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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为构成的计算机控制系统，各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具备高性和一定的灵敏度，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的数据量，通过速度可达12M的Profibus-DP现场总线网络将采集数据上传到控制器，控制器根据具体工艺要求进行处理，再通过Profibus-DP网络将控制下传给ET200S，实现各工位的控制流程。 PROFIBUS是应用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;PROFIBUS-DP用于制造业自动化;PROFIBUS-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、制等领域。除了安装简单外，它有高的传输速率，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、高性、高稳定性。

（2） 从站作为相对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无论处在哪个范围中,都采用间接寻址方式。

（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，保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） 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，满足了用户的要求。

用PC设计一个控制系统时，一个重要的参数就是时间，PC执行程序中的所有指令要用多少时间，(扫描时间)有一个输入信号经过PC多长时间后才能有一个输出信号(响应时间)掌握这些参数，对设计和调试控制系统无疑非常重要。
当PC开始运行之后，它串行地执行存储器中的程序。我们可以把扫描时间分为4个部分。共同部分，例如时间监视器和检查程序存储器；数据输入，输出；执行指令；执行外围设备指令。
时间监视器是PC内部用来测量扫描时间的一个定时器，所谓扫描时间，是执行上面4个部分总共花费的时间。扫描时间的多少取决于系统的购置，I/O的点数，程序中使用的指令及外围设备的连接，当一个系统的硬件设计定型后，扫描时间主要取决软件指令的长短从PC收到一个输入信号向输出端输出一个控制信号所需的时间，叫响应时间，响应时间是可变的，例如在一个扫描周期结束后，收到一个输入信号，下一个扫描周期结束后时，收到一个输入信号，下一个扫描周期一开始，这个输入信号就起作用，这时，这个输入信号的响应时间短，它是输入延迟时间，扫描周期时间，输出延迟时间三者的和，如果在扫描周期开始收到了一个输入信号，在扫描周期内该输入信号不会起作用，只能等到下一个扫描周期才能起作用，这时，这个输入信号的响应时间长，它是输入延迟时问，输出延迟时间三者的和，因此，一个信号的小响应时间和大响应时间的计算公式为：
小的响应时间=输入延迟时间+扫描时间+输出延迟时间，大的响应时间=延迟时间+2×扫描时间+输出延迟时间。
从上面的响应时间估算公式可以看出，输入信号的响应时间由扫描周期决定，扫描周期一方面取决于系统的硬件配置，另一方面由控制软件中使用的指令和指令的条数决定，在砌块成型机自动控制系统调试过程中发生这样的情况，自动推板过程(www.把砌块从成型台上送到输送机上的过程)的启动，要靠成型工艺过程的完成信号来启动，输送砖坯的过程完成同时完成了送板的过程，通知控制系统可以完成下一个成型过程。
单从程序的执行顺序上考察，控制时序的安排是正确的，可是，在调试的过程中发现，系统实际的控制时序是，当个成型过程完成后，并不进行自动推板过程，而是直接开始下一个成型过程，遇到这种情况，设计者和用户的反应一般都是怀疑程序设计错误。经反复检查程序，未发现错误，这时才考虑到可能是指令的响应时间产生了问题。砌块成型机的控制系统是一个庞大的系统，其软件控制指令达五六百条。成型过程启动信号，由一个成型过程的结束信号和有板信号产生，这时，就将产生这样的情况，在某个扫描周期内扫描到HR002信号，在执行置位推板过程，直接进行下一个成型过程，这可能是由于输入信号的响应时间过长引起的，在这种情况下，由于硬件配置不能改变，指令条数也不可改变，处理过程中，设法在软件上做调整，使成型过程结束信号早点发生，问题得到了解决

