汽車發(fā)動機(jī)流水線控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊世棟

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)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(fèi)觀念也已由奢侈品轉(zhuǎn)移為生活用品；相應(yīng)的對汽車產(chǎn)品的質(zhì)量、售后服務(wù)的要求也日益提高。汽車促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了一百多年的時間，在漫長的發(fā)展過程中，汽車及零部件的設(shè)計也從傳統(tǒng)的設(shè)計方式轉(zhuǎn)向現(xiàn)代設(shè)計方法。國外大的汽車流水線對有限元工具的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，統(tǒng)計結(jié)果表明，相比較傳統(tǒng)設(shè)計方法，這種方法可以使新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%～90%下降到8%～l2%。在20世紀(jì)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(chǎn)業(yè)投資力度，并取得了良好的效果。在風(fēng)靡世界的小車yaris的開發(fā)中，采用有限元技術(shù)，開發(fā)出具有“可吸收力的車身”和“高強(qiáng)度車廂”雙重保護(hù)的車身構(gòu)造。在車輛發(fā)生撞擊時，車身和高強(qiáng)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(yè)流水線應(yīng)用較晚，在20世紀(jì)80年代才有初步應(yīng)用，且初期發(fā)展也較為緩慢，直到90年代后期發(fā)展速度才有所提高，目前己進(jìn)入快速發(fā)展階段。

汽車發(fā)動機(jī)流水線需要100多個工位如擰緊飛輪螺栓，發(fā)動機(jī)油封的壓裝，連桿螺栓擰松等。本文根據(jù)汽車裝配線流程的要求，通過現(xiàn)場總線技術(shù)針對擰緊飛輪螺栓這一關(guān)鍵工位進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建以及軟件的設(shè)計。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 擰緊飛輪螺栓控制系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)自上而下可分為3個層次。

圖1 擰緊飛輪螺栓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1.1 監(jiān)控管理層

監(jiān)控層由觸摸屏和PC機(jī)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(wǎng)通訊。

PC機(jī)使用IPC－547D型號的工控機(jī)，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(xù)運(yùn)行。

1.1.2 控制層

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求并借鑒現(xiàn)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(shè)備層

設(shè)備層包括MM440變頻器和擰緊槍。MM440變頻器的作用是將電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而擰緊槍的作用是擰緊螺絲或螺栓。

1.2 控制系統(tǒng)的組態(tài)

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(shè)置地址為IB0－IB3，在5號槽添加32位DI模塊設(shè)置地址為IB4－IB7，在6號槽添加32位DO模塊設(shè)置地址為QB0－QB3。

圖2 硬件組態(tài)

2 PC機(jī)和觸摸屏與PLC通訊及設(shè)計

PC機(jī)和觸摸屏與控制器是通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，所以需要進(jìn)行設(shè)定IP地址。設(shè)定IP地址的目的是讓它們處在同一個子網(wǎng)內(nèi)，站點(diǎn)訪問能夠順利實現(xiàn)。如果不在同一個子網(wǎng)內(nèi)，則建立不了兩者的以太網(wǎng)連接。

Step7內(nèi)在硬件組態(tài)界面下PN接口的IP地址設(shè)定為172.16.1.30。

PC機(jī)的IP地址設(shè)定方法如圖3。

圖3 PC機(jī)的IP地址設(shè)置

這樣，就完成了PC機(jī)和觸摸屏與PLC的通訊。

觸摸屏的作用包括報警顯示，數(shù)據(jù)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(yù)停止器的作用是將剛體停在擰緊飛輪螺栓這個工位的預(yù)停止位，等到工位上的剛體工序完成將打開預(yù)停止器使剛體隨著流水線來到工位上準(zhǔn)備進(jìn)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(jìn)入工位后進(jìn)行采集上一個工位的數(shù)據(jù)與信息。舉升定位裝置作用是使升降臺上升或者下降。

當(dāng)抱閘關(guān)閉時，水平滑臺將保持定位。當(dāng)抱閘打開時，水平滑臺可以進(jìn)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(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個操作。

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

3 變頻器的通訊及控制

設(shè)備層中的變頻器通過Profibus DP總線與控制器進(jìn)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～I(xiàn)263。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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，除了設(shè)定物理地址之外還需要向PLC發(fā)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(fā)送運(yùn)行指令，若信號置0則無法運(yùn)行。再向變頻器發(fā)送控制字后，變頻器會返還PLC狀態(tài)字，如表2。

表2 變頻器的狀態(tài)字

這樣就完成了PLC與變頻器之間狀態(tài)字和控制字的發(fā)送與返還。

4 結(jié)束語

本文通過擰緊飛輪螺栓的工位入手構(gòu)建了由監(jiān)控層、設(shè)備層和控制層所組成的三層網(wǎng)絡(luò)。在STEP7的編程環(huán)境下完成了觸摸屏的通訊及設(shè)計并完成了變頻器數(shù)據(jù)的采集和參數(shù)的設(shè)置，結(jié)果穩(wěn)定、可靠。同時這種控制系統(tǒng)在其它工位的應(yīng)用結(jié)果也很穩(wěn)定。

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