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摘要：汽车发动机装配线，主要完成发动机的装配工作。根据系统控制要求，本系统设计采用德国Siemens公司的PLC-300系列控制器作为整个装配线的主体控制器，采用专门为现场操作箱设计的ET200S远程I/O系统作为现场操作箱控制信号的采集系统，使装配线上在一定工位安装的转台，举升台，翻转机等设备，自动完成将发动机进行旋转，举升，翻转、移动等操作。采用WinCC人机界面软件和工控机组建成系统的操作监控站进行产品数量、生产节拍的监视。
关键词：发动机装配线；现场传感器；总线控制；非同步输送线
中图分类号：TM76文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）01-0265-02
一、汽车发动机缸体装配线的工作流程
发动机上线工位操作工操作电动起重机将机加线加工好的发动机缸体吊装到发动机生产线的托盘上，然后发动机装配线自动通过滚道将托盘按顺时针方向输送到下一安装工位上自动停止在该工位上，该安装工位的操作工依据该发动机的型号安装相应的零件到发动机缸体上然后发出指令给装配线，发动机托盘自动的被传输到下一工位，下一工位的操作工依次安装相应的零件到发动机上，依次类推当。发动机走到下线工位时该工位的操作工通过电动起重设备将安装好的发动机吊离发动机装配线完成发动机的生产。该输送线方案。
图1发动机缸体生产输送线
如图1所示，研发的发动机缸体生产输送线具有如下基本功能：
（一）所具有的输线功能有直线输送功能、转角（正反90度，180度，270度）。输送功能、升降输送功能、翻转等功能。在可实现上述功能的前提下，输送线还要留下一些预留工位，给自动加工设备使用。
（二）工位可分成：自动加工工位（如自动工位ap60）和其辅助工位m60（自动加工工位ap60的返修工位）。
（三）自动工位设备加工不合格时，加工件在托盘上随托进入辅助工位m60（即手动工位）进行重新手动加工。如此手动加工合格，则允许放到下一个自动工位（如ap80）加工。如不合格就要通过转台D02和m60返修杠去下线维修，在生产线下修好后，再通过转台D02和m60返修杠反转，返回输送主干线。然后进入以后过程的加工。
二、系统配置与功能实现
由于一台发动机从缸体加工完成到装配完毕要经过上百到工序，安装上百个零件。每个工序上至少有一个操作工安装相应的零件，要设置一个独立的站点接受该操作工的控制指令。每个站点的控制信号又相对比较少，平均每个控制箱大约有10-20个输入、输出信号。
（一）采用西门子提出的分布式总线控制系统的方案
鉴于上述情况，如果将现场每个信号统一接入位于主控柜内的控制系统中，采用一般的集中分布控制的方式控制整个生产线，电缆的铺设成本太高显然不能满足改造要求。故采用西门子提出的分布式总线控制系统的方案，采用现场I/O控制模块ET200S就近布置，采集到的信号通过PROFIBUS总线传输到CPU中实现控制，省去了控制电缆的铺设，节约了成本。
西门子的ET200S远程I/O每个模板的接入信号的数量为4个且集成了端子连接可以直接接入控制信号，采用ET200S作为远程I/O避免了控制信号接入点的浪费。
（二）现场传感器信号要求接入到高IP等级的I/O系统中
安装于生产线上的光电开关信号由于接入控制箱的距离太长故采用高IP等级的I/O系统ET200eco。ET200eco的防护等级达到IP67可以直接安装于生产线上不需要安装电柜。现场的光电信号直接接入到ET200eco通过PROFIBUS通讯网络传输到CPU中，省去了铺设电缆的麻烦，降低的工程成本。
（三）所有的控制站点大约可以分成四种动作，同一种类的控制程序基本相同
发动机托盘一般在生产线上主要完成停止，旋转，举升，翻转四个动作，控制程序必须自动完成上述的每一个动作，并且在上述动作执行的过程中操作工随时可以干预动作的执行。
停止：发动机每到达一个装配工位时自动停止，当操作工完成装配后发出放行指令后自动放行。当前发动机的运行状况不能够影响到其他发动机的运行。
