汽車制造業(yè)無線通信技術(shù)應(yīng)用
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摘要：介紹無線以太網(wǎng)漏波電纜通信和無線藍(lán)牙通信的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場改造實(shí)例，闡述無線通信技術(shù)應(yīng)用在汽車制造業(yè)的優(yōu)勢，為運(yùn)動類裝備的通信問題提供解決方案。
關(guān)鍵詞：無線通信；漏波電纜；藍(lán)牙通信；汽車制造
引言
一汽解放青島汽車有限公司（以下簡稱“青汽廠”）是解放商用車重要的生產(chǎn)基地，設(shè)計產(chǎn)能10萬輛，承載了解放輕、中、重型全系列產(chǎn)品的制造任務(wù)。青汽廠產(chǎn)品種類多，生產(chǎn)線采用高柔性設(shè)計方案。目前無線通信技術(shù)日趨成熟，不斷應(yīng)用到汽車制造領(lǐng)域，利用無線通信傳輸信號與工業(yè)自動化控制系統(tǒng)深度結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的簡潔化，并且能提高工廠的柔性化水平。
1轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)介紹
自2018年以來，商用車市場持續(xù)火爆，青汽廠產(chǎn)能不斷提升、產(chǎn)品不斷更新，對裝備提出高可靠性、高自動化、高柔性、高智能性的要求。涂裝車間現(xiàn)有空中輸送系統(tǒng)3套，移行輸送系統(tǒng)38套，為車間內(nèi)往復(fù)運(yùn)動機(jī)械化輸送類裝備。上述裝備原有動力與信號傳輸方式已無法滿足實(shí)際需求，急需進(jìn)行升級改造。3套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)分為PVC（PolyvinylChloride，聚氯乙烯）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)、焊涂轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)、涂總轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)（表1）。其中，PVC轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于車底涂料噴涂工序的輸送及駕駛室從底漆滑橇到面漆滑橇的轉(zhuǎn)換，焊涂轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于駕駛室從焊裝滑橇到涂裝底漆滑橇的轉(zhuǎn)換；涂總轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于駕駛室從面漆滑橇到總裝內(nèi)飾滑橇的轉(zhuǎn)換。
2轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)現(xiàn)存問題
（1）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)采用九段式滑觸線進(jìn)行動力電供應(yīng)和信號傳輸，僅在上件和下件工位可以完成抱臂合攏、打開操作。通過滑觸線間隔區(qū)間段，可以實(shí)現(xiàn)抱臂6點(diǎn)數(shù)開和定位，其中包含打開到位和合攏極限，即僅可自動完成4種車型的轉(zhuǎn)掛工作。無法滿足多品種駕駛室自動轉(zhuǎn)掛的需求，需人工干預(yù)操作，極大地影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。（2）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)無精確停止定位裝置，僅在工藝工位，依靠空中接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)停止定位。且無法查看到轉(zhuǎn)掛小車的實(shí)時位置和攜帶駕駛室的車型信息。（3）九段式滑觸線與集電器長期保持滑動摩擦，集電器碳刷磨損嚴(yán)重，滑觸線表面存在大量碳粉，頻繁出現(xiàn)信號誤觸發(fā)情況。
3轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)解決方案
應(yīng)用無線以太網(wǎng)漏波電纜無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號的無線傳輸
3.1方案介紹
