隨著控制系統(tǒng)技術水平的不斷發(fā)展和提高，各種新技術、新產品也不斷應用到汽車生產線的建造上來。在這樣的背景下，我們同通用北美的專家一起全面優(yōu)化了公司西部工廠和東部工廠的控制系統(tǒng)，推出了最新的硬件設計標準GCCH-1，軟件設計標準GCCS-1，制造安裝標準GCCB-1和安全設計規(guī)范GDHS。上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司的涂裝生產線輸送控制系統(tǒng)，正是在嚴格遵守這些最新設計標準的基礎上建造而成的。
設計目標及要求
青島涂裝生產線是按照40JPH（每小時生產車體數(shù)）設計，年產30萬輛，多種車型混線生產的高柔性、快節(jié)奏生產線系統(tǒng)。為了建成一個完整、先進的汽車涂裝生產線輸送控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的設計在遵循最新的控制系統(tǒng)標準的同時，還必須嚴格按照以下要求進行：
1. 安全性，系統(tǒng)既要符合國家的相關標準，又必須遵守GDHS的安全性設計，所有的安全元器件必須遵守國際標準SIL3\CAT4（安全完整性等級）等級，所有的安全信號采用冗余控制技術，以保證設備及人身安全；
2. 挖掘系統(tǒng)低成本的底線，體現(xiàn)高價值的控制系統(tǒng)；
3. 全面保證系統(tǒng)設備的高可靠性和穩(wěn)定性；
4. 最小化周期時間（從設備的最初設計、采購、安裝調試到系統(tǒng)正常運作）；
5. 系統(tǒng)的運行以及采用的材料，要確保不影響汽車產品本身質量；
6. 對環(huán)境的影響達到最小化，節(jié)約能源；
7. 對設備的操作和維修符合人機工程，故障的診斷和處理簡潔、快速等。
系統(tǒng)的獨創(chuàng)性設計
1. 輸送控制系統(tǒng)組成
輸送設備控制系統(tǒng)作為涂裝車間控制的核心，在國內汽車廠首次融合了工藝設備控制系統(tǒng)、暗燈控制系統(tǒng)（現(xiàn)場請求幫助）、車體自動跟蹤系統(tǒng)AVI以及上位監(jiān)控系統(tǒng)PMC共五大系統(tǒng)于一體，共同采用同一套安全PLC處理器進行控制。
輸送控制系統(tǒng)主要用于控制車間內部的輸送設備，貫穿整個生產線的始終。涂裝車間的輸送設備主要由前處理、電泳線的積放鏈、工藝區(qū)域的皮帶線，烘房區(qū)域的地面反向積放鏈IMC，噴房區(qū)域的雙鏈，以及其他類型的設備，如滾床、安全門、移行機、升降機及叉式移栽機等組成。整個涂裝車間輸送控制系統(tǒng)共分為13個控制區(qū)，每個控制區(qū)主要由一套電源分配柜PDP、主控制柜MCP和其他一些遠程控制柜體組成。PDP柜由主隔離開關、安全I/O和接觸器等組成，主要為該控制區(qū)提供380VAC和220VAC電源。MCP柜內包含PLC、交換機以及直流源模塊等，為該控制區(qū)提供所有的總線和控制24VDC電源。一個典型的控制區(qū)域布置如圖1所示。
圖1 涂裝電泳存儲區(qū)PDP、MCP和HMI的現(xiàn)場布置
2. 網(wǎng)絡架構的安全性、創(chuàng)新性設計
系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡架構采用分散式兩層網(wǎng)絡，即工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP和DeviceNet安全網(wǎng)絡。其中，工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡采用星型拓撲結構，通過與赫思曼的MS20可網(wǎng)管式交換機相互連接進行實時通信，負責收集生產相關數(shù)據(jù)，故障報警信息，PLC與HMI操作站的數(shù)據(jù)傳輸，以及不同PLC之間的聯(lián)鎖信號通信等。DeviceNet安全網(wǎng)絡用于現(xiàn)場設備層的控制，控制的設備包括變頻器、安全I/O、安全門、暗燈顯示板及條碼掃描槍等。車間工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP布置如圖2所示。
圖2 車間工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP布置