旋转：在装配线上有专门用于旋转发动机托盘的设备——转台，当发动机经过转台时自动的停下，转台升起，旋转90度或180度后，转台下降，发动机放行。
举升：在装配线上的四个转角处有专门的举升台，当发动机经过举升台时托盘被举起，然后位于举升台上的滚轮将托盘传输到下一条线上。
翻转：有时要在发动机缸体的底部安装零件就需要将发动机翻转90度或180度进行安装。当发动机托盘经过翻转机时，托盘被自动的举起离开生产线，翻转机的手臂下降，
夹紧发动机然后上升到一定高度，翻转90-180度放下到托盘上。通过S7_300C程序设计实现发动机在输送的过程中的动作尽可能自动完成，当发动机托盘运行到一个工位时，自动完成该工位的动作，然后停止，等待操作工的指令，操作工完成装配工作后，只需要按一个按钮或用脚踩一个开关即可完成当前发动机的放行，进行下一发动机的装配，最大限度的减轻的操作工的工作强度。
（四）现场每个电机必须采用直流24V的接触器控制保证操作安全
由于装配线上的设备众多，当出现短路时可能会严重的影响到其他设备的运行，因此生产线上的所有控制信号都采用直流24V供电，保证了装配线上各种设备的安全。
（五）每条装配线设置一台工控机显示当前线上所有设备的动作情况
在汽车发动机装配线中利用SIEMENS公司的WinCC组态软件设计实现一个反映现场时实情况的监控系统，对装配线的装配数量、变化趋势等数据进行处理和显示。工段长可以在监控屏上看到生产线每个工作位上设备的动作情况，当某个设备出现故障后，监控屏上就会非常直观的显示出来，用鼠标点击该故障内容后就可以直接跳转到PLC程序中的故障原因处，现场维护人员可以非常直接的查找故障原因。 （六）安装MOBY识别系统
我们在发动机装配线上每个托盘侧面安装了一个MOBY识别系统，它包括两部分：移动数据存储器MDS和读／写装置SLG。SLG负责感应通信并为MDS提供电源及各种系统（PC，PLC）上的串行接口（RS232或RS422）。SLG用于处理数据，包括检查程序与管理用户存储器。MDS与SLG需面对面安装，SLG需通过接口模块来执行读写命令。接口模块有PLC模块形式，也带有PROFIBUS现场总线。信息系统记载装配中不同型号产品相应的流程工艺，产品装配后将装配记录存到信息系统，完成信息的记录和采集。自动工位大量增加，并且很容易实现不同型号的产品混合装配，有利于装配线柔性化生产的实现。
三、采用先进的汽车发动机非同步装配线
设计的发动机装配线采用非同步装配线。其输送装置是连续运转的，但由于随行夹具浮动于装配线上，随行夹具不连续输送，只有当前面没有夹具和工件时才前进。
非同步输送线工位间有不同程度储备，起缓冲作用，非同步输送线可以布置两个或两个以上并联的，完成同样工作内容的独立工位，来满足较快的生产节奏要求。此外，由于有缓冲区，托盘输送时间几乎与操作时间重叠，不占工时，小故障和异常情况不会影响全线生产等原因，也使非同步线的生产效率得以提高。需要多储存就可以多留积放区，工时过长，无法分解可布置相同的独立的关联工位，需要返修的发动机也可以自动进入返修岔道等待修理，因此可使工厂面积得到最大程度的有效利用。
本论文设计的非同步装配线均由标准组件构成，适应于多品种输送和适应产品更新。例如直线输送段、曲线输送段、回转转台、平行送进机构、升降台或升降转台、各种停止器等，通过将这些组件合理组合来组成完整的柔性装配线。同时更改电气系统的软件设计，即可很方便地实现新的工艺流程，而绝不会使装配线报废。
四、控制系统调试效果
本系统采用PLCS7-300CPU和CP342-5、CP343-1接口模块相连构成系统主站。CP342-5是用于连接S7-300和profibus-DP主/从站接口模块，CP343-1是用于连接S7-300和工业以太网接口模块。该控制系统中，上述主站外，从站是由44个ET200ceo组成，分别分布两条Profibus网络上。CPU上自带Profibus-DP接口构成Profibus现场总线控制的非同步装配线，非同步装配线依靠各种停止器、传感器以及PLC控制系统将各个相对独立的手动和自动工位连接成一个整体。在手工操作工位，托盘自动按所需要的方向在工位上就位，工人装配完毕按下放行按钮，托盘自动送出，下一个托盘又自动送入；在自动化操作工位，自动机使托盘自动停止、提升、精确定位夹紧，完成自动化操作后，自动松开下降，自动放行，开始下一个循环。实现高度机械化和自动化，连续的、有节奏的生产。监控系统提供了全汉化人机界面，实现控制系统监控操作功能（操作、显示、报表、报警、趋势）显示。
