学位论文-—汽车轮胎组装电控系统的设计.doc

汽车轮胎组装电控系统的设计
【摘要】：千里之行始于足下，作为汽车行驶的四只脚，汽车轮胎的重要性不言而喻。轮胎性能的优劣直接影响到车辆的性能，因而轮胎组装系统是关系到轮胎产品质量的关键工艺装备。随着工控技术的发展，越来越多的人机界面（HMI）产品被应用到工业生产控制中，实现了可编程序控制器（PLC）的人机交互问题。本文先是深入浅出的介绍了西门子PLC以及HMI的基础知识，然后融会贯通，利用触摸屏控制技术设计了轮胎组装电气控制系统，省时省力、操作简单、安全可靠，符合汽车行业的发展趋势。本设计在HMI组态软件WinCC flexible里制作控制系统界面，在西门子S7-300PLC编程软件STEP7里进行编程与仿真，通过现场总线将触摸屏与PLC进行连接，在触摸屏上对轮胎组装的部分主要动作进行控制与监控。基本达到了实时性、逼真性和可操作性的要求。
【关键词】：PLC；人机界面；触摸屏；WinCC flexible软件
1.轮胎组装生产线的工艺流程
整条线包括：轮胎纳入、轮胎组装、轮胎充气、反弹力检测、动平衡检测效正和轮胎码放六道工序工艺流程如图1所示：
图1 工艺流程图
（1）轮胎纳入
本工序要求工作人员按预定的序号把轮胎和轮毂放到生产线传送带上，同时将序号输入到触摸屏，整条生产线的每一道工序都要严格按此顺序生产。在这道工序中控制分为传送带的控制和序号的输入，传送带采用S7-300PLC控制，序号的输入由西门子TP177B触摸屏完成，并在触摸屏中编辑了传送带电机的过载报警信息。
（2）轮胎组装
所谓轮胎组装是将纳入区传送过来的轮胎和轮毂自动的组装在一起并传送到下一工序.在此处轮胎由专门设计的传送装置送入装胎机，装胎机内设有卡盘固定轮毂并能测量轮毂的尺寸已确定型号并和纳入区传来的序号比较如相同开始组装，不同则停机报警。组装过程是由一套液压气动装置完成。控制信号由现场总线传入S7-300PLC并由其驱动现场个个执行器协调动作完成组装，轮胎的传送装置由变频器控制速度可由工作人员按生产要求适当调节以控制生产的速度。此工序设手动自动两种控制方式，自动控制由PLC程序自动完成，触摸屏进行监控，触摸屏采用西门子TP177B。手动控制的各个部分均在触摸屏中编辑了控制按钮以便调试和维修。
装胎机结构图如图2

图2 装胎机结构图
（3）轮胎充气
车轮总成自动装配线充气机是在车轮装配过程中，利用传送链将轮胎总成输送到充气工位进行定位后，液压系统将一定量的气压自动充入轮胎，并将轮胎转入下一个工位的集机、电、液一体化的自动充气装置。本装置整个工作过程均由PLC、A/D模块电控系统控制，自动化程度高，操作简便，充气压力稳定，工作可靠。本工序同样要进行型号的选择与设定比较如果不同要停机报警。在本工序同样有手动自动两种方式控制。自动方式由触摸屏进行监控，生产数据和报警情况均显示在触摸屏上。手动方式共调试和维修使用，在触摸屏上编辑了相应的控制按钮。
（4）反弹测试
反弹力的大小，如超出设定范围则视为不合格。该工序主要有两部分组成一部分是模仿路面的伺服控制系统模仿路面并给轮胎施加一定压力，另一部分是驱动轮胎旋转部分，此处为伺服电机驱动。
（5）动平衡
轮胎的动平衡参数是轮胎参数中最重要的参数之一，直接关系轮胎的质量好坏。所以此道工序至关重要。此处主要设备为平衡机，还有一些效正补偿的辅助装置组成。
（6）轮胎的码放
此道工序主要是将做好的轮胎五条为一组码放整齐，以便运输。主要设备包括一台码胎机和传送带由于比较简单所以采用S7-300PLC就可实现。
由于实验设备有限以及本人水平有限，只实现（1）、（2）轮胎纳入和组装的部分主要动作。动作过程如下：人工把轮胎和轮毂放在传送小车上（轮胎在下，轮毂在上），按下启动按钮后，小车向前走，到达装胎机正下方后停止前进，装胎头下降当碰到轮毂时，按压器下降收紧，按住轮毂，然后伺服电机带动机械装置，将轮毂旋转装入轮胎。按压器收回，装胎头上升。小车继续前进，计数器计数，每五个为一组。
2系统硬件
2.1硬件选型
根据实际的控制要求，采用触摸屏控制与手动控制并用的控制方式。
PLC选用西门子S7-300，CPU型号S7315F-DP，电源模块PS307，输入模块QX80，输出模块4块直流24V，继电器输出。
触摸屏选用西门子TP177B.TP177B，通用的触摸面板，满足PROFIBUS DP 或ROFINET各种应用环境。并且易于使用，可靠，低维护，可报警，满足控制要求，所以选择西门子HMI设备中的TP177B。图3所示为TP177B 正面图。

