袁久舟，王 冶

（上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266555）

0 引言

上汽通用五菱青島基地目前有A、B、C 三條生產線，隨著產品的多樣化需求，多種新車型相繼加入生產，現(xiàn)有設備無法滿足整體產能，實際生產過程中設備電氣化的老舊、改善遺留的線束、圖紙混亂等造成停線率較高，是影響產能輸出的主要因素。由于近年電氣自動化的迅速發(fā)展，老舊的電氣設備已經被市場所淘汰，關鍵配件缺失，導致維修成本過高。老舊的設備已失去了維修價值，不能體現(xiàn)公司“低成本，高價值”的核心價值觀。

1 現(xiàn)設備控制系統(tǒng)概述

總裝車間BDC 平臺車身存儲區(qū)車身來自于涂裝車間，PLC主站GuardLogix 控制器下DNB 模塊與SEW 變頻器通過總線通信，實現(xiàn)現(xiàn)場機運設備的運轉?；藬y帶車身進入平臺前，首先通過射頻識別（Radio-Frequency Identification，RFID）讀寫頭讀出滑撬編號，清除RFID 電子標簽內的VSN 車身碼（清除滑撬上一次攜帶的VSN 車身碼），然后將自動掃碼槍掃描的VSN車身碼寫入電子標簽內，此車身信息將隨滑撬進入車身存儲區(qū)。設備布局如圖1 所示，線框區(qū)域設備為此次改造部分。

圖1 設備布局

控制器根據存儲區(qū)內的車身信息劃分車型、屬線，并將滑撬編號、屬線、車型及訂單號顯示在CIMPLICITY 控制監(jiān)控系統(tǒng)中，由PLC 程序控制將車身分配到A、B 或C 線，人員根據生產計劃參與干預，由HDY-2 設備根據屬線將車身上線，設備控制流程如圖2 所示。

圖2 設備控制流程

2 設備現(xiàn)狀

A、B 線車身輸送設備是2008 年以前完工的一期項目，距今已有13 年，多數SEW 變頻器、動力線纜及控制總線都已達到使用年限，使用中故障頻繁，嚴重影響產能輸出，主要存在以下4 個問題：

（1）A、B 線車身輸送設備變頻器在同一個DNB 模塊下，報警后同時影響A、B 線車身輸出。

（2）生產過程中變頻器功率模塊、通信模塊頻繁損壞，總線問題頻出，致使DNB 報警節(jié)點丟失及BUSOFF。

（3）SEW 變頻器維修成本高，配件采購周期長。

（4）現(xiàn)場已經過多次改動，線束走向混亂，故障排查困難。

3 項目改造目標

（1）使用三菱變頻器端子控制替代SEW 變頻器總線控制電機運行。

（2）利用現(xiàn)有PLC 主站的ENB 以太網模塊配置AB-1734 AENTR POINT I/O 子站PLC 控制變頻器運行，同時采集設備檢測開關、維修開關及變頻器反饋信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

