西門子PLC S7-300在北京奔馳汽車發動機裝配線上的應用

        1 總述
        北京奔馳汽車發動機裝配線PLC控制系統,主要針對包括轉臺、舉升臺、舉升轉移臺、翻轉機五種工位的控制。在汽車發動機裝配過程中,由于被裝配零件的多樣性,需要在裝配線的每個工段適當調整發動機的方位以方便裝配零件。裝配線上一共有20余個工位,包括7個普通轉臺、2個維修轉臺、4個無滾輪舉升臺、7個單向滾輪舉升臺以及2個翻轉機。整個被控對象包括22個工位,每個工位上包含必需的轉移電機或舉升電機,此外還有32個生產線傳輸電機。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點數據采集和發送以及分散控制。

         2 系統功能詳述
         本系統包括操作員站、工程師站、自動化系統、網絡和現場I/O站等幾個部分。其中各部分功能如下:

         操作員站:提供全漢化人機界面,實現控制系統的監控操作功能(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的step7源程序。

         工程師站:用于系統的組態和維護。

         自動化系統:使用SIMATIC控制器完成回路調節和邏輯運算。

         現場I/O站:使用現場總線技術,在設備現場直接采集現場儀表的信號,控制現場的執行機構。

         現場總線ProfiBus:用于連接控制單元與操作員站以及管理網絡。

         本系統采用西門子PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模塊相連構成系統的主站。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和工業以太網的接口模塊。在該控制系統中,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網絡上。CPU上自帶的profibus-DP接口構成 profibusⅠ線,CP 342-5接口模塊構成profibusⅡ線。

         系統中ET200S從站上采用的IM151-1接口模塊有兩種: 基本型和標準型,基本型的接口模塊所能掛接的電源管理模塊和I/O模塊個數范圍為2~12個,標準型的接口模塊其范圍為2~63個。所以當從站I/O模塊較多時,宜選用標準型的接口模塊。接口模塊上帶有profibus地址設定撥碼開關。

         系統中ET200ECO從站中選用了8DI和16DI兩種模板,模板結構緊湊,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個旋轉式編碼開關用于profibus地址分配。

         網絡設備按照適應工業現場環境的程度,以及生產線的布局來考慮選用不同防護等級。控制箱中的模塊采用防護等級為20的ET200S I/O模塊,對應每個控制箱的還有一個防護等級為67的ET200eco模塊,置于生產線滾輪下方,由于該模塊需要接觸到現場較為惡劣的生產環境,因此需要有防水防油防塵等功能。

         3 目標控制系統
         3.1 系統設計汽車發動機裝配線是一個對發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考慮采用分散控制和集中管理的分布式控制模式,采用以西門子PLC為核心構成的計算機控制系統,各獨立工位控制系統之間通過網絡實現數據信息、資源共享。該裝配線在整個生產過程中較為關鍵,由于每個工位之間是流水線生產,因此每個環節的控制都必須具備高可靠性和一定的靈敏度,才能保證生產的連續性和穩定性。從站中的每個ET200S站和其對應的ET200ECO站共同構成一個工位, ET200ECO主要是采集現場數據用。ET200S站的模塊置于小型控制箱內, 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通過現場檢測元件和傳感器將系統主要的監控參數(主要是開關量)采集進來,ET200S和ET200eco將現場模擬量信號轉換為高精度的數據量,通過最高速度可達12M的Profibus-DP現場總線網絡將采集數據上傳到中央控制器,控制器根據具體工藝要求進行處理,再通過Profibus-DP網絡將控制輸出下傳給ET200S,實現各工位的控制流程。 PROFIBUS是全球應用最廣泛的過程現場總線系統。PROFIBUS有三種類型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自動化;PROFIBUS-DP用于制造業自動化;PROFIBUS-PA用于過程自動化。使用PROFIBUS過程現場總線技術可以使硬件、工程設計、安裝調試和維修費用節省40%以上。PROFIBUS-DP的技術性能使它可以應用于工業自動化的一切領域,包括冶金、化工、環保、輕工、制藥等領域。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十公里,具有多種網絡拓撲結構(總線型、星型、環型)可供選擇。在一個網段上最多可連接Profibus-DP從站即ET200S或是ET200eco 32個。

         整個控制系統根據工藝劃分由轉臺、舉升臺、舉升轉移臺、翻轉機五種工位組成。各部分可獨立完成各自的控制任務,并通過工業以太網實現和上位監控系統的連接,由上位系統實現各部分的協調控制。

         裝配I線工程PLC控制系統和網絡通訊系統具有下列特點:

         (1)計算機集成自動化過程控制系統,分布式、高可靠性、高穩定性。

         (2)從站作為相對獨立的系統分散控制各個工位的運行。

         3.2 系統控制要點
         (1)該系統網絡中一個主站CPU下兩條profibus網絡所帶的從站有44個之多,在利用STEP7 V5.5編程軟件進行硬件配置時,根據S7-300CPU中CPU31XC的地址分配的參數規范,對于數字量輸入輸出,其地址分配的參數范圍為0.0~127.7。因此在進行硬件配置時,西門子PLC S7-300CPU自帶的profibus-DP接口上的profibus I線上的模塊數字量I/O地址一般規定在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)關于接觸器的硬件互鎖。對于轉臺工位,轉臺有正轉和反轉兩種工作狀態,因此轉臺的回轉電機需要有一個負荷開關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和對應的一個接觸器即可進行控制),接觸器分正轉接觸器和反轉接觸器,輸入端為380AV。正轉接觸器的三相電壓A、B、C分別和反轉接觸器的C、B、A短接。當程序在執行過程中,若存在某些漏洞使得正轉接觸器和反轉接觸器的輸出點同時置1時,則會出現正轉接觸器和反轉接觸器各自的A相和C相短接,造成接觸器短路損壞,主電源開關跳閘。為了避免這種事故的發生,首先保證程序中不能出現兩個接觸器同時置1的情況,其次即是采用接觸器上硬件互鎖,點Q1、點Q2是輸出控制點,Q1兩端本應接在正向接觸器的兩個輸入端子,同理, Q1兩端本應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,當輸出點Q1閉合時,正向接觸器上常閉點隨之斷開,則Q2輸出點兩端之間不可能形成回路,也就不會出現短路跳閘的事故。

         該項目中涉及到的變量數目較多,根據現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。先安裝西門子STEP 7軟件,之后自定義安裝西門子Wincc軟件,將Wincc通訊組件安裝完整。然后在西門子STEP 7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,出現變量選擇對話框,即可在西門子STEP 7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,但是手自動狀態的切換是在從站的控制箱面板上實現的。在自動狀態下,工位的操作全由下位控制,可實現全自動控制機械的操作流程。在手動狀態下,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的危險動作的發生。

         (2)安全保護上位監控系統設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。

         (3)查詢源程序代碼當上位機畫面顯示某個工位出現故障時,可從畫面直接點擊按鈕進入相應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,節省了維修時間。

         (4)故障報警和報表打印當設備出現故障時,報警框中會出現提示,并伴隨有聲音報警。操作員可根據需要打印與生產相關的報表信息。

         4 總結
         西門子S7-300CPU通過兩條profibus-DP網絡連接若干ET200S和ET200ECO從站構成的集中分散式控制系統已經在該發動機裝配線成功投運,能夠保證生產線連續穩定地生產,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。

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