图3 TP177B的正面图
2.2硬件连接
本系统硬件连接分为两个阶段：组态阶段和运行阶段。
在进行项目组态阶段，触摸屏TP177B与计算机通过以太网连接。利用串口电缆连接，实现对触摸屏组态、程序下载和测试等。
在设备运行阶段，触摸屏TP177B与PLC通过以太网连接。利用MPI电缆连接，实现与PLC通信。通过PLC完成数据采集和设备控制，并将系统设备的实时状态在触摸屏上显示出来。
3建立变量
表1是本系统的变量表，其中包括了系统的PLC变量和HMI变量。此表中只列出了系统的直接变量，另外还有一些系统工作过程中的间接变量并没有在此罗列。

表1系统变量图
序号
I/O地址
信号内容
变量类型
1
M0.0
自动手动按钮
HMI变量
2
M0.1
自动启动按钮
HMI变量
3
M0.2
手动小车前进按钮
HMI变量
4
M0.3
手动小车后退按钮
HMI变量
5
M0.4
手动装胎头上升按钮
HMI变量
6
M0.5
手动装胎头下降按钮
HMI变量
7
M0.6
传送小车越位报警
HMI变量
8
M1.0
传送小车报警
HMI变量
9
Q1.0
传送小车前进状态
HMI变量
10
Q1.1
装胎头下降状态
HMI变量
11
Q1.2
按压器收紧状态
HMI变量
12
Q1.3
旋转状态
HMI变量
13
Q1.4
按压器放松状态
HMI变量
14
Q1.5
装胎头上升状态
HMI变量
15
Q1.6
传送小车后退状态
HMI变量
16
M0.0
自动手动状态
PLC变量
17
M0.1
自动启动按钮
PLC变量
18
M0,2
自动停止按钮
PLC变量
19
M0.3
小车前进按钮
PLC变量
20
M0.4
小车后退按钮
PLC变量
21
M0.5
装胎头上升按钮
PLC变量
22
M0.6
装胎头下降按钮
PLC变量
23
M1.0
自动中
PLC变量
24
M2.0
小车前进1
PLC变量
25
M2.1
小车前进2
PLC变量
26
M2.2
小车后退1
PLC变量
27
M2.3
小车后退2
PLC变量
28
M2.4
装胎头上升
PLC变量
29
M2.5
装胎头上升1
PLC变量
30
M2.6
装胎头下降
PLC变量
31
M2.7
装胎头下降2
PLC变量
32
M3.0
小车起始位置
PLC变量
33
M3.1
小车停止位
PLC变量
34
M3.2
检查货
PLC变量
35
M3.3
装胎点
PLC变量
36
Q1.0
小车前进中
PLC变量
37
Q1.1
装胎头下降中
PLC变量
38
Q1.2
按压收紧中
PLC变量
39
Q1.3
旋转装入
PLC变量
40
Q1.4
按压放松中
PLC变量
41
Q1,5
装胎头上升中
PLC变量
42
Q1.6
小车后退中
PLC变量

4.变量的生成与组态
根据项目的具体情况，设计需要的变量及意义，如表1所示。表中列出的都是外部变量，即与PLC进行数据交换的变量，在PLC中均有实际的地址，其值随PLC程序的执行而改变。在“项目视图”中，双击“变量”，打开“变量编辑器”。根据表1创建HMI变量，如图4所示。

图4 HMI变量

5.触摸屏的画面设计
1.组态起始画面
起始画面也是本项目的欢迎画面，除了设置“欢迎使用轮胎组装电控系统”文本域，还组态了两个按钮，用于用户的登陆和注销。如图5所示。

图5 起始画面
2.组态主画面
在主画面中（见图6），设置与其他三个画面切换的按钮，并设手动/自动开关和解除报警按钮，用于统一管理与控制。

图6 主画面
3.组态自动界面
在自动界面中（见图7），能够监视轮胎组装的个数，每做完一个，灯亮一个，做完五个就会被送走，重新计数。设有自动和停止按钮，当按下自动按钮之后，PLC程序执行，组装动作自动运行。

图7 自动界面
5.手动界面
在手动界面中（见图8），按下相应的按钮，就会产生相应的动作。

图8 手动界面
6.组态用户管理
在运行时，单击主画面中的“用户管理”按钮，进入用户管理画面（见图9）.在用户管理画面中，组态了一个用户视图、“登陆”和“注销”两个按钮以及一个显示当前登录用户的I/O域。

图9 用户管理界面
6.组态报警画面
本系统采用的是实时报警窗口（见图10）。当小车越位，轮胎过载或者装胎机等设备发生故障时，便会实时自动报警，在报警画面里显示报警内容，操作员根据报警内容，须及时将报警解除，方可继续工作。

图10 报警窗口
6.PLC组态及程序
程序如下：
程序段1：

程序段2：

程序段3：

程序段4：

7.总 结
完成了基于PLC的轮胎组装电气控制系统的设计，在组态软件中制作出轮胎组装的控制界面，编写好程序后，将触摸屏与PLC进行连接，基本实现了对轮胎组装的局部动作的监督、控制及报警等功能，使操作人员通过现场的计算机或者触摸屏，就可以了解、控制、处理工业现场的状况。

8.参考文献：
[1] 薛迎成. PLC与触摸屏控制技术. 北京：中国电力出版社，2008
[2] 柴瑞娟，孙承志等. 西门子PLC高级培训教程. 北京：人民邮电出版社，2009.3
[3] 胡健. 西门子S7-300/400PLC工程应用. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.9
[4] 陈浩. 案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用. 北京：中国电力出版社，2007