（3）為使驗證過程不影響產能輸出，具備SEW 變頻器和三菱變頻器雙控功能，可直接切換至SEW 變頻器控制，以防驗證過程中三菱變頻器出現(xiàn)問題。

（4）A、B 線上線點設備使用雙子站分開控制，避免故障后彼此影響。

（5）項目改造驗證完成后，完善8 段（槽）DNB 報警，在DNB中刪除原SEW 變頻器節(jié)點，只保留在用設備，防止遺留報警影響故障原因判斷。

4 項目改造方案及關鍵技術

4.1 SEW 一體式變頻器與三菱變頻器控制比對

4.1.1 SEW 變頻器介紹

SEW 變頻器主要由主模塊、MFD32 模塊（通信模塊）和MOVIMOT 變頻模塊（功率模塊）等部分組成（圖3）。

圖3 SEW 一體式變頻器

（1）主模塊：主要功能是與外線及電機連接，包括電源線、控制線及通信總線。

（2）頻率調整旋鈕：項目變頻器最高頻率設定為100 Hz（撥輪開關撥至“10”）。

（3）功率模塊：用于整流逆變等功能的實現(xiàn)，使用時變頻器功率必須與電機功率一致，即功率模塊銘牌與電機銘牌參數一致。

（4）動力線輸出：變頻器與電機間的10 芯連接線（包括電機動力線、抱閘線及熱敏電阻線）。

（5）總線進入：DNB 模塊與變頻器之間的9 芯通信線（除通信線外，還包括兩組24 V 電源：安全24 V 和SEW 變頻器供電）。

（6）信號輸入點：共6 個，可用于到位、減速等信號的輸入。

（7）通信模塊：變頻器的總線接口模塊，為變頻器與系統(tǒng)的DNB 模塊建立通信。

（8）動力線進入：電機動力電源4 芯。

（9）維修開關：切斷380 V 動力電，用于作業(yè)時的能量鎖定。

SEW 變頻器采用總線控制，通過PLC 程序直接控制變頻器輸出，并且變頻器運行狀態(tài)實時反饋至PLC，變頻器自帶6 個輸入點，用于設備信號的采集。SEW 變頻器接入DeviceNet 總線后，通過RSlogix 軟件中的RSNetWorx for DeviceNet 軟件進行組態(tài)，在SEW 官網下載對應的EDS 文件來識別硬件，同時下載對應的UDT（用戶自定義數據類型）便于PLC 編程控制使用。HDG-14 設備的數據類型，SEW 變頻器輸入、輸出控制標簽說明如圖4、圖5 所示。

圖4 SEW 變頻器輸入信號

圖5 SEW 變頻器輸出信號

4.1.2 三菱變頻器介紹

三菱變頻器主要產品有500、700 及800等系列，每個系列有A、D、E、F、S 等型號，目前市場上使用最多的是A700、D700、E700 及F700。根據使用要求、場合及電機容量選型變頻器，此項目共涉及9 臺電機，均為0.75 kW，故使用FR-E740-0.75KW-CHT 變頻器。實際使用過程中變頻器容量可大于電機容量，通過參數調整實現(xiàn)匹配。項目中的三菱變頻器利用端子控制，使用PLC 輸出點直接控制變頻器輸入端子，從而控制變頻器的轉向和速度，同時把變頻器運行狀態(tài)通過輸出端子反饋到PLC 輸入端子，其相關運行數據及參數會通過變頻器顯示屏體現(xiàn)。

4.2 變頻器替代方案

4.2.1 維修開關替代

SEW 變頻器維修開關斷電后，即變頻器380 V 動力電斷電，同時PLC 內部“I.Ready”標簽會置0，反饋變頻器通斷電狀態(tài)。而三菱變頻器自身無維修開關，故需要額外增加斷路器控制變頻器斷電，并增加斷路器輔助觸點反饋斷路器通斷電狀態(tài)。

4.2.2 變頻器輸出信號替代

SEW 變頻器頻率輸出由PLC 內部O.SpecialVFD 標簽提供頻率輸出給電機，頻率為正值時電機正轉，負值時反轉；頻率輸出過程中I.Enabled 標簽會置1，反饋變頻器處在運行狀態(tài)，運行中的加減速時間由“O.Ramp”標簽給予。而三菱變頻器頻率由RH（高速）、RM（中速）、RL（低速）接線端子給予，轉向由STF（正轉）、STR（反轉）接線端子給予；頻率輸出過程中FU（頻率檢測）接線端子與輸出公共端SE 形成置1 信號，加減速時間由面板設置參數給予（具體參數設置，參見三菱變頻器E700 用戶使用手冊）。FU頻率檢測輸出端子可通過P42（正轉）、P43（反轉）進行頻率設定，運行頻率超過設定值FU 端子置1；一般應用在控制電機抱閘吸合，特別是升降設備，為了防止變頻器沒有頻率或低頻率導致設備失速墜落，往往根據載重設置一個合適的頻率，運行頻率到達設定值后控制抱閘打開，消除升降設備失速墜落的隱患。

4.2.3 電機抱閘控制替代

SEW 變頻器內部集成整流模塊，PLC 內部控制O.BrakeRelease 標簽置1 后，能直接輸出直流電控制電機抱閘線圈，實現(xiàn)電機制動；三菱變頻器內部沒有整流模塊，需要外加整流模塊控制抱閘線圈。改造中，使用PLC 輸出點控制變頻器輸出時，PLC也同時輸出控制抱閘接觸器線圈吸合，由接觸器主觸頭給整流模塊供電，從而控制抱閘吸合打開，使電機運行。電機停止和運行時，抱閘接觸器輔助觸頭反饋給PLC 輸入點告知自身閉合狀態(tài)，以保證變頻器頻率輸出與抱閘開閉的同步。

SEW 抱閘一般為AC 150～400 V 供電，個別為DC 24 V 供電。SEW 整流塊與抱閘的接線：1、3、5 接抱閘線圈的白、紅、藍；2、3 接交流電源（圖6）。注意：變頻控制的輸入電源不能直接從電機接線端子取電給整流塊。

