參數(shù)規(guī)范，對于數(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, 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。對于轉(zhuǎn)臺工位，轉(zhuǎn)臺有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種工作狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)電機(jī)需要有一個負(fù)荷開關(guān)和兩個接觸器一并來控制（而舉升電機(jī)一般只需要一個負(fù)荷開關(guān)和對應(yīng)的一個接觸器即可進(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)同時置1時，則會出現(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)兩個接觸器同時置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輸入端子，同理， Q1兩端本應(yīng)接在正向接觸器的兩個輸入端子，但是改接成如圖所示。接觸器上有自帶的一個常開點(diǎn)和一個常閉點(diǎn)，互鎖中只需用到常閉點(diǎn)，當(dāng)輸出點(diǎn)Q1閉合時，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，也就不會出現(xiàn)短路跳閘的事故。