路 垚，韓兆進，劉潤東，左 柯

（一汽解放青島汽車有限公司，山東青島 266200）

0 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)運動機械化輸送類裝備。上述裝備原有動力與信號傳輸方式已無法滿足實際需求，急需進行升級改造。

3 套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)分為PVC（Polyvinyl Chloride，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。

表1 3 套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)的主要參數(shù)及說明

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，可以實現(xiàn)抱臂6 點數(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)實現(xiàn)停止定位。且無法查看到轉(zhuǎn)掛小車的實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。

圖1 系統(tǒng)框架

（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，從而實現(xiàn)車載PLC 和主控PLC 的通信（圖2）。

圖2 主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件

（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，確保無線信號的強度。

3.2 條形碼定位應(yīng)用情況

（1）小車行走通過勞易測BPS 348i SM 100 條碼定位系統(tǒng)進行控制，讀碼器為PROFINET 接口，定位精度達到±0.15 mm。

（2）采用條形碼方式定位后，小車可以實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)定性與準確性（圖3）。

圖3 條形碼結(jié)構(gòu)

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)備運動的軌跡鋪設(shè)，如沿小車行進的軌道鋪設(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的軌道周圍。行進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）。

圖4 漏波電纜與接收器

（2）由于距離非常近，空中衰減很小，接收的信號強度就會很好，無線的傳輸也就非常穩(wěn)定，在規(guī)定的9～13 cm 接收足夠強的無線信號，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）。

圖5 讀碼器、條形碼和接收器

（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±2 mm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，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，可實現(xiàn)小車位置實時監(jiān)控、小車參數(shù)即時設(shè)置。

圖6 主控系統(tǒng)觸摸屏

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，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、接線和維護簡單化。

4.4 維護方便

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%，故障點大大減少，使系統(tǒng)的硬件連接更加簡單。小車故障可以實時反饋給主控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，移行機的電源線和信號線全部布置在電纜拖鏈中，每個移行機有4 根電源線，11 根信號線，移行機形成平均長度15 m。拖鏈中的電纜在連續(xù)使用4年后，經(jīng)統(tǒng)計有18 臺移行機電纜磨損嚴重，開始頻繁出現(xiàn)因電纜線皮磨破導(dǎo)致移行機故障，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牙通信模塊CBL-ATK-JFWXCN01（1089615）作為信號無線傳輸裝置。原移行機上接近開關(guān)信號線通過防護箱內(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箱的無線I/O 模塊。

（2）配置兩個IP65 防護等級的箱體，其中一個防護箱安裝在移行機移動設(shè)備上，另外一個防護箱安裝在地面原有IP67 IO 模塊旁并以數(shù)字量輸出的方式輸出（圖7）。

圖7 設(shè)備連接示意

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簡單方便的特性，便于后期維護。

（2）每個模塊上均有LED（Light Emitting Diode，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0～10 V 或4～20 mA，可與移行機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10 ms，滿足高頻率應(yīng)用場合。

（5）無線模塊具備強防干擾能力，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箱外部的快速接口進行連接，接口形式為M12 A CODE 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、高信息化的先進措施，打造超級工廠、智能工廠，為推進“中國制造2025”做出行業(yè)典范。