圖6 抱閘接線

4.2.4 變頻器運行故障反饋替代

SEW 變頻器運行故障時，PLC 內部I.FaultWarn 標簽會被置1，同時在“I.FaultCode”標簽中顯示故障代碼，從而精準反饋具體報警內容，具體報警內容根據代碼查看SEW 變頻器用戶使用手冊；三菱變頻器運行故障后，會將變頻器輸出端子A、C 置1，B、C 置0，報警代碼會在變頻器顯示屏上顯示，根據報警代碼在三菱變頻器用戶使用手冊中查找具體報警內容。

4.2.5 信號輸入點、輸出點的替代

SEW 變頻器輸出及反饋均由PLC 通過總線控制傳送、接收信號，且SEW 變頻器自帶信號輸入點（I.DI0～I.DI5 共6 個），用于采集現(xiàn)場設備狀態(tài)信號，如滾床占位、減速、到位等；三菱變頻器輸入、輸出端子必須與PLC 輸出、輸入配合形成閉環(huán)控制，因此項目中增加了以太網遠程AB-1734 AENTR POINT I/O 子站，并將其PLC 輸入點配合電子接線盒安裝到設備區(qū)域使用，以便提高現(xiàn)場應用的便利性。

4.2.5.1 IO 分配

根據IO 分配表計算所需IO 模塊數量（每個模塊8 個點），并有輸入、輸出預留點，以備后期增加功能使用，設備IO 分配見圖7、圖8。RCP_A 電控柜9 個輸入模塊，5 個輸出模塊；RCP_B電控柜8 個輸入模塊，4 個輸出模塊

圖7 RCP_A 電控柜IO 分配表

圖8 RCP_B 電控柜IO 分配表

4.2.5.2 AB-1734 AENTR POINT I/O 子站PLC 配置方法

PLC 是一種用于自動化控制的數字運算控制器，可將用戶程序進行儲存與執(zhí)行。可編程控制器由中央處理器CPU、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、數字模擬轉換等功能單元組成。本項目采用AB 品牌的PLC，主站硬件基本結構如圖9 所示。

圖9 GuardLogix 主站硬件基本結構

ENB 作為通信模塊，在控制系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色：往上，它是PLC 與上位之間通信的中介；往下，它是現(xiàn)場設備的中間管理者。通信模塊是上位機、下位機及各模塊與PLC實現(xiàn)通信的橋梁，項目使用中1756-EN2T 模塊實現(xiàn)主站PLC 與AB-1734 AENTR POINT I/O 子站（圖10）。

圖10 AB-1734 AENTR POINT I/O 子站

DeviceNet 類似于EtherNet/IP 和ControlNet 的另一種通信協(xié)議，可選擇125 kbps、250 kbps 及500 kbps 三種波特率，每個PLC 機架下可以使用多個DNB 主站，單一DNB 主站最多有64個節(jié)點，節(jié)點地址（在DeviceNet 中稱為MAC ID）由0 到63，DNB 模塊本身占用1 個節(jié)點，即單一DNB 主站下最多可以掛63 個設備，可以在高噪聲的環(huán)境下使用。項目中1756-DNB/E模塊作為主站PLC 與SEW 變頻器間的通信橋梁。

（1）AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的IP 地址設置。

方法1：適配器首先會讀取撥碼開關，以確定撥碼開關是否設置有效，可以通過3 位拇指開關設置IP 節(jié)點地址，按“+”或“-”鍵可以更改，有效設置范圍從001～254，當設置了一個有效數字時，適配器IP 地址是192.168.1.×××（其中×××表示適配器設置的數字）。

方法2：使用動態(tài)主機配置協(xié)議DHCP 服務器，適配器設置為無效數字（即000 或大于254）自動啟用DHCP，打開Rockwell Automation BootP/DHCP Server 軟件進行設置，如圖11 所示。

圖11 BootP DHCP Server 軟件IP 設置

撥碼開關用于設置以太網適配器模塊IP 地址，默認網段為：192.168.1.×××（即192.168.1.1～192.168.1.254），如若使用其他網段IP 地址需將撥碼撥至無效數字，并使用BOOTP-DHCP Server 軟件掃描設備MAC 地址，在沒有IP 地址沖突的情況下，可通過軟件隨意設置IP，無論是使用撥碼開關設置還是使用軟件設置，設置前適配器及電源模塊必須供電，并將設備使用以太網線與電腦相連，且必須保證所設IP、電腦與主站ENB 模塊在同一網段內。若使用了舊模塊，遺失了IP 地址，可將適配器模塊通電狀態(tài)下將撥碼撥至“888”，斷電后上電，將其恢復出廠設置即可。

