司凤龙
北京宝沃汽车有限公司 北京市密云区 101511
摘 要:宝沃汽车自成立以来，秉承以建设现代化工业4.0工厂为目标，在吸收国内外先进的信息化和自动化技术来改进生产管理水平的同时，自身加以改进，不断巩固和加强自己的产品及竞争优势。本文在以上背景下，主要论述宝沃汽车总装车间生产线电气控制系统，论文主要分为三部分：第一部分介绍下应用背景，包括车间简介、电气控制简介。第二部分着重讲述下系统分析，在这里会分成网络系统和设备系统进行分析。第三部分介绍PLC系统应用，同时会分享工作中的经典案例。总装车间电气控制系统稳定可靠、高效，在满足生产需求的同时，降低了劳动强度以及维修成本，达到了令人满意的效果。
关键词： 工业4.0；电气控制系统；通讯网络
1、应用背景
1.1工厂及总装部简介
宝沃汽车具备强大的研发及制造能力，高度重视现代化管理，无论是技术还是管理层面，对先进的信息技术尤为重视，致力于打造工业4.0现代化企业。
总装部是汽车厂四大工艺车间最后一个车间，肩负着关乎汽车质量重要的责任。而总装部的作用就是装配，经过完全统计下来，宝沃汽车每款车在总装部至少装配2500余零部件。从空车壳由涂装交到总装部后，需要经过主要10条主要输送线，并有13条辅助输送线，3条检测线，如图1.1，汽车方可下线。因此，输送系统是总装部生产线最主要且不能或缺的环节。输送系统的水平直接决定自动化生产程度，它直接能体现大批量生产的可靠性和稳定性。
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图1.1
1.2电气控制简介
当今工业生产制造的各个领域最不可或缺的一环就是电气自动控制系统，其核心为工业互联网技术和电气传动技术。
1.2.1工业互联网技术
网络控制技术主要是工业网络通讯协议的发展，如图1.2，在工业互联网的技术构架中，通过各类通讯方式接入不同设备、系统和产品，来采集海量数据是其重要的一环。工业底层设备的两种通讯方式：现场总线和工业以太网。
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图1.2
1.2.1.1认识现场总线
回顾现场总线的发展史可知，现场总线出现在约为上个世纪 80 年代末到 90 年代初期，这个时期随着生产规模的日益扩大，工厂的设备有了互联的需求（此阶段的互联需求主要定位于远程的 I／O 数据传输，以及产线内部不同设备的数据交换），人们希望通过综合掌握多点的运行参数与信息，进而实现多点信息的操作控制。但是这个时候的计算机系统存在系统封闭的缺陷，各个厂家的产品都是自成体系，不同厂商之间的设备不能实现互联互通，想实现更大范围信息共享的网络系统由于当时技术的局限性，存在很多困难。在实际发展过程中，涌现出了许多著名的现场总线技术，例如基金会现场总线 FF、HAPT 现场总线、CAN 现场总线、LONWORKS 现场总线、Devicenet 现场总线、INTERBUS 现场总线、PROFIBUS 现场总线、WorldFIP 现场总线、CC－Link 现场总线等。这些现场总线具有各自的特点，并形成了特定的应用范围。但是现场总线种类实在是太多了，采用的通讯协议也完全不同，所以至今现场总线的标准也未能统一，最终形成了一个多种现场总线的 IEC61158 的现场总线标准。个人对现场总线的解读为：现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络，它遵循 ISO／OSI 开放系统互联参考模型的全部或部分通信协议。
1.2.1.2走进工业以太网
鉴于现场总线的标准还是基于多种现场总线标准的妥协，而多标准某种意义上讲，就是无标准。人们开始寻求新的工业通讯出路，这时候以太网技术映入人们的眼帘。以太网技术因其技术简单、开放性好、价格低廉等特点，在办公和商务上的市场占有率非常高。于是提出了将以太网技术引入工厂设备底层，工业以太网也就随之产生了。但是以太网是计算机局域网中最常见的通信协议标准，最初是为办公自动化的应用而设计，并没有考虑到工业现场环境的需求，例如高温、低温、防尘灯问题，所以以太网不能直接用于工业现场。智库百科认为，工业以太网是指在工业环境的自动化控制及过程控制中应用以太网的相关组件及技术。工业以太网采用 TCP／IP 协议，和 IEEE 802．3 标准兼容，但在应用层会加入各自特有的协议。从定义角度而言，工业以太网也是现场总线中的一种，就如同现场总线的各种协议一样。正如以太网适合于信息管理、信息处理系统一样，工业以太网在工厂管理、车间监控等信息集成领域也应用的很多。工业以太网最大的优势在于：可以满足控制系统各个层次的要求，使得企业的信息网络和控制网络能够实现统一；以太网容易实现网络集成，速度快，开发技术广泛，硬件升级范围广，价格低廉。
