隨著控制系統(tǒng)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品也不斷應(yīng)用到汽車(chē)生產(chǎn)線的建造上來(lái)。在這樣的背景下，我們同通用北美的專(zhuān)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GCCH-1，軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GCCS-1，制造安裝標(biāo)準(zhǔn)GCCB-1和安全設(shè)計(jì)規(guī)范GDHS。上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司青島分公司的涂裝生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)，正是在嚴(yán)格遵守這些最新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建造而成的。
設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求
青島涂裝生產(chǎn)線是按照40JPH（每小時(shí)生產(chǎn)車(chē)體數(shù)）設(shè)計(jì)，年產(chǎn)30萬(wàn)輛，多種車(chē)型混線生產(chǎn)的高柔性、快節(jié)奏生產(chǎn)線系統(tǒng)。為了建成一個(gè)完整、先進(jìn)的汽車(chē)涂裝生產(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在遵循最新的控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還必須嚴(yán)格按照以下要求進(jìn)行：
1. 安全性，系統(tǒng)既要符合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又必須遵守GDHS的安全性設(shè)計(jì)，所有的安全元器件必須遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)SIL3\CAT4（安全完整性等級(jí)）等級(jí)，所有的安全信號(hào)采用冗余控制技術(shù)，以保證設(shè)備及人身安全；
2. 挖掘系統(tǒng)低成本的底線，體現(xiàn)高價(jià)值的控制系統(tǒng)；
3. 全面保證系統(tǒng)設(shè)備的高可靠性和穩(wěn)定性；
4. 最小化周期時(shí)間（從設(shè)備的最初設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝調(diào)試到系統(tǒng)正常運(yùn)作）；
5. 系統(tǒng)的運(yùn)行以及采用的材料，要確保不影響汽車(chē)產(chǎn)品本身質(zhì)量；
6. 對(duì)環(huán)境的影響達(dá)到最小化，節(jié)約能源；
7. 對(duì)設(shè)備的操作和維修符合人機(jī)工程，故障的診斷和處理簡(jiǎn)潔、快速等。
系統(tǒng)的獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)
1. 輸送控制系統(tǒng)組成
輸送設(shè)備控制系統(tǒng)作為涂裝車(chē)間控制的核心，在國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠首次融合了工藝設(shè)備控制系統(tǒng)、暗燈控制系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)請(qǐng)求幫助）、車(chē)體自動(dòng)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(jìn)行控制。
輸送控制系統(tǒng)主要用于控制車(chē)間內(nèi)部的輸送設(shè)備，貫穿整個(gè)生產(chǎn)線的始終。涂裝車(chē)間的輸送設(shè)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(lèi)型的設(shè)備，如滾床、安全門(mén)、移行機(jī)、升降機(jī)及叉式移栽機(jī)等組成。整個(gè)涂裝車(chē)間輸送控制系統(tǒng)共分為13個(gè)控制區(qū)，每個(gè)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(yuǎn)程控制柜體組成。PDP柜由主隔離開(kāi)關(guān)、安全I(xiàn)/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(nèi)包含PLC、交換機(jī)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(gè)典型的控制區(qū)域布置如圖1所示。
圖1 涂裝電泳存儲(chǔ)區(qū)PDP、MCP和HMI的現(xiàn)場(chǎng)布置
2. 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的安全性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分散式兩層網(wǎng)絡(luò)，即工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP和DeviceNet安全網(wǎng)絡(luò)。其中，工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)與赫思曼的MS20可網(wǎng)管式交換機(jī)相互連接進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，負(fù)責(zé)收集生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，故障報(bào)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(hào)通信等。DeviceNet安全網(wǎng)絡(luò)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的控制，控制的設(shè)備包括變頻器、安全I(xiàn)/O、安全門(mén)、暗燈顯示板及條碼掃描槍等。車(chē)間工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP布置如圖2所示。
圖2 車(chē)間工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP布置
EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)通信基于UDP/IP（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和開(kāi)放性的應(yīng)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(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信，利用這個(gè)通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)I/O控制和顯式報(bào)文的通信。關(guān)鍵信息包的實(shí)時(shí)交換必須建立在生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式上，同時(shí)生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)上存在著多個(gè)潛在消費(fèi)者。
EtherNet/IP 的顯式報(bào)文通信主要用于PLC到機(jī)器人，PLC到其他的工藝控制器以及機(jī)器人到自身的控制柜的聯(lián)鎖信號(hào)傳輸，其通信路徑如圖3所示。
圖3 EtherNet/IP 中實(shí)時(shí)I/O控制和顯式報(bào)文的通信路徑