采用無線以太網(wǎng)控制方式，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。（1）主控柜采用西門子319PLC控制，通過以太網(wǎng)口與菲尼克斯PROFINET交換機(jī)相連，與無線發(fā)射模塊直接通信。主要處理主站與小車從站、工藝工位數(shù)據(jù)交換和生產(chǎn)線上其他數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。觸摸屏可以實(shí)時顯示小車的工藝狀態(tài)、位置等信息，并在故障時操作相應(yīng)的小車，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。（2）小車從站選用智能型PLC，通過接入PROFINET網(wǎng)絡(luò)，作為主控柜PLC的智能從站，實(shí)現(xiàn)主—從通信。小車上PLC主要控制小車的行走、吊具的開合等。車載PLC直接與隨車的無線接收模塊通信，無線接收模塊與無線發(fā)射模塊通過5G的漏波電纜通信，從而實(shí)現(xiàn)車載PLC和主控PLC的通信（圖2）。（3）考慮到目前2.4G的普遍性，為了防止信號干擾，此次改造中的無線發(fā)射和接收模塊都采用菲尼克斯的5G通信模塊WL5100。發(fā)射端的5G通信模塊直接連接到漏波電纜上，接收端的5G通信模塊天線直接跟隨小車行走在漏波電纜附近，確保無線信號的強(qiáng)度。
3.2條形碼定位應(yīng)用情況
（1）小車行走通過勞易測BPS348iSM100條碼定位系統(tǒng)進(jìn)行控制，讀碼器為PROFINET接口，定位精度達(dá)到±0.15mm。（2）采用條形碼方式定位后，小車可以實(shí)時的判斷自己的位置及其他小車的位置，能夠更加精確的控制行走及定位。（3）在讀寫區(qū)域內(nèi)有一個條形碼被讀到就可以確定小車的位置信息，大大增加了定位的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性（圖3）。
3.3漏波電纜技術(shù)介紹
（1）漏波電纜從外觀上面來看是一種電纜，它可以將無線信號延伸到所鋪設(shè)的位置，應(yīng)用時將漏波電纜沿?zé)o線設(shè)備運(yùn)動的軌跡鋪設(shè)，如沿小車行進(jìn)的軌道鋪設(shè)，同時將漏波電纜通過饋線與無線模塊相連，這樣無線模塊就通過漏波電纜將無線信號傳送到小車行進(jìn)的軌道周圍。行進(jìn)的小車上面安裝信號接收端，信號接收端和信號發(fā)射端的漏波電纜之間是沒有障礙物的存在的（圖4）。（2）由于距離非常近，空中衰減很小，接收的信號強(qiáng)度就會很好，無線的傳輸也就非常穩(wěn)定，在規(guī)定的9~13cm接收足夠強(qiáng)的無線信號，同時不會干擾和被干擾。（3）在空中自行小車線的應(yīng)用上，多種鋼結(jié)構(gòu)阻擋的車間等需要進(jìn)行無線通信的場合，采用漏波電纜會比采用普通天線有更穩(wěn)定的無線傳輸，同時由于無線傳輸穩(wěn)定了，數(shù)據(jù)包的不良率會降低，減少了不必要的數(shù)據(jù)重傳，無線也就會有更加快速的響應(yīng)速度（圖5）。（4）抱臂打開、合攏定位方式。目前車間抱臂打開、合攏依靠行程開關(guān)控制，當(dāng)車型增加時已沒有位置安裝相應(yīng)的開關(guān)?？紤]到此情況，此次改造采用激光測距儀來控制小車抱臂的開合位置，可以打破多種車型寬度數(shù)量限制，定位精度在±2mm內(nèi)。抱臂打開與合攏極限超程位選用行程開關(guān)限制。
4滑觸線分段控制和無線以太網(wǎng)控制的比較
原有轉(zhuǎn)掛小車均采用滑觸線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和動力供電，本次改造為了克服傳統(tǒng)滑線數(shù)據(jù)信息交互量受限、系統(tǒng)可靠性低及電氣安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)，采用當(dāng)前主流的無線以太網(wǎng)通信技術(shù)。
4.1信息交互無限量
通過無線以太網(wǎng)通信模塊的發(fā)射/接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)可以任意地增加所需要的控制信號，信息交互量不在受到限制。主控PLC可以將任意多的車型傳遞給空中自行小車、主控PLC可以給空中自行小車多種速度，使小車行走起來更平穩(wěn)，增加小車的使用壽命?？罩凶孕行≤嚳梢詫⒆陨砀嗟墓收蟼鬟f給主控PLC，從而便于更精確的查找問題。主控PLC和空中小車構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)滑觸線控制更多的功能。圖6為主控系統(tǒng)觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)小車位置實(shí)時監(jiān)控、小車參數(shù)即時設(shè)置。
4.2系統(tǒng)可靠性高
無線以太網(wǎng)控制方式取消了用于信號控制的滑觸線，僅留4極為空中小車提供電源?；€和碳刷的減少，避免了小車由于抓取工件上下抖動和碳刷接觸不良造成的信號丟失，以及碳刷長期與滑觸線摩擦，碳粉滯留在滑線分段處或者滑線上造成信號誤傳輸。采用無線以太網(wǎng)控制方式信息交互通過無線以太網(wǎng)模塊進(jìn)行交互，無需通過滑觸線和繼電器經(jīng)由電纜和主控PLC信息交互，大大減少系統(tǒng)的故障點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
4.3電氣安裝簡單