1.2.2电气传动技术
电气传动技术，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品的技术。是通过合理使用电动机实现生产过程机械设备电气化及其自动控制的电气设备及系统的技术总称。其系统三要素为：电动机、控制电动机部分和生产机械。电动机从类型上分为交流电动机和直流电动机。二者的结构、工作原理均不同，所需的电气传动装置也不同。电气传动可分为两类：直流电气传动和交流电气传动，它们的区别主要在于驱动电流的不同：直流电机（DC Motor）的好处为在控速方面比较简单，只须控制电压大小已可控制共转速，但此类电机不宜在高温、易燃等环境下操作，而且由于电机中需要以碳刷作为电流变换器的部件（有刷马达），所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。无碳刷之马达称为无刷马达，相对于有刷，无刷马达因为少了碳刷与轴的摩擦因此较省电也比较安静。制作难度较高、价格也较高；交流电机（AC Motor）则可以在高温、易燃等环境下操作，而且不用定期清理碳刷的污物，但在控速上较为困难，因为控制交流电机转速须要控制交流电的频率（或使用感应马达，用增加内部阻力的方式，在相同交流电的频率下降低电机转速），控制其电压只会影响电机的扭力。一般民用马达之电压有 110V和220V等两种，在工业应用还有380V或440V等型态。下面比较下直流电机和交流电机的各优点和缺点，如图1.3：
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图1.3
总装车间有几千个电机，就内饰线来说，在采用摩擦轮推动升降滑板的方案下，共有183个电机。基于以上背景，车间内部大部分电机为交流异步电机，而交流同步电机因为整个驱动系统造价的原因，一般应用在步进电机和伺服电机系统上。交流异步电动机的控制方式常用的有以下几种方式：直接启动、星三角启动、变频启动。直接启动方式简单，成本低，小容量的电动机且不需要调速时，绝大部分都是采用这种方式。当电动机功率较大时，因启动电流较大，可采用星三角启动，该启动方式电流小，启动转矩小，优点是不需要添置启动设备，有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于△连接的电动机，大型异步电机不能重载启动，因现在软启动器制造工艺越来成熟化，价格越来越低，且软启动增加很多保护功能，市场上已经用软启动器代替星三角电路；最后一种变频启动是市场上最常用于电动机调速的控制方式；变频启动的优点是频率与电压成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，近似于恒功率调速方式，避免弱磁和磁饱和现象的产生。变频器按照变频方式分为两种，交交变频和交直交变频。交一交变频器亦称为直接变频器或周渡变换器，它直接将电网的交流电变成电压和频率都可调的 (简称VVVF) 交流电输出。交直交变频器比较常见，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。它在工业自动化领域的变频器（采用变压变频VVVF控制等）和IT、供电领域的不间断电源（即UPS，采用恒压恒频CVCF控制）都有应用。这两类变频器的主要特点对比如图1.4：
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图1.4
汽车生产线传动电机较多，使用变频器不仅可以达到节能目的，更可以提高传送效率。经过统计后发现，总装部使用0.75KW-5.5KW变频电机较多，而且最大电机为30KW。因生产需求，每日JPH可能不同，导致线体速度经常调整。尤其在生产旺季时，JPH需要达到60JPH，此时多数电机频率在40Hz-50Hz之间，因此，总装车间的绝大多数变频器采用电压型交直交变频器。
归纳总结来说，使用交直交变频器的优势：
（1）节能。
（2）传送效率提高。
（3）控制精度高，调速效果好。
（4）虽然技术复杂，但更能体现出自动化生产线科技的先进程度。
（5）对电动机保护功能做的更加全面。
2.生产线设备系统的构成