DeviceNet安全總線作為首次在國(guó)內(nèi)汽車(chē)制造公司使用的底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與傳統(tǒng)的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別是更安全、傳輸速率更快，同時(shí)，滿(mǎn)足國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)SIL3/CAT4等級(jí)。
DeviceNet安全網(wǎng)絡(luò)是指在總線網(wǎng)絡(luò)中涉及到安全的數(shù)據(jù)由安全I(xiàn)/O收集，通過(guò)DeviceNet安全協(xié)議傳輸?shù)桨踩玃LC中，它可以和普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同時(shí)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(luò)會(huì)給每個(gè)信息包貼上時(shí)間郵戳，對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)分配惟一的網(wǎng)絡(luò)安全序列號(hào)，對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，安全類(lèi)型的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上具有更高的傳輸優(yōu)先級(jí)，能夠確保其數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)桨踩玃LC處理器。
（3）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)置由以前的125kbps提高到250kbps及以上，確保網(wǎng)絡(luò)速度更快，縮短了1倍的控制周期。
（4）現(xiàn)場(chǎng)的安全I(xiàn)O模塊自身具有一套自我檢測(cè)程序，不斷地發(fā)送測(cè)試脈沖和雙通道一致性檢測(cè)，能夠及時(shí)收集設(shè)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(gè)不同的控制器模塊組成，主模塊負(fù)責(zé)處理普通的邏輯程序和安全的數(shù)據(jù)，另外一個(gè)輔助處理器模塊只處理與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)。兩個(gè)控制器在同時(shí)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中不斷相互比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不一致時(shí)會(huì)報(bào)警，終止程序的執(zhí)行。如此雙冗余的安全數(shù)據(jù)處理機(jī)制，保證了現(xiàn)場(chǎng)人身、設(shè)備的安全。
（6）調(diào)試完成后的安全程序和網(wǎng)絡(luò)都可以進(jìn)行密碼式管理，確保程序和網(wǎng)絡(luò)不會(huì)被惡意篡改。
安全I(xiàn)O、DeviceNet安全網(wǎng)絡(luò)和安全PLC處理器的同時(shí)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(gè)過(guò)程中的安全性，創(chuàng)新性地解決了常規(guī)設(shè)備和安全設(shè)備不能同時(shí)在一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的難題，使整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，便于維護(hù)。DeviceNet安全網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)線輸送控制系統(tǒng)由原來(lái)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(shè)備。
圖4 一段典型的DeviceNet總線所帶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
3. 電源的安全、獨(dú)特性設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的安全性和便捷性設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的電源分為兩種類(lèi)型：一種為沒(méi)有經(jīng)過(guò)電源分配柜PDP的主隔離開(kāi)關(guān)，直接連接至“熱變壓器”輸入端，然后轉(zhuǎn)化成220VAC電源，我們稱(chēng)之為“熱電”，主要給PLC背板、以太網(wǎng)交換機(jī)、暗燈顯示板和HMI等設(shè)備供電。另一種為經(jīng)過(guò)主隔離開(kāi)關(guān)的電源，由“控制變壓器”轉(zhuǎn)換成220VAC供電給MCP，再由直流電源模塊轉(zhuǎn)化成24VDC，我們稱(chēng)之為“控制電源”，主要給總線、現(xiàn)場(chǎng)IO、傳感器和繼電器、接觸器等控制元器件供電。“熱電”的特別設(shè)計(jì)保證了PLC中的相關(guān)數(shù)據(jù)不會(huì)被清除，報(bào)警信息和操作日志能被及時(shí)記錄，在維修和故障處理過(guò)程中更加方便。
在電源安全性設(shè)計(jì)中，PDP柜體上的主隔離開(kāi)關(guān)作為該控制區(qū)惟一能量鎖定點(diǎn)，當(dāng)有人需要到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，維修員必須先關(guān)掉PDP上的主隔離開(kāi)關(guān)，并且掛上安全鎖，做好能量鎖定。按照設(shè)計(jì)要求，所有裸露的380VAC和220VAC危險(xiǎn)點(diǎn)必須加上聚乙烯樹(shù)脂透明玻璃罩，且在上面鉆上小孔以便檢測(cè)使用，消除一切安全隱患，有效預(yù)防由于人員不小心觸碰而導(dǎo)致的嚴(yán)重后果。輸送控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)
按照電纜的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)主要使用兩種電纜：動(dòng)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(jié)構(gòu)布線，使施工更快速，布線更整齊簡(jiǎn)潔。動(dòng)力電纜設(shè)計(jì)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(jié)合為1根9芯電纜，在解決了其相互干擾的問(wèn)題后，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維修維護(hù)方便。電纜的接插件設(shè)計(jì)不僅為項(xiàng)目的施工省掉了大量電工，還節(jié)約了至少20%的安裝時(shí)間。整個(gè)工廠控制系統(tǒng)柜內(nèi)的電線電纜采用統(tǒng)一顏色標(biāo)準(zhǔn)，不同顏色代表不同的電壓等級(jí)，起到安全警示的作用，同時(shí)方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、維修（見(jiàn)圖6）。
圖6 控制柜內(nèi)電線電纜的顏色標(biāo)準(zhǔn)
4. 系統(tǒng)的其他新穎設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和電源架構(gòu)采用創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的同時(shí)，許多其他設(shè)計(jì)也是別出心裁：
（1） 硬件設(shè)計(jì)首次采用Eplan P8繪圖軟件制圖，該軟件采用數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型OODM設(shè)計(jì)，可提供許多自動(dòng)化功能，省掉了
