汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)流水線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊世棟

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306）

隨著我國(guó)國(guó)民收入的不斷增加，汽車(chē)需求急劇上升，汽車(chē)普及率大幅度提高，民眾對(duì)汽車(chē)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(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的質(zhì)量、售后服務(wù)的要求也日益提高。汽車(chē)促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展，貨品的流動(dòng)更為暢通、迅速，也提供人類(lèi)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(chē)流水線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了一百多年的時(shí)間，在漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)及零部件的設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)向現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。國(guó)外大的汽車(chē)流水線對(duì)有限元工具的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，相比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這種方法可以使新車(chē)開(kāi)發(fā)期的費(fèi)用占開(kāi)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(duì)于汽車(chē)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(chē)yaris的開(kāi)發(fā)中，采用有限元技術(shù)，開(kāi)發(fā)出具有“可吸收力的車(chē)身”和“高強(qiáng)度車(chē)廂”雙重保護(hù)的車(chē)身構(gòu)造。在車(chē)輛發(fā)生撞擊時(shí)，車(chē)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(chē)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(guó)汽車(chē)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)流水線需要100多個(gè)工位如擰緊飛輪螺栓，發(fā)動(dòng)機(jī)油封的壓裝，連桿螺栓擰松等。本文根據(jù)汽車(chē)裝配線流程的要求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)針對(duì)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(jì)。

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(jì)

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(gè)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(mén)子MP377系列，顯示器尺寸為15寸，與控制層通過(guò)以太網(wǎng)通訊。

PC機(jī)使用IPC－547D型號(hào)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(chǎng)采用的控制方案，在控制層中選擇西門(mén)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(hào)槽添加CPU315－2DP后自動(dòng)引出DP總線，PROFIBUS－DP 總線的通信速率為1.5 Mbit／s，在4號(hào)槽添加32位DI模塊設(shè)置地址為IB0－IB3，在5號(hào)槽添加32位DI模塊設(shè)置地址為IB4－IB7，在6號(hào)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(jì)

PC機(jī)和觸摸屏與控制器是通過(guò)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(gè)子網(wǎng)內(nèi)，站點(diǎn)訪問(wèn)能夠順利實(shí)現(xiàn)。如果不在同一個(gè)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(bào)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(yè)面。

圖4 擰緊飛輪螺栓時(shí)觸摸屏頁(yè)面

預(yù)停止器的作用是將剛體停在擰緊飛輪螺栓這個(gè)工位的預(yù)停止位，等到工位上的剛體工序完成將打開(kāi)預(yù)停止器使剛體隨著流水線來(lái)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(gè)剛體完成工序后將打開(kāi)工位停止器使剛體離開(kāi)這個(gè)工位。RFID的作用是剛體進(jìn)入工位后進(jìn)行采集上一個(gè)工位的數(shù)據(jù)與信息。舉升定位裝置作用是使升降臺(tái)上升或者下降。

當(dāng)抱閘關(guān)閉時(shí)，水平滑臺(tái)將保持定位。當(dāng)抱閘打開(kāi)時(shí)，水平滑臺(tái)可以進(jìn)行伸出或者返回的動(dòng)作。螺旋軸表示的是擰緊飛輪螺栓的擰緊槍?zhuān)梢赃M(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)操作。

畫(huà)面中可以顯示當(dāng)前工位各個(gè)執(zhí)行器的狀態(tài)并且可以通過(guò)手動(dòng)模式執(zhí)行機(jī)床所需要的任何動(dòng)作。每一行的中間顯示設(shè)備或動(dòng)作的名稱(chēng)，左右兩邊顯示設(shè)備的狀態(tài)（上方表示動(dòng)作正在進(jìn)行，下方表示動(dòng)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(gè)設(shè)備的動(dòng)作條件是否允許（左側(cè)的三角為實(shí)心表示左側(cè)顯示的動(dòng)作可以執(zhí)行，右側(cè)的三角為實(shí)心表示右側(cè)顯示的動(dòng)作可以執(zhí)行，三角形為空心時(shí)表示對(duì)應(yīng)的動(dòng)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(guò)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(dòng)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(duì)于變頻器的控制字，若信號(hào)置1則發(fā)送運(yùn)行指令，若信號(hào)置0則無(wú)法運(yùn)行。再向變頻器發(fā)送控制字后，變頻器會(huì)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(yǔ)

本文通過(guò)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(jì)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(shí)這種控制系統(tǒng)在其它工位的應(yīng)用結(jié)果也很穩(wěn)定。

［1］李 雯，張 力.復(fù)合材料飛輪的應(yīng)力分析［J］.汽車(chē)技術(shù)，維普資訊網(wǎng)，2004，（5）：29－32.

［2］房立鎮(zhèn).Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在PLC中的應(yīng)用研究［D］.濟(jì)南：山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.

［3］肖功寬.正時(shí)齒輪記號(hào)不清或無(wú)記號(hào)時(shí)的簡(jiǎn)易裝配方法［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，維普資訊網(wǎng)，1997，（5）：61－62.

［4］Lei Yu，Haihong.The design of car transport line control system based on fieldbus technology［Z］.Wu World Automation Congress（WAC）.2012 ：1－4.

［5］柴瑞娟.西門(mén)子PLC高級(jí)培訓(xùn)教程［M］.北京：人民郵電出版社，2009.