生产线设备系统主要由网络系统和硬件设备两部分构成。网络系统类似于人的神经系统，不仅能将各种信息传送给负责管理的大脑，也是传输指令的重要通道。硬件系统类似于我们人体的躯干，不仅有各种检测部位，还有执行机构等。下面我将逐步介绍着两部分。
2.1网络系统
现代化工厂车间内的网路系统按照功能可以分为三层：管理层、控制层、设备层。每个层次的网络尽管可能使用同样的网络协议，但是所用硬件配置及达到的效果却不尽相同。宝沃汽车总装部的网络控制系统每个层次都达到网络结构简单、易于扩充与维护，可靠、容错性高、传输性能高，数据传输量大，数据交换能力强的优点，均处于国内较高水平。下面我将就该系统的不同层次网络功能、设计要求及实现的效果进行逐步叙述。
2.1.1管理层
管理层网络在车间内部俗称上层网络，使用标准的Ethernet/IP协议，不仅可以用于数据信号车间级别以及输送主线之间数据信号采集、交换、传递的通道，还能够实现控制参数、工艺标准的下达。
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图2.1
图2.1所示为PBS区车辆过点扫描后，在确定进入生产序列后，承载车身的滑橇载码体读取信息后，经过MES比对后，会由MES将车身信息发送到SPS系统，SPS会下达指令拉动物料。这里涉及到总装部、工厂IT部、物流部等多部门之间的数据交换。而这些数据交换全部通过网络管理层来实现。下面我来介绍下车间内部使用管理层情况，如图2.2：
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图2.2
此图为我总装部二期管理层网络布局图，以此为例来介绍下车间网络。图中所示的“三层交换机”为核心交换机。核心交换机赋予IP给所有需要进入管理层的控制层网络，这样就能够让车间形成一个大的VLAN（局域互联网），这样就是给每个不同线体、设备之间开辟通道，用于通讯、数据交换。双核心交换机与生产线环网形成双路冗余，核心交换机与现场交换机之间所用千兆光纤，确保生产线网络通讯速度、质量及稳定性。
2.1.2控制层
控制层是总装车间电气控制系统的核心部分，起着承上启下的作用。管理层的作用是开辟通道，那么控制层就是利用这个通道如何连接通讯去进行数据的交换、控制的协调以及本VLAN内进行在线编程。宝沃汽车总装部输送线全部采用AB公司1756系列PLC，控制层采用该公司制定的实时以太网通讯协议Controlnet。ControlNet是应用于生产者/消费者模式(Producer／Consumer Model)的网络。此通讯协议的最大优势是支持输入数据或端到端的多路发送，这就大大的减少了网络上的交通量，提高了网络效率和网络性能，如图2.3。ControlNet提供了简单、高度确定而且灵活的传输数据方式，在执行操作、数据实时监控时不会影响到I／O控制的性能。因此，ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联、要求控制控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。该层网络核心为PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器），PLC及其网络系统接收现场发来的数据，经过编程人员存放在CPU中的控制程序的运算及处理后，发出相应的指令，实现对现场设备的控制。
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图2.3
该层网络对现场设备及情况进行监控、采集报警、故障信号，通过PLC中程序分析处理后，并在相应HMI触摸屏上进行显示，方便设备维护人员进行处理。同时，系统会把设备运行、报警、故障等相关信息，上传到管理层SAP系统，实现对整体现场设备系统管理。
同样，ANDON系统也在该层网络，这样相互配合才能够在最短的时间里将信息传递出去，使问题能够快速解决；使生产能够平稳进行，提高效率。
2.1.3设备层
设备层处于整个网络系统的最底层，也是电气控制系统的关键部分，主要职责是把底层设备直接连接到PLC上，或者通过普通工业交换机形成设备层VLAN，以内饰线网络为例，如图2.4，在此网络采用MOXA交换机，?在现场网络中，基于可靠性的考虑，通常会需要形成冗余链路来实现。通过环网冗余协议，可以实现在一个环路中形成备份链路，并且不会形成loop，也就是环网风暴，造成网络瘫痪，MOXA的网管型交换机都支持MOXA私有的环网冗余协议，实现快速链路备份。
