榮艷超

（北京奔馳汽車(chē)有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字、互聯(lián)成為推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)力，也推動(dòng)制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平不斷提高。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為制造業(yè)重要一員，生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)也更加自動(dòng)化、智能化。汽車(chē)生產(chǎn)四大工藝中，焊裝涉及設(shè)備工藝種類(lèi)眾多，機(jī)器人、冷連接、熱連接、輸送、工裝等，不同類(lèi)型設(shè)備用電需求不同，在自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)供配電系統(tǒng)也提出更高的要求。以北京奔馳MFA 焊裝車(chē)間工藝供配電系統(tǒng)為例，探討電氣自動(dòng)化在保護(hù)、監(jiān)測(cè)與控制方面的應(yīng)用[1]。

1 焊裝車(chē)間工藝配電簡(jiǎn)介

MFA 焊裝車(chē)間電源由廠區(qū)電站經(jīng)10 kV 電纜輸送到車(chē)間內(nèi)10 kV 開(kāi)閉站，經(jīng)變壓器后到各低壓配電室，根據(jù)不同線體用電需求，從低壓配電室相應(yīng)端口取電。根據(jù)戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域負(fù)載設(shè)計(jì)用電大于315 A，直接從配電室取電，負(fù)載設(shè)計(jì)用電小于315 A，集中從一條大容量工藝母排取電。一條工藝母排預(yù)留多個(gè)接口，通過(guò)插接箱內(nèi)斷路器連接到現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域主電柜。

至此，工藝設(shè)備供電到達(dá)一個(gè)具體區(qū)域，通常，一個(gè)區(qū)域的配電結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備類(lèi)型決定，以一個(gè)類(lèi)型全面的區(qū)域?yàn)槔?，從插接箱引出一組三相五線制電源線，將電輸送到焊接柜H001，H001 柜內(nèi)將電分為兩路，一路用于分配三相380 V 焊接電，另一路將電源輸送到電能分配柜H011，H011 柜作為配電主體，根據(jù)不同需求將電能分配給PLC 柜H101、24 V電柜H111、機(jī)器人、涂膠、螺柱焊、變頻器等設(shè)備，焊裝車(chē)間工藝設(shè)備供配電系統(tǒng)如圖1 所示，其中，如果某個(gè)區(qū)域不涉及焊接用電，則母排直接給電能分配柜H011 供電。24 V 電柜H111 作為區(qū)域控制電分配柜，將輸入的380 V 三相電轉(zhuǎn)換為24 V 電，并為現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)工藝設(shè)備提供24 V。整套供配電系統(tǒng)相關(guān)信號(hào)通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)在PLC 程序中進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，在自動(dòng)化生產(chǎn)條件下，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的電氣自動(dòng)化。

圖1 焊裝車(chē)間工藝設(shè)備供配電圖

2 380 V 配電的保護(hù)、監(jiān)測(cè)與控制

2.1 380 V 逐級(jí)保護(hù)

配電系統(tǒng)中的繼電保護(hù)、熔斷保護(hù)可快速切除故障線路，保證健全區(qū)域的供電[2]，在焊裝車(chē)間配電系統(tǒng)中，每一級(jí)、每一路電源的輸出，均配有相關(guān)斷路器或熔斷保險(xiǎn)。