EtherNet/IP網(wǎng)絡通信基于UDP/IP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議）標準以太網(wǎng)和開放性的應用協(xié)議——通用工業(yè)協(xié)議CIP。在輸送控制系統(tǒng)中，EtherNet/IP主要用于PLC到PLC的對等網(wǎng)絡通信，利用這個通信實現(xiàn)實時I/O控制和顯式報文的通信。關鍵信息包的實時交換必須建立在生產者/消費者模式上，同時生產者在網(wǎng)絡上存在著多個潛在消費者。
EtherNet/IP 的顯式報文通信主要用于PLC到機器人，PLC到其他的工藝控制器以及機器人到自身的控制柜的聯(lián)鎖信號傳輸，其通信路徑如圖3所示。
圖3 EtherNet/IP 中實時I/O控制和顯式報文的通信路徑
DeviceNet安全總線作為首次在國內汽車制造公司使用的底層設備控制網(wǎng)絡技術，與傳統(tǒng)的DeviceNet網(wǎng)絡的主要區(qū)別是更安全、傳輸速率更快，同時，滿足國際安全標準SIL3/CAT4等級。
DeviceNet安全網(wǎng)絡是指在總線網(wǎng)絡中涉及到安全的數(shù)據(jù)由安全I/O收集，通過DeviceNet安全協(xié)議傳輸?shù)桨踩玃LC中，它可以和普通網(wǎng)絡數(shù)據(jù)同時傳輸，共用同一條DeviceNet總線電纜，其安全性主要體現(xiàn)在：
（1）在安全協(xié)議里，總線網(wǎng)絡會給每個信息包貼上時間郵戳，對各個網(wǎng)絡和節(jié)點分配惟一的網(wǎng)絡安全序列號，對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行多方面求證，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/P>
（2）對網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行優(yōu)先級劃分，安全類型的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上具有更高的傳輸優(yōu)先級，能夠確保其數(shù)據(jù)及時、準確地傳輸?shù)桨踩玃LC處理器。
（3）網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸速率設置由以前的125kbps提高到250kbps及以上，確保網(wǎng)絡速度更快，縮短了1倍的控制周期。
（4）現(xiàn)場的安全IO模塊自身具有一套自我檢測程序，不斷地發(fā)送測試脈沖和雙通道一致性檢測，能夠及時收集設備的數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)模塊的異常狀態(tài)。
（5）安全PLC處理器由兩個不同的控制器模塊組成，主模塊負責處理普通的邏輯程序和安全的數(shù)據(jù)，另外一個輔助處理器模塊只處理與安全相關的數(shù)據(jù)。兩個控制器在同時執(zhí)行任務的過程中不斷相互比較，當發(fā)現(xiàn)不一致時會報警，終止程序的執(zhí)行。如此雙冗余的安全數(shù)據(jù)處理機制，保證了現(xiàn)場人身、設備的安全。
（6）調試完成后的安全程序和網(wǎng)絡都可以進行密碼式管理，確保程序和網(wǎng)絡不會被惡意篡改。
安全IO、DeviceNet安全網(wǎng)絡和安全PLC處理器的同時使用，確保了數(shù)據(jù)在原始采集、傳輸通信和控制器處理整個過程中的安全性，創(chuàng)新性地解決了常規(guī)設備和安全設備不能同時在一個設備網(wǎng)絡上運行的難題，使整個系統(tǒng)更加簡潔，便于維護。DeviceNet安全網(wǎng)絡的使用，還增大了系統(tǒng)的控制范圍（2～3倍），建造同樣的涂裝生產線輸送控制系統(tǒng)由原來的35套PLC減少到現(xiàn)在的13套，大大降低了系統(tǒng)的建造成本。圖4顯示了一段典型的DeviceNet安全總線下所帶的設備。
圖4 一段典型的DeviceNet總線所帶的網(wǎng)絡設備
3. 電源的安全、獨特性設計
根據(jù)系統(tǒng)的安全性和便捷性設計，控制系統(tǒng)的電源分為兩種類型：一種為沒有經過電源分配柜PDP的主隔離開關，直接連接至“熱變壓器”輸入端，然后轉化成220VAC電源，我們稱之為“熱電”，主要給PLC背板、以太網(wǎng)交換機、暗燈顯示板和HMI等設備供電。另一種為經過主隔離開關的電源，由“控制變壓器”轉換成220VAC供電給MCP，再由直流電源模塊轉化成24VDC，我們稱之為“控制電源”，主要給總線、現(xiàn)場IO、傳感器和繼電器、接觸器等控制元器件供電?！盁犭姟钡奶貏e設計保證了PLC中的相關數(shù)據(jù)不會被清除，報警信息和操作日志能被及時記錄，在維修和故障處理過程中更加方便。
