汽車發動機流水線控制系統的設計

楊世棟

（上海海事大學 物流工程學院，上海201306）

隨著我國國民收入的不斷增加，汽車需求急劇上升，汽車普及率大幅度提高，民眾對汽車的消費觀念也已由奢侈品轉移為生活用品；相應的對汽車產品的質量、售后服務的要求也日益提高。汽車促進了工業的發展，貨品的流動更為暢通、迅速，也提供人類便捷、舒適的旅游享受，使人與人間的接觸更為頻繁，融洽。

汽車流水線產業的發展經歷了一百多年的時間，在漫長的發展過程中，汽車及零部件的設計也從傳統的設計方式轉向現代設計方法。國外大的汽車流水線對有限元工具的應用已經非常成熟，統計結果表明，相比較傳統設計方法，這種方法可以使新車開發期的費用占開發成本的比例從80%～90%下降到8%～l2%。在20世紀90年代初，豐田公司重組了他們的流水線流程，加大了對于汽車產業投資力度，并取得了良好的效果。在風靡世界的小車yaris的開發中，采用有限元技術，開發出具有“可吸收力的車身”和“高強度車廂”雙重保護的車身構造。在車輛發生撞擊時，車身和高強度駕駛室能夠有效吸收碰撞能量，并將其分散至車身各部位骨架，從而將駕駛室變形降低到最小程度，確保座艙中駕乘者的安全。而中國汽車行業流水線應用較晚，在20世紀80年代才有初步應用，且初期發展也較為緩慢，直到90年代后期發展速度才有所提高，目前己進入快速發展階段。

汽車發動機流水線需要100多個工位如擰緊飛輪螺栓，發動機油封的壓裝，連桿螺栓擰松等。本文根據汽車裝配線流程的要求，通過現場總線技術針對擰緊飛輪螺栓這一關鍵工位進行系統的構建以及軟件的設計。

1 系統的構建

1.1 擰緊飛輪螺栓控制系統的設計

系統網絡結構如圖1所示，系統自上而下可分為3個層次。

圖1 擰緊飛輪螺栓網絡結構

1.1.1 監控管理層

監控層由觸摸屏和PC機組成。觸摸屏使用西門子MP377系列，顯示器尺寸為15寸，與控制層通過以太網通訊。

PC機使用IPC－547D型號的工控機，顯示器尺寸為19寸，其性能處理的可靠度極高，并且能夠24h連續運行。

1.1.2 控制層

根據控制系統的要求并借鑒現場采用的控制方案，在控制層中選擇西門子S7－300PLC作為主站。主站選型為CPU315－2DP、SM323的輸入模塊和輸出模塊。

1.1.3 設備層

設備層包括MM440變頻器和擰緊槍。MM440變頻器的作用是將電機運轉，而擰緊槍的作用是擰緊螺絲或螺栓。

1.2 控制系統的組態

如圖2，在2號槽添加CPU315－2DP后自動引出DP總線，PROFIBUS－DP 總線的通信速率為1.5 Mbit／s，在4號槽添加32位DI模塊設置地址為IB0－IB3，在5號槽添加32位DI模塊設置地址為IB4－IB7，在6號槽添加32位DO模塊設置地址為QB0－QB3。

圖2 硬件組態

2 PC機和觸摸屏與PLC通訊及設計

PC機和觸摸屏與控制器是通過以太網進行通訊，所以需要進行設定IP地址。設定IP地址的目的是讓它們處在同一個子網內，站點訪問能夠順利實現。如果不在同一個子網內，則建立不了兩者的以太網連接。

Step7內在硬件組態界面下PN接口的IP地址設定為172.16.1.30。

PC機的IP地址設定方法如圖3。

圖3 PC機的IP地址設置

這樣，就完成了PC機和觸摸屏與PLC的通訊。

觸摸屏的作用包括報警顯示，數據記錄，以及功能的顯示等，其中，功能的顯示是最重要的。如圖4是擰緊飛輪螺栓功能顯示的頁面。

圖4 擰緊飛輪螺栓時觸摸屏頁面

預停止器的作用是將剛體停在擰緊飛輪螺栓這個工位的預停止位，等到工位上的剛體工序完成將打開預停止器使剛體隨著流水線來到工位上準備進行工序。而工位停止器的作用是在一個剛體完成工序后將打開工位停止器使剛體離開這個工位。RFID的作用是剛體進入工位后進行采集上一個工位的數據與信息。舉升定位裝置作用是使升降臺上升或者下降。

當抱閘關閉時，水平滑臺將保持定位。當抱閘打開時，水平滑臺可以進行伸出或者返回的動作。螺旋軸表示的是擰緊飛輪螺栓的擰緊槍，可以進行正轉和反轉兩個操作。

畫面中可以顯示當前工位各個執行器的狀態并且可以通過手動模式執行機床所需要的任何動作。每一行的中間顯示設備或動作的名稱，左右兩邊顯示設備的狀態（上方表示動作正在進行，下方表示動作進行結束后狀態），左右兩邊的三角形可以指示這個設備的動作條件是否允許（左側的三角為實心表示左側顯示的動作可以執行，右側的三角為實心表示右側顯示的動作可以執行，三角形為空心時表示對應的動作不具備執行的條件）。

3 變頻器的通訊及控制

設備層中的變頻器通過Profibus DP總線與控制器進行通訊。變頻器物理地址配置圖如圖5。變頻器的輸入地址從I256～I263。而輸出地址為Q256～Q263。

圖5 變頻器地址配置

若要變頻器帶動電機運轉，除了設定物理地址之外還需要向PLC發送變頻器的控制字，如表1。

表1 變頻器的控制字

對于變頻器的控制字，若信號置1則發送運行指令，若信號置0則無法運行。再向變頻器發送控制字后，變頻器會返還PLC狀態字，如表2。

表2 變頻器的狀態字

這樣就完成了PLC與變頻器之間狀態字和控制字的發送與返還。

4 結束語

本文通過擰緊飛輪螺栓的工位入手構建了由監控層、設備層和控制層所組成的三層網絡。在STEP7的編程環境下完成了觸摸屏的通訊及設計并完成了變頻器數據的采集和參數的設置，結果穩定、可靠。同時這種控制系統在其它工位的應用結果也很穩定。

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