关键词：发动机装配线；现场传感器；总线控制；非同步输送线
中图分类号：TM76文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）01-0265-02
一、汽车发动机缸体装配线的工作流程
发动机上线工位操作工操作电动起重机将机加线加工好的发动机缸体吊装到发动机生产线的托盘上，然后发动机装配线自动通过滚道将托盘按顺时针方向输送到下一安装工位上自动停止在该工位上，该安装工位的操作工依据该发动机的型号安装相应的零件到发动机缸体上然后发出指令给装配线，发动机托盘自动的被传输到下一工位，下一工位的操作工依次安装相应的零件到发动机上，依次类推当。发动机走到下线工位时该工位的操作工通过电动起重设备将安装好的发动机吊离发动机装配线完成发动机的生产。该输送线方案。
图1发动机缸体生产输送线
如图1所示，研发的发动机缸体生产输送线具有如下基本功能：
（一）所具有的输线功能有直线输送功能、转角（正反90度，180度，270度）。输送功能、升降输送功能、翻转等功能。在可实现上述功能的前提下，输送线还要留下一些预留工位，给自动加工设备使用。
（二）工位可分成：自动加工工位（如自动工位ap60）和其辅助工位m60（自动加工工位ap60的返修工位）。
（三）自动工位设备加工不合格时，加工件在托盘上随托进入辅助工位m60（即手动工位）进行重新手动加工。如此手动加工合格，则允许放到下一个自动工位（如ap80）加工。如不合格就要通过转台D02和m60返修杠去下线维修，在生产线下修好后，再通过转台D02和m60返修杠反转，返回输送主干线。然后进入以后过程的加工。
二、系统配置与功能实现
由于一台发动机从缸体加工完成到装配完毕要经过上百到工序，安装上百个零件。每个工序上至少有一个操作工安装相应的零件，要设置一个独立的站点接受该操作工的控制指令。每个站点的控制信号又相对比较少，平均每个控制箱大约有10-20个输入、输出信号。
（一）采用西门子提出的分布式总线控制系统的方案
鉴于上述情况，如果将现场每个信号统一接入位于主控柜内的控制系统中，采用一般的集中分布控制的方式控制整个生产线，电缆的铺设成本太高显然不能满足改造要求。故采用西门子提出的分布式总线控制系统的方案，采用现场I/O控制模块ET200S就近布置，采集到的信号通过PROFIBUS总线传输到CPU中实现控制，省去了控制电缆的铺设，节约了成本。
西门子的ET200S远程I/O每个模板的接入信号的数量为4个且集成了端子连接可以直接接入控制信号，采用ET200S作为远程I/O避免了控制信号接入点的浪费。
（二）现场传感器信号要求接入到高IP等级的I/O系统中
安装于生产线上的光电开关信号由于接入控制箱的距离太长故采用高IP等级的I/O系统ET200eco。ET200eco的防护等级达到IP67可以直接安装于生产线上不需要安装电柜。现场的光电信号直接接入到ET200eco通过PROFIBUS通讯网络传输到CPU中，省去了铺设电缆的麻烦，降低的工程成本。
（三）所有的控制站点大约可以分成四种动作，同一种类的控制程序基本相同
发动机托盘一般在生产线上主要完成停止，旋转，举升，翻转四个动作，控制程序必须自动完成上述的每一个动作，并且在上述动作执行的过程中操作工随时可以干预动作的执行。
停止：发动机每到达一个装配工位时自动停止，当操作工完成装配后发出放行指令后自动放行。当前发动机的运行状况不能够影响到其他发动机的运行。
旋转：在装配线上有专门用于旋转发动机托盘的设备——转台，当发动机经过转台时自动的停下，转台升起，旋转90度或180度后，转台下降，发动机放行。
举升：在装配线上的四个转角处有专门的举升台，当发动机经过举升台时托盘被举起，然后位于举升台上的滚轮将托盘传输到下一条线上。