電源由低壓配電室到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)首先經(jīng)過(guò)母排插接箱，內(nèi)部斷路器為施耐德NSX400H，脫扣器額定值為400 A，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)級(jí)別保護(hù)：瞬時(shí)保護(hù)整定值Ii為4800 A；長(zhǎng)延時(shí)電流整定值9 檔可調(diào)，為0.9 到1 倍的額定值；短延時(shí)電流整定9 檔可調(diào)，為1.5 到10 倍的長(zhǎng)延時(shí)電流整定值。通過(guò)插接箱內(nèi)斷路器可分?jǐn)鄰墓に嚹概湃‰姷膮^(qū)域，確保健全區(qū)域供電。在H001 柜內(nèi)，電源首先經(jīng)過(guò)QB1 熔斷保險(xiǎn)，一路通過(guò)QA1 馬達(dá)斷路器，再經(jīng)各分支保險(xiǎn)給相應(yīng)設(shè)備供焊接電，此路為PEC（Power Efficiency Control）后380 V，另一路經(jīng)過(guò)QB2 保險(xiǎn)后將電能輸送到H011 柜。H011 柜進(jìn)電首先經(jīng)過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)QA1，可以人工上電斷電，H011 柜作為配電主體，為其他用電設(shè)備配電，其中一路通過(guò)QA2 馬達(dá)斷路器，即PEC 后380 V，經(jīng)各分支保險(xiǎn)給螺柱焊、變頻器等提供380 V動(dòng)力電，另一路直接經(jīng)各分支保險(xiǎn)給PLC 柜H101、24 V 電柜H111、機(jī)器人等供電，380V 配電系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 380V 配電圖

2.2 電能數(shù)據(jù)監(jiān)控

在H001 柜進(jìn)電口QB1 保險(xiǎn)后，安裝有一套電能數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置，通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給PLC，并在Integra 界面進(jìn)行顯示，用于實(shí)時(shí)獲取區(qū)域用電狀態(tài)。

電能數(shù)據(jù)監(jiān)控主體是西門(mén)子SENTRON PAC3200多功能測(cè)量?jī)x，可進(jìn)行精確電能計(jì)量，并可顯示配電系統(tǒng)的多個(gè)測(cè)量變量，例如電壓、電流、功率、有功功率、頻率以及最大值、最小值和平均值。PAC3200 作為PLC 的一個(gè)站，通過(guò)Profinet 網(wǎng)絡(luò)將采集的電流、電壓反饋給PLC，通過(guò)戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)FC4028 塊，可整合到電能管理系統(tǒng)之中，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)通過(guò)FC4028 的標(biāo)準(zhǔn)背景數(shù)據(jù)塊進(jìn)行收集和存儲(chǔ)，當(dāng)前電能參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，PAC3200 電能監(jiān)如圖3 所示。

圖3 PAC3200 電能監(jiān)控

2.3 380 V 配電控制

在MFA 焊裝車(chē)間電能分配中，涉及一個(gè)電能效率控制概念，即PEC。如圖1 所示，PEC 后380 V 供電指在馬達(dá)斷路器之后輸出的380 V 電能，馬達(dá)斷路器指H001 柜內(nèi)的QA1，H011柜內(nèi)的QA2，該馬達(dá)斷路器除作為線路保護(hù)存在，將開(kāi)閉狀態(tài)信號(hào)反饋給PLC，另外，還可受PLC 控制實(shí)現(xiàn)接通、斷開(kāi)，以達(dá)到在非生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約電能的目標(biāo)，該馬達(dá)斷路器為EATON 斷路器，由兩部分組成；一是斷路部分，主要實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能；二是馬達(dá)控制部分，實(shí)現(xiàn)PLC 遠(yuǎn)程控制通斷。PLC 邏輯控制由戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)塊FC64、FC297、FC15 以及FC4027 實(shí)現(xiàn)，馬達(dá)斷路器控制如圖4 所示。

圖4 馬達(dá)斷路器控制

馬達(dá)斷路器通斷控制信號(hào)來(lái)源有兩種，程序由戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)FC64 塊及背景數(shù)據(jù)塊DB 實(shí)現(xiàn)：一是當(dāng)系統(tǒng)選擇處于（Local）本地模式，可通過(guò)人工點(diǎn)擊HMI 人機(jī)交互畫(huà)面上電/斷電按鈕實(shí)現(xiàn)；二是當(dāng)系統(tǒng)選擇處于（Remote）遠(yuǎn)程模式，即上位機(jī)控制，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)塊FC64 的背景數(shù)據(jù)塊DB 實(shí)現(xiàn)，一次性可存儲(chǔ)8 組數(shù)據(jù)。