在電源安全性設計中，PDP柜體上的主隔離開關作為該控制區(qū)惟一能量鎖定點，當有人需要到現(xiàn)場作業(yè)時，維修員必須先關掉PDP上的主隔離開關，并且掛上安全鎖，做好能量鎖定。按照設計要求，所有裸露的380VAC和220VAC危險點必須加上聚乙烯樹脂透明玻璃罩，且在上面鉆上小孔以便檢測使用，消除一切安全隱患，有效預防由于人員不小心觸碰而導致的嚴重后果。輸送控制系統(tǒng)的整體架構設計如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)的整體架構設計
按照電纜的設計，現(xiàn)場主要使用兩種電纜：動力電纜和控制電纜。電纜全部采用快速接插件方式，按照總線式結構布線，使施工更快速，布線更整齊簡潔。動力電纜設計為4芯，分別為3根三相線和1根接地線?？刂齐娎|率先大膽采用總線和24VDC控制線結合為1根9芯電纜，在解決了其相互干擾的問題后，大大簡化了系統(tǒng)的復雜度，且運行穩(wěn)定可靠，維修維護方便。電纜的接插件設計不僅為項目的施工省掉了大量電工，還節(jié)約了至少20%的安裝時間。整個工廠控制系統(tǒng)柜內的電線電纜采用統(tǒng)一顏色標準，不同顏色代表不同的電壓等級，起到安全警示的作用，同時方便現(xiàn)場維護、維修（見圖6）。
圖6 控制柜內電線電纜的顏色標準
4. 系統(tǒng)的其他新穎設計
在系統(tǒng)網(wǎng)絡和電源架構采用創(chuàng)新性設計的同時，許多其他設計也是別出心裁：
（1） 硬件設計首次采用Eplan P8繪圖軟件制圖，該軟件采用數(shù)據(jù)庫結構和面向對象數(shù)據(jù)模型OODM設計，可提供許多自動化功能，省掉了大量重復性工作，還可以通過ODBC等方式與其他數(shù)據(jù)庫建立連接。設計過程中可以自動生成元器件編號和材料清單等，節(jié)約硬件設計時間40%左右。
（2）根據(jù)設備布置，整個車間配置了56臺HMI操作站，分別設置于設備附近，可以方便、快捷地進行設備調整和維修。HMI有三種控制方式：自動控制、手動控制和維護控制。HMI畫面采用通用汽車最新標準設計，雙語顯示，功能強大，便于操作，能夠及時、快速、準確地操作，并反應現(xiàn)場的設備狀態(tài)。
（3）車間現(xiàn)場所有3kW以下的輸送設備電機采用SEW一體式變頻器進行控制，該變頻器達到IP67防護等級，配置6個獨立的輸入點，M12接口用于方便、快捷地連接就近設備的傳感器。
（4）控制柜內的布置也嚴格按照電壓等級進行布局，從上往下、從左到右電壓由高到低，所有的硬件和軟件設計保留25%的預留量，為今后系統(tǒng)改造和產能提升預留足夠的空間。
（5）當現(xiàn)場設備出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)能以三種方式顯示報警信息：現(xiàn)場的HMI屏幕、暗燈維修音樂響起以及PMC監(jiān)控系統(tǒng)提示，信息的顯示包括了故障點在程序以及現(xiàn)場的具體位置，極大地減少了故障的發(fā)現(xiàn)和處理時間。
（6)軟件設計思維嚴謹、邏輯嚴密，首次引進了通用北美的軟件進行模塊化設計。通過簡單地輸入網(wǎng)絡控制區(qū)域的相關信息，如HMI的控制范圍、設備網(wǎng)絡節(jié)點號及采用的PDP和MCP編號等，即可自動生成程序的80%，為軟件設計節(jié)約了50%以上的時間，而且設計出來的程序更加規(guī)范，均帶有相關注釋，可讀性強，更便于日后的維護、維修。圖7顯示了涂裝底涂UBC入口的機運設備及控制系統(tǒng)布置。
圖7 涂裝底涂UBC入口系統(tǒng)設備布置
系統(tǒng)應用及推廣價值
青島涂裝生產線輸送控制系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用了眾多先進技術和理念，從2008年4月28日SOP以來，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、故障率低。在青島分公司的整個整車工廠，沖壓車間、車身車間、涂裝車間以及總裝車間，均采用了這種解決方案，部分做的修改已經重新寫進最新的技術標準中，其他相關的汽車公司也紛紛前來參觀、借鑒。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