翻转：有时要在发动机缸体的底部安装零件就需要将发动机翻转90度或180度进行安装。当发动机托盘经过翻转机时，托盘被自动的举起离开生产线，翻转机的手臂下降，
夹紧发动机然后上升到一定高度，翻转90-180度放下到托盘上。通过S7_300C程序设计实现发动机在输送的过程中的动作尽可能自动完成，当发动机托盘运行到一个工位时，自动完成该工位的动作，然后停止，等待操作工的指令，操作工完成装配工作后，只需要按一个按钮或用脚踩一个开关即可完成当前发动机的放行，进行下一发动机的装配，最大限度的减轻的操作工的工作强度。
（四）现场每个电机必须采用直流24V的接触器控制保证操作安全
由于装配线上的设备众多，当出现短路时可能会严重的影响到其他设备的运行，因此生产线上的所有控制信号都采用直流24V供电，保证了装配线上各种设备的安全。
（五）每条装配线设置一台工控机显示当前线上所有设备的动作情况
在汽车发动机装配线中利用SIEMENS公司的WinCC组态软件设计实现一个反映现场时实情况的监控系统，对装配线的装配数量、变化趋势等数据进行处理和显示。工段长可以在监控屏上看到生产线每个工作位上设备的动作情况，当某个设备出现故障后，监控屏上就会非常直观的显示出来，用鼠标点击该故障内容后就可以直接跳转到PLC程序中的故障原因处，现场维护人员可以非常直接的查找故障原因。 （六）安装MOBY识别系统
我们在发动机装配线上每个托盘侧面安装了一个MOBY识别系统，它包括两部分：移动数据存储器MDS和读／写装置SLG。SLG负责感应通信并为MDS提供电源及各种系统（PC，PLC）上的串行接口（RS232或RS422）。SLG用于处理数据，包括检查程序与管理用户存储器。MDS与SLG需面对面安装，SLG需通过接口模块来执行读写命令。接口模块有PLC模块形式，也带有PROFIBUS现场总线。信息系统记载装配中不同型号产品相应的流程工艺，产品装配后将装配记录存到信息系统，完成信息的记录和采集。自动工位大量增加，并且很容易实现不同型号的产品混合装配，有利于装配线柔性化生产的实现。
三、采用先进的汽车发动机非同步装配线
设计的发动机装配线采用非同步装配线。其输送装置是连续运转的，但由于随行夹具浮动于装配线上，随行夹具不连续输送，只有当前面没有夹具和工件时才前进。
非同步输送线工位间有不同程度储备，起缓冲作用，非同步输送线可以布置两个或两个以上并联的，完成同样工作内容的独立工位，来满足较快的生产节奏要求。此外，由于有缓冲区，托盘输送时间几乎与操作时间重叠，不占工时，小故障和异常情况不会影响全线生产等原因，也使非同步线的生产效率得以提高。需要多储存就可以多留积放区，工时过长，无法分解可布置相同的独立的关联工位，需要返修的发动机也可以自动进入返修岔道等待修理，因此可使工厂面积得到最大程度的有效利用。
本论文设计的非同步装配线均由标准组件构成，适应于多品种输送和适应产品更新。例如直线输送段、曲线输送段、回转转台、平行送进机构、升降台或升降转台、各种停止器等，通过将这些组件合理组合来组成完整的柔性装配线。同时更改电气系统的软件设计，即可很方便地实现新的工艺流程，而绝不会使装配线报废。
四、控制系统调试效果
本系统采用PLCS7-300CPU和CP342-5、CP343-1接口模块相连构成系统主站。CP342-5是用于连接S7-300和profibus-DP主/从站接口模块，CP343-1是用于连接S7-300和工业以太网接口模块。该控制系统中，上述主站外，从站是由44个ET200ceo组成，分别分布两条Profibus网络上。CPU上自带Profibus-DP接口构成Profibus现场总线控制的非同步装配线，非同步装配线依靠各种停止器、传感器以及PLC控制系统将各个相对独立的手动和自动工位连接成一个整体。在手工操作工位，托盘自动按所需要的方向在工位上就位，工人装配完毕按下放行按钮，托盘自动送出，下一个托盘又自动送入；在自动化操作工位，自动机使托盘自动停止、提升、精确定位夹紧，完成自动化操作后，自动松开下降，自动放行，开始下一个循环。实现高度机械化和自动化，连续的、有节奏的生产。监控系统提供了全汉化人机界面，实现控制系统监控操作功能（操作、显示、报表、报警、趋势）显示。