取消了用于信號交互的滑線，減少了大量的控制電纜安裝，以及滑線的分段處理。無線通信方式只需要沿軌道布置一根漏波電纜即可，數(shù)據(jù)信息通過安裝在自行小車上的無線以太網(wǎng)接收模塊和通過漏波電纜連接的無線以太網(wǎng)發(fā)射模塊進(jìn)行交互。無線以太網(wǎng)控制方式減少了自行小車隨車電控柜和主控柜大量的中間繼電器和IO（Input/Output，輸入/輸出）模塊的使用，使安裝、接線和維護(hù)簡單化。
4.4維護(hù)方便
采用無線以太網(wǎng)通信技術(shù)作為信息交互方式的控制系統(tǒng)，控制信號的電纜比傳統(tǒng)滑線信息交互方式減少了約90%，故障點(diǎn)大大減少，使系統(tǒng)的硬件連接更加簡單。小車故障可以實(shí)時反饋給主控PLC，便于快速的處理和解決。小車的動作由自己獨(dú)立控制，可以在主控柜觸摸屏上設(shè)置相應(yīng)小車的控制按鈕，當(dāng)小車出現(xiàn)故障時可以方便地將故障小車放置到維修段。
4.5經(jīng)濟(jì)效益
對于由控制系統(tǒng)構(gòu)成的生產(chǎn)線而言，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高生產(chǎn)線的停線率越低，經(jīng)濟(jì)效益越高。采用滑線控制的方式，故障主要集中在碳刷、滑線和繼電器等方面，通過無線以太網(wǎng)控制方式后，這方面的故障率大大降低，繼電器故障為零。
5移行輸送系統(tǒng)現(xiàn)存問題
涂裝車間共有38臺移行機(jī)，移行機(jī)的電源線和信號線全部布置在電纜拖鏈中，每個移行機(jī)有4根電源線，11根信號線，移行機(jī)形成平均長度15m。拖鏈中的電纜在連續(xù)使用4年后，經(jīng)統(tǒng)計有18臺移行機(jī)電纜磨損嚴(yán)重，開始頻繁出現(xiàn)因電纜線皮磨破導(dǎo)致移行機(jī)故障，拖鏈內(nèi)的線纜大部分已經(jīng)到使用壽命。
6移行輸送系統(tǒng)解決方案
（1）采用菲尼克斯電氣的整體無線藍(lán)牙通信模塊CBL-ATK-JF-WXCN01（1089615）作為信號無線傳輸裝置。原移行機(jī)上接近開關(guān)信號線通過防護(hù)箱內(nèi)接線端子連接到無線I/O模塊的數(shù)字量輸入端，該信號可通過無線傳輸?shù)降孛娣雷o(hù)箱的無線I/O模塊。（2）配置兩個IP65防護(hù)等級的箱體，其中一個防護(hù)箱安裝在移行機(jī)移動設(shè)備上，另外一個防護(hù)箱安裝在地面原有IP67IO模塊旁并以數(shù)字量輸出的方式輸出（圖7）。
7移行輸送系統(tǒng)信號有線與無線傳輸比較
（1）無線通信可靠穩(wěn)定傳輸I/O信號，解決了因電纜磨損導(dǎo)致的信號丟失問題，并且還具有安裝維護(hù)簡單方便的特性，便于后期維護(hù)。（2）每個模塊上均有LED（LightEmittingDiode，發(fā)光二極管）指示燈診斷無線連接質(zhì)量和狀態(tài)。（3）每個模塊具有16路開關(guān)量輸入輸出以及2通道模擬量輸入輸出0~10V或4~20mA，可與移行機(jī)上的傳感器和地面原有的IO模塊直接連接，無需編程。（4）數(shù)據(jù)的雙向傳送掃描周期小于10ms，滿足高頻率應(yīng)用場合。（5）無線模塊具備強(qiáng)防干擾能力，相互之間不會干擾，能夠在車間現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行，不受環(huán)境干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。（6）所有IO信號及電源線通過防護(hù)箱外部的快速接口進(jìn)行連接，接口形式為M12ACODE接頭，方便后期信號的增減。（7）無需任何軟件組態(tài)，通電即可完成通信配對，其運(yùn)行時也不需任何許可證。
8結(jié)束語
無線以太網(wǎng)漏波電纜通信與藍(lán)牙通信在轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)與移行輸送系統(tǒng)的應(yīng)用，為其他運(yùn)動型裝備的信號傳輸提供了可借鑒的無線化解決方案。通過在涂裝車間應(yīng)用無線通信技術(shù)，減少了信號傳輸介質(zhì)的使用，為打造綠色、環(huán)保、節(jié)約型車間提供了裝備基礎(chǔ)。信號的穩(wěn)定傳輸，既提高了車間的設(shè)備可動率，為車間高質(zhì)量按時完成生產(chǎn)任務(wù)提供了保障，又可打破傳輸信號數(shù)量的限制，提高車間裝備的自動化水平與混線生產(chǎn)能力。通過應(yīng)用無線通信技術(shù)，為打造敏捷型、高柔型和智能型工廠奠定了裝備基礎(chǔ)；通過采用高自動化、高信息化的先進(jìn)措施，打造超級工廠、智能工廠，為推進(jìn)“中國制造2025”做出行業(yè)典范。
參考文獻(xiàn)
［1］廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)（第4版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：241-254.
作者：路垚 韓兆進(jìn) 劉潤東 左柯 單位：一汽解放青島汽車有限公司
