1 引言
發(fā)動機裝配線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)機五種工位的控制。在汽車發(fā)動機裝配過程中,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)動機的方位以方便裝配零件。裝配線上共計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。
整個被控對象包括22個工位,每個工位上包含必需的轉(zhuǎn)移電機或舉升電機,此外還有32個生產(chǎn)線傳輸電機。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:提供全漢化人機界面,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的監(jiān)控操作功能(操作、顯示、報表、報警、趨勢),并且可以在人機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。
自動化系統(tǒng):使用SIMATIC控制器完成回路調(diào)節(jié)和邏輯運算。
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等級??刂葡渲械哪K采用防護等級為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
汽車發(fā)動機裝配線是一個對發(fā)動機順序裝配的流水線工藝過程。由于工藝的繁瑣性,工程的計算機控制系統(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)成的計算機控制系統(tǒng),各獨立工位控制系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(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度不一致,操作工可以按照裝配要求進行手自動切換。特殊情況下亦可通過手動操作進行工件位置的修正。
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,通過最高速度可達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)具體工藝要求進行處理,再通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)將控制輸出下傳給ET200S,實現(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、安裝調(diào)試和維修費用節(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,它有極高的傳輸速率,可達12Mbits/s,通訊距離可達到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)拓撲結(jié)構(gòu)(總線型、星型、環(huán)型)可供選擇。在一個網(wǎng)段上最多可連接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)機五種工位組成。各部分可獨立完成各自的控制任務(wù),并通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)和上位監(jiān)控系統(tǒng)的連接,由上位系統(tǒng)實現(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:
?。?) 計算機集成自動化過程控制系統(tǒng),分布式、高可靠性、高穩(wěn)定性。
?。?) 從站作為相對獨立的系統(tǒng)分散控制各個工位的運行。
3.2 系統(tǒng)控制要點
(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)電機需要有一個負荷開關(guān)和兩個接觸器一并來控制(而舉升電機一般只需要一個負荷開關(guān)和對應(yīng)的一個接觸器即可進行控制),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Q1、點Q2是輸出控制點,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和一個常閉點,互鎖中只需用到常閉點,當(dāng)輸出點Q1閉合時,正向接觸器上常閉點隨之?dāng)嚅_,則Q2輸出點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。
(3) 該項目中涉及到的變量數(shù)目較多,根據(jù)現(xiàn)場情況隨時可能有更改,為了便于管理,采取S7程序界面和Wincc人機界面共用一套變量。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,可點擊右鍵打開并編輯Wincc項目。在Wincc項目中需要引用變量的位置進行變量選擇,出現(xiàn)變量選擇對話框,即可在step7項目變量表中選擇需要的變量,從而保證人機界面和下位機所用變量的一致性。
3.3 系統(tǒng)控制功能
(1) 手自動回路的切換
在Wincc人機界面上可以很方便地知道每個工位的手自動狀態(tài),但是手自動狀態(tài)的切換是在從站的控制箱面板上實現(xiàn)的。在自動狀態(tài)下,工位的操作全由下位控制,可實現(xiàn)全自動控制機械的操作流程。在手動狀態(tài)下,操作具有自保護功能,在某些機械操作動作下通過軟件互鎖可杜絕相應(yīng)的危險動作的發(fā)生。
(2) 安全保護
上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定了若干級操作密碼,管理員和操作員分別有自己的操作權(quán)限,且操作員在進行操作時有必要的警告提示框和信息提示框出現(xiàn)。
(3) 查詢源程序代碼
當(dāng)上位機畫面顯示某個工位出現(xiàn)故障時,可從畫面直接點擊按鈕進入相應(yīng)的下位機梯形圖程序界面,即可迅速查找出故障的根本原因,節(jié)省了維修時間。
(4) 故障報警和報表打印
當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時,報警框中會出現(xiàn)提示,并伴隨有聲音報警。操作員可根據(jù)需要打印與生產(chǎn)相關(guān)的報表信息。
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)動機裝配線成功投運,能夠保證生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn),尤其在機械動作靈敏度上有較大提高,完全滿足了用戶的要求