FC297 塊用于實(shí)現(xiàn)PEC 通斷功能的邏輯控制，該控制以線體處于停止且不在運(yùn)行程序段為前提，即循環(huán)停止到達(dá)。當(dāng)FC297 發(fā)出控制電壓On/Off 信號(hào)后，F(xiàn)C15 接收并控制一個(gè)常閉輔助接觸器以及上電/斷電信號(hào)指示燈。結(jié)合輔助FC4027 塊，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)斷路器的通斷控制，在沒(méi)有生產(chǎn)的情況下，可遠(yuǎn)程控制起到保護(hù)和節(jié)能的功能。

3 24 V 控制電的保護(hù)、監(jiān)測(cè)與控制

3.1 24 V 控制電的應(yīng)用

正常條件下，車(chē)間內(nèi)設(shè)備是在PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制與反饋的，即設(shè)備的通信不能斷，除了380 V 用電外，會(huì)單獨(dú)供給24 V 控制電，確保為實(shí)現(xiàn)節(jié)能斷焊接電和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電時(shí)，設(shè)備維持基本運(yùn)行且不會(huì)中斷PLC 通信，如焊接柜，在馬達(dá)斷路器關(guān)斷后，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接正常。除機(jī)器人、焊接系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等，現(xiàn)場(chǎng)有很多設(shè)備不需要380 V 焊接電以及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電，只提供24 V 電即可，如工裝閥島、安全門(mén)鎖等。

24 V 電由區(qū)域電柜H111 分配，如圖1 所示，24 V 電柜H111 電源來(lái)自H011 電柜主開(kāi)關(guān)后380 V，經(jīng)柜內(nèi)變壓器將380 V 轉(zhuǎn)為24 V，為區(qū)域內(nèi)設(shè)備提供所有24 V 電，柜內(nèi)通過(guò)一組LOCC BOX 實(shí)現(xiàn)電源的分配、保護(hù)與監(jiān)控，H111 柜內(nèi)24V 及LOCC BOX 結(jié)構(gòu)如圖5 所示，一組LOCC BOX 包含LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)和供電單元，Gateway 網(wǎng)關(guān)以及附屬零件組成，一組最多可安裝84 個(gè)LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)提供一路獨(dú)立24 V 電，供電單元為 LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)提供電源，網(wǎng)關(guān)用于分配和傳遞數(shù)據(jù)，包含USB 接口和Profinet 接口。

圖5 H111 柜內(nèi)24V 及LOCC BOX 結(jié)構(gòu)

出于安全考慮，對(duì)于一組24 V 用電，包含一路不受控24 V 電US1 和一路受控24 V電US2。不受控24 V 電直接由LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)供給，不受邏輯控制；受控24 V 電受現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)及安全條件等影響，經(jīng)PLC 程序運(yùn)算后，由ET200S 安全模塊輸出，ET200S 安全模塊供電由LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)提供。區(qū)分不受控24 V 和受控24 V 是為了確保安全，即PLC 安全邏輯條件不滿足，則無(wú)安全24 V 電US2，在只有24 V電US1 時(shí)，用電設(shè)備通信正常，但負(fù)載不執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員安全。

3.2 過(guò)載短路保護(hù)

每個(gè)LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)有一個(gè)LED 指示燈和一個(gè)手動(dòng)開(kāi)/關(guān)按鈕，另外，LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)有兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)節(jié)旋鈕，一個(gè)用于電流調(diào)節(jié)，電流值1～10 A可調(diào)，每次調(diào)整1 A，為該節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)的設(shè)定額定電流；另一個(gè)用于反應(yīng)特性調(diào)節(jié)，即對(duì)電流變化做出反應(yīng)的速度，5 檔可調(diào)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)具有獨(dú)立的過(guò)載短路保護(hù)功能，當(dāng)LED 指示燈綠色常亮，表示打開(kāi)，正常輸出電能；當(dāng)LED 指示燈紅色常亮，表示關(guān)閉；當(dāng)指示燈綠色閃爍，表示該支路過(guò)載；當(dāng)指示燈紅色1 Hz 慢速閃爍，表示該支路過(guò)電流短路；當(dāng)指示燈紅色5 Hz快速閃爍，表示節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)模塊故障。當(dāng)其中一路出現(xiàn)過(guò)載、短路或系統(tǒng)故障時(shí)，該路報(bào)警，電能輸出中斷，其余各支路正常，保證健全支路的設(shè)備供電。