（2）AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的組態(tài)配置。打開RS logix5000 編程軟件，UpLoad 上傳最新PLC 程序到電腦，程序下線后開始組態(tài)模塊。組態(tài)前需要根據版本、型號在羅克韋爾官方網站下載AOP（Add On Profiles，附加配置文件：用于組態(tài)和配置硬件模塊，為項目中配置設備節(jié)省時間）及EDS（Electronic Date Sheets，電子數據表：配置工具中使用的文本文件，可幫助識別硬件產品，實現(xiàn)輕松調試）配置文件。

以RCP_A 柜內子站模塊為例，首先進行適配器組態(tài)，ENB 模塊位于主站的第11 槽，AB-1734 AENTR Point I/O 適配器本身要占用Point I/O 框架的一個槽位，Chassis Size 等于實際控制器I/O模塊數加上1（圖12），Chassis Size=15 則最多可以組態(tài)14 個I/O模塊，適配器永遠在0 槽上，且版本設置必須與硬件一致。

圖12 AB-1734 AENTR POINT 適配器組態(tài)

其次，根據硬件版本、型號及槽位逐個進行I/O 模塊的組態(tài)如圖13 所示。

圖13 AB-1734 AENTR POINT IO 模塊組態(tài)

組態(tài)完成后將程序DownLoad 下載到PLC 中，下載過程中PLC 會停止運行，DownLoad 下載完成后，所配置的所有Point I/O 模塊上都有黃色警示符號，指示模塊上有故障出現(xiàn)，打開Connection 頁面查看故障信息，發(fā)現(xiàn)雖然已經設置了模塊的框架大小為15，但適配器仍只記住了默認值1，需要手動在線改變框架大小，使之前的設置生效（圖14）。打開Chassis Sice 頁面，點擊Set Chassis Sice Module 后就完成了設置，Point I/O 模塊上的黃色警示符號也同步消失，表示模塊組態(tài)成功。

圖14 AB-1734 AENTR POINT IO 模塊機架使能

（3）AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的程序監(jiān)控如圖15 所示。

圖15 AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的硬件狀態(tài)

標簽ENET_BDC01.ENetCommOK 為主站ENB 模塊通信狀態(tài)，通信正常為1，異常為0，是子站通信狀態(tài)的必要條件。程序中使用GSV 指令獲取AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的適配器硬件狀態(tài)，并將狀態(tài)結果寫入BDC01_RCP_A_Diag.AdapterStatus（數據類型INT）標簽中，其等于0 時BDC01_RCP_A_Diag.CommOK 置1，表示AB-1734 AENTR POINT I/O 子站適配器硬件正常；其后，使用BTD 位于分配指令將組態(tài)后自動生成的RCP_A：I.SlotStatusBits0_31（數據類型DINT）標簽中14 個IO 模塊（RCP_A 柜9 個輸入模塊，5 個輸出模塊）的硬件狀態(tài)寫入BDC01_RCP_A_DiagFault（數據類型DINT），其等于0 時，RCP_A.CommOK 置1，表示AB-1734 AENTR POINT I/O 子站IO 模塊硬件正常，AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的適配器硬件狀態(tài)是其IO 模塊硬件狀態(tài)的必要條件。

5 三菱變頻器與PLC 的接線及控制方案

三菱變頻器默認設置為漏型邏輯，而此PLC 屬于源型輸入、輸出，需在變頻器斷電情況下，將變頻器設置成源型邏輯，即將其漏型邏輯（SINK）上的跨接器轉換至源型邏輯（SOURCE）上，否則不可將PLC 輸出端子直接接到變頻器輸入端子上使用。也可將PLC 輸出給中間繼電器，由中間繼電器觸點將信號轉變成開關量來控制變頻器。以RCP_A 柜HDG-14PRB 變頻器為例（圖16），其他設備變頻器接線均相同。

圖16 三菱變頻器接線

設備自動控制的PLC 程序與原程序是一致的，只有輸入、輸出信號的切換。如圖17、圖18 所示，第一段程序，RCP_A.CommOK 為1 時表示AB-1734 AENTR POINT I/O 子站的硬件正常，通過COP 指令將輸入、輸出模塊硬件自動生成的標簽實時復制到RCP_A（自定義UDT 數據類型）；反之，RCP_A.CommOK為0 時表示子站硬件異常，通過FLL 指令將RCP_A 內填充0，防止故障恢復后設備的異常動作。