 PLC有很强的自诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二管的亮灭来诊断。
     可编程控制器的维护和故障诊断是每个从事plc应用的工控人都要面对的问题，欢迎大家对这一问题发表自己的见解。
下面以一种plc做为描述样板，其余各型PLC大同小异，介绍plc的维护、诊断、换的方法。
一般各型PLC(以一种plc做为描述样板，其余各型PLC大同小异）均设计成长期不间断的工作制。但是，偶然有的地方也需要对动作进行修改，找到这个场所并修改它们是很重要的。修改发生在PLC以外的 动作需要许多时间。
查找故障的设备
PLC的指示灯及机内设备，有益于对PLC整个控制系统查找故障。编程器是主要的诊断工具，他能方便地插到PLC上面。在编程器上可以观察整个控制系统的状态，当您去查找PLC为的控制系统的故障时，作为一个习惯，您应带一个编程器或笔记本。
基本的查找故障顺序 提出下列问题，并根据发现的合理动作逐个否定。一步一步地换各种模块,直到故障全部排除。所有主要的修正动作能通过换模块来完成。 除了一把螺丝和一个万用电表外，并不需要特殊的工具，不需要示波器，精密电压表或特殊的测试程序。
1、PWR（电源）灯亮否？如果不亮，在采用交流电源的框架的电压输入端（98-162VAC或195-252VAC）检查电源电压；对于需要直流电压的框架， 测量+24VDC和0VDC端之间的直流电压，如果不是合适的AC或DC电源，则问题发生在PLC之外。如AC或DC电源电压正常，但PWR灯不亮，检查保险丝， 如必要的话，就换CPU框架。
2、PWR（电源）灯亮否？如果亮，检查显示出错的代码，对照出错代码表的代码定义，做相应的修正。
3、RUN（运行）灯亮否？如果不亮，检查编程器是不是处于PRG或LOAD位置，或者是不是程序出错。如RUN灯不亮，而编程器并没插上，或者编程器处于RUN方式 且没有显示出错的代码，则需要换CPU模块。
4、BATT（电池）灯亮否？如果亮，则需要换锂电池。由于BATT灯只是报警信号，即使电池电压过低，程序也可能尚没改变。换电池以后， 检查程序或让PLC试运行。如果程序已有错，在完成系统编程初始化后，将录在磁带上的程序重新装入PLC。
5、在多框架系统中,如果CPU是工作的,可用RUN`继电器来检查其它几个电源的工作。如果RUN继电器未闭合(高阻态),按上面讲的步检查AC或DC电源如AC 或DC电源正常而继电器是断开的,则需要换框架。
一般查找故障步骤
其他步骤于用户的逻辑知识有关。下面的一些步骤，实际上只是较普通的，对于您遇到的特定的应用问题，尚修改或调整。查找故障的工具就是 您的感觉和经验。，插上编程器，并将开关打到RUN位置，然后按下列步骤进行。
1、如果PLC停止在某些输出被激励的地方，一般是处于中间状态，则查找引起下一步操作发生的信号（输入，定时器，线川，鼓轮控制器等）。 编程器会显示那个信号的ON/OFF状态。
2、如果输入信号，将编程器显示的状态与输入模块的LED指示作比较，结果不一致，则换输入模块。入发现在扩展框架上有多个模块要换， 那么，在您换模块之前，应先检查I/O扩展电缆和它的连接情况。
3、如果输入状态与输入模块的LED指示指示一致，就要比较一下发光二管与输入装置（按钮、限位开关等）的状态。入二者不同，测量一下输入 模块，如发现有问题，需要换I/O装置，现场接线或电源；否则，要换输入模块。
5、如信号是线川，没有输出或输出与线川的状态不同，就得用编程器检查输出的驱动逻辑，并检查程序清单。检查应按从有到左进行， 找出个不接通的触点，如没有通的那个是输入，就按二和三步检查该输入点，如是线川，就按四步和五步检查。要确认使主控继电器步影响逻辑操作。
6、如果信号是定时器，而且停在小于999.9的非零值上，则要换CPU模块。
7、如果该信号控制一个计数器，检查控制复位的逻辑，然后是计数器信号。按上述2到5部进行。
下面是换系统的步骤
一、换框架
1、切断AC电源 ；如装有编程器，拔掉编程器 。
2、从框架右端的接线端板上，拔下塑料盖板，拆去电源接线。
3、拔掉所有的I/O模块。如果原先在安装时有多个工作回路的话，不要搞乱IU/O的接线，并记下每个模块在框架中的位置，以便重新插上时不至于搞错。
4、如果CPU框架，拔除CPU组件和模块。将它放在的地方，以便以后重新安装.
5、卸去底部的二个固定框架的螺丝，松开上部二个螺丝，但不用拆掉。
6、将框架向上推移一下，然后把框架向下拉出来放在旁边。
7、将新的框架 从部螺丝上套进去，
8、装上底部螺丝，将四个螺丝都拧紧。
9、插入I/O模块，注意位置要与拆下时一致。
如果模块插错位置，将会引起控制系统危险的或错误的操作，但不会损坏模块。
10、插入卸下的CPU和模块。
11、在框架右边的接线端上重新接好电源接线，再盖上电源接线端的塑料盖。
12、检查一下电源接线是否正确，然后再通上电源。仔细地检查整个控制系统的工作，确保所有的I/O模块位置正确，程序没有变化。
二、CPU模块的换
1、切断电源，如插有编程器的话，把编程器拔掉。
2、向中间挤压CPU模块面板的上下紧固扣，使它们脱出卡口。
3、把模快从槽中垂直拔出。
4、将印刷线路板对准底部导槽。将新的CPU模块插入底部导槽。
5、轻微的晃动CPU模块，使CPU模块对准部导槽。
6、把CPU模块插进框架，直到二个弹性锁扣扣进卡口。
7、重新插上编程器，并通电。
8、在对系统编程初始化后，把录在磁带上的程序重新装入。检查一下整个系统的操作。
三、I/O模块的换
1、切断框架和I/O系统的电源。
2、卸下I/O模块接线端上塑料盖。拆下有故障模块的现场接线。
3、如果CPU上装着EPROM存储器，把EPROM拔下，装在新的CPU上。
       4、垂直向上拔出i/o模块。