3.3 監(jiān)測(cè)與控制

LOCC BOX 各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制，網(wǎng)關(guān)包含USB 和Profinet 兩種接口，LOCC BOX 監(jiān)測(cè)與控制如圖6 所示，通過(guò)USB 接口可連接安裝LOCC Pads 軟件的電腦，對(duì)LOCC BOX 做初始操作和配置，并實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)；通過(guò)Profinet 接口連接到可編程PLC，結(jié)合戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)塊FC4036 實(shí)現(xiàn)LOCC BOX 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)與控制。

圖6 LOCC BOX 監(jiān)測(cè)與控制

通過(guò)網(wǎng)關(guān)Profinet 接口連接PLC，可對(duì)LOCC BOX 監(jiān)測(cè)和控制。PLC 程序中戴姆勒標(biāo)準(zhǔn)塊FC4036 處理各節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)信息，最多可一次處理48 個(gè)，并通過(guò)FC16 可擴(kuò)展。第一，通過(guò)FC4036 可監(jiān)控各保險(xiǎn)狀態(tài)，單個(gè)保險(xiǎn)關(guān)斷或者跳閘后有相應(yīng)報(bào)警信息；第二，在當(dāng)前沒(méi)有過(guò)載和短路情況下，瞬時(shí)跳閘的保險(xiǎn)可通過(guò)PLC 的復(fù)位信號(hào)重新開(kāi)啟；第三，每個(gè)保險(xiǎn)有一個(gè)狀態(tài)字和一個(gè)模式字，用戶可通過(guò)PLC 開(kāi)啟和關(guān)閉一個(gè)保險(xiǎn)。

也可以使用網(wǎng)關(guān)USB 接口連接電腦，通過(guò)軟件LOCC Pads 實(shí)現(xiàn)整體模塊監(jiān)測(cè)與控制。軟件可顯示所有節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)，另外節(jié)點(diǎn)的設(shè)置狀態(tài)、工作狀態(tài)、特性狀態(tài)、累加計(jì)時(shí)狀態(tài)，以及當(dāng)前的實(shí)時(shí)電流和電壓均可進(jìn)行顯示，通過(guò)相應(yīng)的On/Off 按鈕可遠(yuǎn)程打開(kāi)和關(guān)斷任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)保險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從MFA 焊裝車(chē)間實(shí)際應(yīng)用情況看，在工藝設(shè)備供配電系統(tǒng)中，通過(guò)電氣自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制的功能，這些依賴于高級(jí)傳感和測(cè)量元器件、廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及專(zhuān)業(yè)的管理軟件，體現(xiàn)科技進(jìn)步提升制造車(chē)間的自動(dòng)化[3]。

現(xiàn)階段的監(jiān)測(cè)、控制是部分程度的自動(dòng)化，隨著技術(shù)的革新，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配電實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)控、自動(dòng)化操作，并可在服務(wù)器上顯示與操控，不僅可以提高效率，降低人工巡視檢查成本，而且對(duì)于設(shè)備的管理和維修維護(hù)帶來(lái)很大方便。

應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新相輔相成，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)制造業(yè)自動(dòng)化、智能化飛速發(fā)展，同時(shí)，通過(guò)實(shí)踐及反饋，技術(shù)改革創(chuàng)新需求也對(duì)新科技、新技術(shù)的探索提供強(qiáng)大的推動(dòng)力，增強(qiáng)對(duì)于智能供配電的探索。