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如图2.4
2.2硬件系统
以上介绍完总装部网络系统部分，作为软硬件都不可或缺的电气控制系统，硬件系统也是相当重要的。以总装部内饰线为例来介绍，其硬件主要组成部分如下图表2.5所示：
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图2.5
内饰线分内饰一、内饰二两条线，详见总装部车间输送线分布图，图1.1。每条线长约180米，因此采用双PDP在两端分别从车间配电柜取电。PDP柜的作用是线体控制柜所有电源统一管理的控制柜， MCP、RCP、TCP等柜的上端，柜内装有主电源进出的断路器， 分断路器用于分配给下端控制柜供电，同时柜内装有I/O模块，来监控各断路器运行状态。
内饰线MCP柜是唯一的，里面配备Allen-Bradley ControlLogix1756系列PLC，柜门安装一块Allen-Bradley PanelView Plus 1250 HMI触摸屏，内饰线所发生的任何报警均会在此触摸屏上显示，同时触摸屏还具备调整线体速度、监控OP站状态等功能。PLC装有两块以太网通讯模块，一块网卡地址设定为本线体VLAN的MAC（物理地址），来用于采集数据、经过程序处理后输出数据，从而实现整套电气系统的控制功能。另一块以太网卡地址设定为核心交换机分配的MAC，用于与其他系统，如Andon系统之间的相互通讯。
RCP分别位于两天线的线首线尾，主要控制升降机、举升机、移行机、旋转台、输送线主驱、快驱、阻尼等需要变频电机，尤其内饰一入口伸缩叉升降机及内饰二出口升降机，因涉及到车身载具的交接，需要更为精准的定位，在电机端配备编码器的情况下，升降机立柱旁单独装有钢码尺，做到电机速度、升降机位置双闭环反馈。
内饰线因工艺需求，采用SEW可升降无线取电滑板方案，方便人员装配。TCP柜就是给滑板无线供电的控制柜。控制柜进线为标准工业电源电压380V频率50HZ，柜内每一路配备两个电源变频、变压器，实现高频高电流220V交流电的目的。输出电源经过特殊电缆处理后，确保无线供电对人体无伤害。
OP站位于线体关键位置区域，从属于各RCP柜。OP站均有自动、手动、维护三种模式，用于系统正常工作、模拟设备自动运行状态及处理故障或维修设备。自动状态是设备系统连续、正常速度完成动作，手动是设备系统正常速度完成单个步骤，维护状态仅维修人员操作，设备系统在慢速（一般为5HZ）情况下完成设备动作。此外，PLC程序中会留有一些设备系统步骤，只能在操作站为维护状态下才能动作。
3.PLC系统应用
3.1PLC系统
输送线电气控制系统因要求自动化程度较高，数据采集量大，控制站多，系统可靠性较高，同时满足减少重新设计、降低成本、适用在各种工作环境，因此以PLC为控制核心的控制系统成为不二之选。宝沃汽车总装车间系统中大量运用了罗克韦尔ControlLogix系列产品，ControlLogix是AB公司最大型、功能最强的PLC系统，该系列的CPU模块是目前少数的32位CPU，除了编程口外，无任何通讯接口，使得控制器全力专注于控制任务。ControlLogix在采用分布式I/O方案下，最大可达4000点模拟量和12万8千点数字量，可以轻松完成对大量设备的控制。采用的Controlnet网络协议被称为永不丢包的数据网络，线路上可连接的设备多达数千个。ControlLogix系列PLC系统的优异性能保证了生产线的准确，高效地运行。其系统的软件也是由罗克韦尔自动化公司自行开发的产品，具有世界领先的水平。RSLogix5000梯形图编程软件包，有灵活易用的编辑功能、通用的操作画面、诊断和纠错工具。RSView是高度集成、基于组件的人机界面，发挥微软领先技术优势的监控软件，其开放性与第三方程序有高度兼容性。
结 语
电气控制系统是自动化系统的核心部分，里面包含着各种网络协议，电机传动技术等，尤其在汽车生产制造行业，一直走在科技制造的前沿，提高装配效率的同时，降低劳动成本。随着科技的发展，越来越高端技术引入汽车制造行业，例如机器人装配、视觉系统、人工智能等等。这就要求我们工程师们在工作和工作之余，不断的学习、钻研、摸索，只有这样，才能持续的提高我们的技术水平，给公司和社会创造更大的价值。
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