PLC在汽車制造生產線的應用管窺

張嘉強

摘 要：發動機是汽車制造過程中的重要組成部分，對于汽車的性能有重要的影響。汽車發動機裝配線主要是用來完成發動機裝配工作的。本文將根據系統控制的要求，基于PLC工作原理，設計發動機裝配線自動控制系統，該系統能自動完成旋轉、舉升等一系列的操作，對于提高汽車發動機裝配線的工作效率具有重要的影響。

關鍵詞：PLC；汽車制造；生產線

在本系統中主體控制器使用的是PLC-300系列控制器，現場操作箱控制信號的采集是由ET200S遠程I/O系統完成，ET200S遠程I/O系統是專門為現場操作箱設計的。此外，在汽車發動機裝配線上還安裝了轉臺、翻轉機、舉升臺等設備，并通過WinCC人機界面軟件和工控機組成的系統對發動機裝配線操作過程進行實時監控。

一、PLC概述

PLC是英文Programmable logic Controller的縮寫，中文名稱為可編程邏輯控制器。在可編程邏輯控制器中有可以進行編輯的存儲器，其中存儲著程序，可以執行邏輯運算、順序控制等一系列的指令，并通過數字或模擬式I/O控制機械或生產過程。

PLC是一種專門用于工業生產控制的計算機，其基本結構和普通的微型計算機類似。其中主要包括電源、中央處理器、存儲器、功能模塊以及通信模塊等部分。PLC的工作過程主要可以分成三個階段。第一階段是輸入采樣階段。在這一階段，PLC會將掃描到的所有輸入狀態和數據存儲在輸入/輸出映象區的相應單元內，在完成數據采集工作以后，會開始執行用戶程序指令。在這一過程中無論掃描到的輸入狀態和數據是否出現變化，輸入/輸出映象區中存儲的輸入狀態和數據都不會發生變化；第二階段是用戶程序執行階段。在這一階段，PLC會按照從上往下的順序掃描用戶程序（梯形圖），然后再進行邏輯運算，并依據邏輯運算的結果刷新邏輯線圈在存儲區中的狀態；第三階段是輸出刷新階段。在PLC完成掃描工作以后，就會進入輸出刷新階段，這也是PLC真正的輸出過程。

二、汽車發動機缸體裝配線的工作流程

汽車發動機缸體裝配線的具體工作流程如下。第一，在發動機生產線上線工位的操作工要利用電動起重機將加工好的發動機缸體吊到發動機生產線的托盤上；第二，發動機生產線上的滾道會自動將發動機缸體按照順時針的方向運送到下一工位上，并停止在該工位上，操作工會根據發動機的型號安裝零件，安裝完成以后生產線上的托盤會自動將發動機缸體運送到下一工位上，繼續在發動機的缸體上安裝零件，完成安裝以后重復上一步驟。依次類推，直到發動機缸體零件安裝全部完成；第三，當發動機被運送到下線工位時，下線工位的操作工會使用電動起重機將發動機調離發動機生產線。

本文設計的發動機缸體生產線應具備下述四個基本功能。第一個是基本的運輸功能，包括直線輸送功能、轉角輸送功能（轉角角度包括90度、180度以及270度三種類型）、升降輸送功能以及翻轉功能。此外，輸送線中還應為自動加工設備的使用留有一些預留工位；第二個是要具有兩種類型的工位，分別為自動加工工位和輔助工位；第三是如果自動工位加工出的發動機缸體不合格，則可以直接利用生產線上的托盤將發動機缸體運輸到輔助工位上，重新進行加工，并采用手動加工的方式，只有輔助工位加工合格后才可以進入下一自動工位。如果輔助工位加工仍不合格則要下線維修，維修合格后才可以重新進入到加工主干線。

三、系統配置與功能實現

一臺汽車發動機完成裝配至少要經過上百道工序，安裝的零件也有上百個。因此，在每個工序上至少安排一個操作工人，同時還應為其設置獨立的站點，以便于操作工進行控制。每個站點控制信號比較少，一個控制箱大概要有10到20個輸出、輸入信號。

第一，采用分布式總線控制系統的方案，這一方案最早是由西門子公司提出來的。鑒于汽車發動機生產線的這種情況，如果將現場的信號統一接入主控柜內的控制系統中，并采用集中分布控制的方式會大大增加生產的成本，無法實現改造的要求。因此，必須采用分布式總線控制系統的方案，就近布置ET200S遠程I/O系統，將現場采集到的信號直接傳輸到中央處理器中，不用再重新鋪設電纜，大大節約了發動機生產的成本。

第二，現場傳感器要接入到高IP等級的I/O系統中。在生產線上需要安裝光電開關信號，但因為到控制箱的距離比較長，因此需要采用高IP等級的I/O系統ET200eco。ET200eco具有比較高的防護等級，在安裝過程中不需要使用電柜，可以直接安裝在生產線上。ET200eco可以直接接收現場的光電信號，并將其傳輸到中央處理器中，不需要再鋪設電纜；

第三，發動機生產線上所有控制點的動作基本上可以分成四種，分別為停止、旋轉、舉升以及翻轉。而控制程序必須要自動完成上述四個動作，但需要注意是操作工可以對此過程進行干預，控制動作的執行；

第四，為了保證發動機生產線操作的安全性，使用的電機必須使用直流24V接觸器。發電機裝配線上有很多的設備，如果出現短路現象則會嚴重影響裝配線的正常運行，同時還會影響到其它設備的使用。因此，必須要使用直流24V供電；

第五，在裝配線上還應安裝工控機，隨時顯示當前設備的工作情況。本系統中使用的是利用WinCC軟件設計的一個監控系統。該監控系統可以顯示裝配線中裝配的數量、設備的動作情況以及各種相關數據。工段長可以通過監控系統直接看到每個工位工作的情況，如果發現某個設備出現故障則可以直接跳轉到PLC程序中，從而找到故障發生的原因，這樣也便于現場維護人員查找故障、維護設備。

四、采用先進的汽車發動機非同步裝配線

本文中設計的汽車發動機裝配線采用的是非同步裝配線。在發動機裝配線上輸送裝置是處于連續工作的狀態，但在裝配線上還有隨性夾具，這些隨性夾具是不能連續輸送的，因此只有在沒有夾具和工件時才能繼續進行輸送。非同步輸送線中不同的工位之間是有不同程度的儲備的，這樣可以起到一定緩沖作用。為了滿足快節奏生產的要求，可以在非同步輸送線上將兩個及兩個以上的工位并聯，形成一個獨立工位。此外，因為在裝配線上設置了緩沖區，托盤運送時間和操作時間之間沒有間隔，不會影響工時，即使出現一些小的故障也會影響全線的正常生產過程。

五、總結

總之，本文設計的非同步汽車發動機生產線均是由標準組件構成的，不僅適用于汽車發動機裝配生產過程，同時也適用于其他品種的輸送。

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