根據IO 分配表，HDG-14 設備中，輸入梯形圖如圖17 所示，RCP_A.I.F1202EJ_1 至RCP_A.I.F1202EJ_8 共8 個輸入點，其中1～6 共6 個輸入點替代原HDG-14 設備SEW 變頻器上的6 個輸入點，即HDG_14.PRB.VFD.I.DI0～HDG_14.PRB.VFD.I.DI5，RCP_A.I.F1202EJ_7 為電機維修開關的通斷狀態(tài)反饋，RCP_A.I.F1202EJ_8為預留輸入點，RCP_A.I.HDG_14PRB_FU 為三菱變頻器頻率到達反饋，RCP_A.I.E107CB 為控制三菱變頻器通斷電的斷路器，RCP_A.I.HDG_14PRB_VFD 為三菱變頻器故障報警反饋。

HDG-14 設備中，輸出梯形圖如圖18 所示，RCP_A.O.HDG_14PRB_STF 控制三菱變頻器正轉使能輸出，RCP_A.O.HDG_14PRB_STR 控制變頻器反轉使能輸出，RCP_A.O.HDG_14PRB_RL 控制變頻器低頻率運轉，RCP_A.O.HDG_14PRB_RM 控制變頻器中頻率運轉，RCP_A.O.HDG_14PRB_RH 控制變頻器高頻運轉，RCP_A.O.F677C 控制抱閘接觸器線圈，頻率反饋到達和正反轉使能輸出是抱閘接觸器線圈通斷的必要條件。

HDG-14 設備中，抱閘接觸器報警梯形圖如圖19 所示，HDG_14.PRB.VFD.RunEnable 置1 時，變頻器控制電機允許運行；當RCP_A.O.F677C 置0 時電機抱閘線圈斷開，同時接觸器常閉輔助觸點RCP_A.I.F677C 閉合狀態(tài)為1，如若常閉輔助觸點為0，則0.5 s 后F677C_Not_On.DN 置1，設備自鎖報警并停止運行，同時通過JSR 指令將報警內容“HDG-14 滾床設備抱閘接觸器沒有斷開”反饋至觸摸屏；反之，報警“HDG-14 滾床設備抱閘接觸器沒有吸合”，保證電機啟停與其抱閘接觸器開閉的一致性。

圖19 AB-1734 AENTR POINT 抱閘接觸器報警程序

6 項目驗證切換方案

（1）將SEW 變頻器通信模6 個輸入信號分別切換到F1202EJ號電子接線盒的1～6 點上，此時電機仍受控于SEW 變頻器，只是使用了AB-1734 AENTR POINT I/O 子站輸入點采集信號（此項作業(yè)用時短，可在生產線休息時間切換）。

（2）將三菱變頻器控制電機線、抱閘線并聯(lián)接到電機上，每個變頻器臨時接2 個維修開關，用于三菱變頻器輸出斷電和抱閘斷電，同時臨時外接整流塊，用于啟用三菱變頻器控制時的抱閘整流源，此項作業(yè)為了保障設備的正常運行，三菱變頻器一旦驗證失敗，便于快速切換至原SEW 變頻器使用（圖20）。

圖20 SEW 變頻器與三菱變頻器硬件快速切換方案

啟用三菱變頻器：SEW 變頻器斷路器斷電→拔下SEW 變頻器插頭→電機斷路器和抱閘斷路器上電→三菱變頻器斷路器上電。

啟用SEW 變頻器：三菱變頻器斷路器斷電→電機斷路器和抱閘斷路器斷電→插上SEW 變頻器插頭→SEW 變頻器斷路器上電。

7 項目改造后的規(guī)整

切換至三菱變頻器穩(wěn)定運行一段時間后，拆除所有臨時維修開關、整流塊及線束，將整流塊安裝到電機接線盒內部，并將線束規(guī)整到橋架內。拆除SEW 變頻器，規(guī)整原DNB 模塊及ENB模塊下設備通信，盡量縮短總線長度，同時將電子接線盒及電機維修開關固定到原SEW 變頻器底座上。同步更新設備布局圖、控制柜走線圖、柜內布置圖及元器件明細等。

8 結束語

設備改造自2020 年10 月開始、12 月結束，歷時2 個月，驗證過程一次成功，至今設備運行穩(wěn)定，從根本上消除了DNB 模塊通信報警頻出的現(xiàn)象，保證產能輸出，并積累豐富的改造經驗。