西门子S7-300在汽车发动机装配线中的应用

1  引言
发动机装配线PLC控制系统，主要针对包括转台、举升台、举升转移台、翻转机五种工位的控制。在汽车发动机装配过程中，由于被装配零件的多样性，需要在装配线的每个工段适当调整发动机的方位以方便装配零件。装配线上共计20余个工位，包括7个普通转台、2个维修转台、4个无滚轮举升台、7个单向滚轮举升台以及2个翻转机。
整个被控对象包括22个工位,每个工位上包含必需的转移电机或举升电机,此外还有32个生产线传输电机。每个工位均由一个ET200S和一个ET200eco从站组成,用于该工位的I/O点数据采集和发送以及分散控制。
2  系统结构及功能
系统包括操作员站、工程师站、自动化系统、网络和现场I/O站等几个部分。
系统各部分功能:
操作员站:提供全汉化人机界面，实现控制系统的监控操作功能(操作、显示、报表、报警、趋势)，并且可以在人机界面上直接查看对应的step7源程序。
工程师站:用于系统的组态和维护。
自动化系统:使用SIMATIC控制器完成回路调节和逻辑运算。
现场I/O站:使用现场总线技术，在设备现场直接采集现场仪表的信号,控制现场的执行机构。
现场总线ProfiBus:用于连接控制单元与操作员站以及管理网络。
本系统采用PLC300CPU和CP342-5、CP343-1的接口模块相连构成系统的主站。CP342-5是用于连接S7-300和profibus-DP的主/从站接口模块，CP 343-1是用于连接S7-300和工业以太网的接口模块。在该控制系统中，除了上述主站外，从站是由22个ET200S和22个ET200eco组成，分别分布在两条profibus网络上。CPU上自带的profibus-DP接口构成profibusⅠ线，CP 342-5接口模块构成profibusⅡ线。
系统配置功能图如图1所示:

系统中ET200S从站上采用的IM151-1接口模块有两种: 基本型和标准型，基本型的接口模块所能挂接的电源管理模块和I/O模块个数范围为2~12个，标准型的接口模块其范围为2~63个。所以当从站I/O模块较多时，宜选用标准型的接口模块。接口模块上带有profibus地址设定拨码开关。
系统中ET200eco从站中选用了8DI和16DI两种模板，模板结构紧凑，模板的供电采用7/8’电源线，模板的通讯采用M12通讯接头。接线灵活而快速，方便拔插。其接口模块上带有2个旋转式编码开关用于profibus地址分配。
网络设备按照适应工业现场环境的程度，以及生产线的布局来考虑选用不同防护等级。控制箱中的模块采用防护等级为20的ET200S I/O模块，对应每个控制箱的还有一个防护等级为67的ET200eco模块，置于生产线滚轮下方，由于该模块需要接触到现场较为恶劣的生产环境，因此需要有防水防油防尘等功能。
3  目标控制系统
3.1  系统设计
汽车发动机装配线是一个对发动机顺序装配的流水线工艺过程。由于工艺的繁琐性，工程的计算机控制系统考虑采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，采用以PLC为核心构成的计算机控制系统，各独立工位控制系统之间通过网络实现数据信息、资源共享。该装配线在整个生产过程中较为关键，由于每个工位之间是流水线生产，因此每个环节的控制都必须具备高可靠性和一定的灵敏度，才能保证生产的连续性和稳定性。从站中的每个ET200S站和其对应的ET200eco站共同构成一个工位, ET200eco主要是采集现场数据之用。ET200S站的模块置于小型控制箱内, 对于工位的基本操作有两种方式，就地控制箱手动方式和就地自动方式。由于每个控制工位的操作进度不一致，操作工可以按照装配要求进行手自动切换。特殊情况下亦可通过手动操作进行工件位置的修正。
安装在各工位的分布式I/O模块ET200S和ET200eco通过现场检测元件和传感器将系统主要的监控参数(主要是开关量)采集进来，ET200S和ET200eco将现场模拟量信号转换为高精度的数据量，通过最高速度可达12M的Profibus-DP现场总线网络将采集数据上传到中央控制器，控制器根据具体工艺要求进行处理，再通过Profibus-DP网络将控制输出下传给ET200S，实现各工位的控制流程。PROFIBUS是全球应用最广泛的过程现场总线系统。PROFIBUS有三种类型:FMS、DP和PA。PROFIBUS-FMS可用于通用自动化ROFIBUS-DP用于制造业自动化ROFIBUS-PA用于过程自动化。使用PROFIBUS过程现场总线技术可以使硬件、工程设计、安装调试和维修费用节省40%以上。PROFIBUS-DP的技术性能使它可以应用于工业自动化的一切领域，包括冶金、化工、环保、轻工、制药等领域。除了安装简单外，它有极高的传输速率，可达12Mbits/s，通讯距离可达到1000米，如果加入中继器可以将通讯距离延长到数十公里，具有多种网络拓扑结构(总线型、星型、环型)可供选择。在一个网段上最多可连接Profibus-DP从站即ET200S或是ET200eco 32个。
整个控制系统根据工艺划分由转台、举升台、举升转移台、翻转机五种工位组成。各部分可独立完成各自的控制任务，并通过工业以太网实现和上位监控系统的连接，由上位系统实现各部分的协调控制。
装配I线工程PLC控制系统和网络通讯系统具有下列特点:
(1) 计算机集成自动化过程控制系统，分布式、高可靠性、高稳定性。
(2) 从站作为相对独立的系统分散控制各个工位的运行。
3.2  系统控制要点
(1) 该系统网络中一个主站CPU下两条profibus网络所带的从站有44个之多，在利用Simatic Manager编程软件进行硬件配置时，根据S7-300CPU中CPU31XC的地址分配的参数规范，对于数字量输入输出，其地址分配的参数范围为0.0~127.7。因此在进行硬件配置时, S7~300CPU自带的profibus-DP接口上的profibus I线上的模块数字量I/O地址一般规定在0.0~127.7的范围中,如有超出则采用间接寻址的方式来处理。profibus Ⅱ线上的模块的数字量I/O地址无论处在哪个范围中,都必须采用间接寻址方式。
(2) 关于接触器的硬件互锁。对于转台工位，转台有正转和反转两种工作状态，因此转台的回转电机需要有一个负荷开关和两个接触器一并来控制(而举升电机一般只需要一个负荷开关和对应的一个接触器即可进行控制)，接触器分正转接触器和反转接触器，输入端为380AV。正转接触器的三相电压A、B、C分别和反转接触器的C、B、A短接。如图2所示，当程序在执行过程中，若存在某些漏洞使得正转接触器和反转接触器的输出点同时置1时，则会出现正转接触器和反转接触器各自的A相和C相短接，造成接触器短路损坏，主电源开关跳闸。为了避免这种事故的发生，首先保证程序中不能出现两个接触器同时置1的情况，其次即是采用接触器上硬件互锁，如图2所示，点Q1、点Q2是输出控制点，Q1两端本应接在正向接触器的两个输入端子，同理， Q1两端本应接在正向接触器的两个输入端子，但是改接成如图所示。接触器上有自带的一个常开点和一个常闭点，互锁中只需用到常闭点，当输出点Q1闭合时，正向接触器上常闭点随之断开，则Q2输出点两端之间不可能形成回路，也就不会出现短路跳闸的事故。

(3) 该项目中涉及到的变量数目较多，根据现场情况随时可能有更改，为了便于管理，采取S7程序界面和Wincc人机界面共用一套变量。这样可以将建立变量的工作量减少一半，也将出错概率减少一半。先安装step7软件，之后自定义安装Wincc软件，将Wincc通讯组件安装完整。然后在step7软件中插入OS站，可点击右键打开并编辑Wincc项目。在Wincc项目中需要引用变量的位置进行变量选择，出现变量选择对话框，即可在step7项目变量表中选择需要的变量，从而保证人机界面和下位机所用变量的一致性。
3.3  系统控制功能
(1) 手自动回路的切换
在Wincc人机界面上可以很方便地知道每个工位的手自动状态，但是手自动状态的切换是在从站的控制箱面板上实现的。在自动状态下，工位的操作全由下位控制，可实现全自动控制机械的操作流程。在手动状态下，操作具有自保护功能，在某些机械操作动作下通过软件互锁可杜绝相应的危险动作的发生。
(2) 安全保护
上位监控系统设定了若干级操作密码，管理员和操作员分别有自己的操作权限，且操作员在进行操作时有必要的警告提示框和信息提示框出现。
(3) 查询源程序代码
当上位机画面显示某个工位出现故障时，可从画面直接点击按钮进入相应的下位机梯形图程序界面，即可迅速查找出故障的根本原因，节省了维修时间。
(4) 故障报警和报表打印
当设备出现故障时，报警框中会出现提示，并伴随有声音报警。操作员可根据需要打印与生产相关的报表信息。
4  结束语
西门子S7300 CPU通过两条profibus-DP网络连接若干ET200S和ET200eco从站构成的集中分散式控制系统已经在该发动机装配线成功投运，能够保证生产线连续稳定地生产，尤其在机械动作灵敏度上有较大提高，完全满足了用户的要求