采用無線藍(lán)牙技術(shù)的自行小車控制設(shè)計(jì)

東風(fēng)汽車股份有限公司汽車二公司資產(chǎn)保全科 江宜云，嚴(yán)鵬，楊松，王學(xué)明

自行小車輸送線是工廠常見的柔性生產(chǎn)物流輸送系統(tǒng)，在需要輸送的行業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是目前國內(nèi)外廣為流行的一種輸送設(shè)備，主要適用于汽車、輕工等行業(yè)自動化輸送生產(chǎn)線。伴隨著我國汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，其已在各汽車主機(jī)廠廣泛應(yīng)用。在總裝生產(chǎn)中，其工作效率對整個(gè)整車的生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率有著重要的影響。本文主要講述了無線藍(lán)牙技術(shù)在自行小車輸送線上的應(yīng)用。

1 自行小車輸送方式介紹

1.1 傳統(tǒng)自行小車輸送方式簡介

傳統(tǒng)自行小車線是通過車體上安裝的集電器和預(yù)裝在軌道上的滑觸線滑動接觸進(jìn)行取電及信號傳遞。地面控制柜內(nèi)設(shè)有主控PLC，小車上一般也裝有PLC和變頻器，主控PLC通過滑觸線控制小車執(zhí)行相應(yīng)的工藝動作。但是由于軌道和滑觸線的尺寸、安裝的要求等各方面因素的局限性，使得軌道上的滑觸線在數(shù)量都只能控制在9根及以下。這樣就會造成大量信號只能通過各自的PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主控PLC與小車PLC之間只能互相傳遞單個(gè)電信號，使系統(tǒng)很難形成閉環(huán)控制，控制的穩(wěn)定性和可靠性較差，故障率也比較高。

1.2 無線技術(shù)自行小車輸送方式簡介

圖1 傳統(tǒng)自行小車輸送方式滑觸線分布圖

無線自行小車輸送線的滑觸線只有4根，主要用于電源取電使用。其余信號通過無線裝置與電柜上的無線接收器進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，其采集信號多樣，數(shù)字量、模擬量信號均可以采集傳輸。其采集點(diǎn)數(shù)也較多，目前常用的為16點(diǎn)數(shù)字量輸入、輸出、2位模擬量輸入、輸出。

圖2 無線自行小車輸送方式滑觸線分布圖

2 無線藍(lán)牙技術(shù)簡介

在工業(yè)無線領(lǐng)域，主要有兩種無線技術(shù)：WLAN、Bluetooth（藍(lán)牙）。其各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 WLAN與Bluetooth技術(shù)對比

2.1 WLAN技術(shù)

無線局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Local Area Networks； WLAN)是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻（Radio Frequency； RF）的技術(shù)，取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得無線局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡單的存取架構(gòu)讓用戶透過它，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的目的。

2.2 Bluetooth（藍(lán)牙）技術(shù)

Bluetooth（藍(lán)牙）技術(shù)是一個(gè)開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它工作在全球通用的2.4GHzISM 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，可以用于近距離通過無線連接的方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互連，在各種數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸。對于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，有些地方工作人員甚至難以接近，特別是一些工業(yè)環(huán)境禁止使用電纜或者很難使用電纜來傳送數(shù)據(jù)（如高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、高空設(shè)備、不適于布線的強(qiáng)腐蝕惡劣環(huán)境），采用藍(lán)牙等無線通信技術(shù)代替電纜來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸就能有效解決上述問題。

藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：快速高效、快速易于安裝、緊固、可靠、高系統(tǒng)密度、更好的兼容性。

3 設(shè)計(jì)思路及實(shí)施

3.1 設(shè)備概述

總裝二車間底盤轉(zhuǎn)運(yùn)自行葫蘆先主要用于底盤裝配線車架翻轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)移至總裝配線。自行小車車組為2車組型，由1臺驅(qū)動主車，1臺副車及均衡梁組成。每臺車組帶有2臺起重量為4000kg的鋼絲繩葫蘆，葫蘆上設(shè)置上限位開關(guān)。為保證維修時(shí)不影響生產(chǎn)，系統(tǒng)設(shè)維修道岔及維修軌道。自行小車軌道系統(tǒng)吊掛在廠房屋架上。車組主車減速機(jī)采用SEW的產(chǎn)品，葫蘆采用科尼公司產(chǎn)品。全線設(shè)1個(gè)上料點(diǎn)，1個(gè)下料點(diǎn)。在通過操作工人活動的區(qū)域及通道均設(shè)置安全網(wǎng)（梁的布置1250mm*650mm），確保安全。

3.2 設(shè)備設(shè)計(jì)

3.2.1 工位布局（如圖3所示）

3.2.2 實(shí)現(xiàn)工藝流程

圖3 工位布局圖

車架總成在底盤裝配線完成懸架系統(tǒng)等零件裝配后，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入上件區(qū)，操作工人發(fā)出信號，空車組從上件區(qū)外的等待區(qū)進(jìn)入，然后放下吊具，速度為慢-快-慢，到一設(shè)定位置后，人工控制下降到位，掛住工件后，人工控制葫蘆上升到一設(shè)定位置，然后速度以慢-快-慢上升到位，延時(shí)后自動控制運(yùn)行。車組向前行至總盤裝配線上方的等待區(qū)，按照總裝配線工人發(fā)出的信號進(jìn)入下件區(qū)，車組進(jìn)入下件區(qū)后，將吊具降下，在降至一定高度后，轉(zhuǎn)為手動操作，此時(shí)前行速度與總裝配線線速度一致自動隨行，當(dāng)?shù)蹙呓档轿?，工人確認(rèn)車架已固定到臺車上后，摘去吊具，吊具上升，在下件工位，葫蘆的動作過程同上件工位，車組在吊具升到位后，自動返回到底盤裝配線末端的等待區(qū)。

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)施

為了滿足工藝要求，總裝二車間共設(shè)計(jì)有四條自行葫蘆生產(chǎn)線，由于現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)較多，每條自行小車線范圍較為集中，在考慮數(shù)據(jù)可靠安全性及對其他無線設(shè)備影響方面，選擇可靠性及對其它無線設(shè)備影響較小的Bluetooth（藍(lán)牙）無線技術(shù)，避免信號相互干擾的情況發(fā)生。在Bluetooth（藍(lán)牙）技術(shù)較少的客戶端數(shù)量方面，7個(gè)已能滿足系統(tǒng)要求。

3.3.1 控制硬件

主控PLC：西門子S7-300

CPU：315-2DP

總線網(wǎng)絡(luò)：Profibus

車組數(shù)量：5個(gè)+1個(gè)備用

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

由于小車變頻器速度給定需要PLC進(jìn)行模擬量輸入輸出，小車信號采集需要變頻器及電機(jī)故障反饋信號，前后葫蘆升到位信號、停車限位信號、防撞信號、車位編碼信號。需要輸出電機(jī)正反轉(zhuǎn)、高速、前進(jìn)后退信號，共需輸入12個(gè)信號，輸出8個(gè)信號，模擬量輸出1個(gè)。所以每個(gè)小車采用一套菲尼克斯無線遠(yuǎn)程I/O：ILB BT ADIO 2/2/16/16(16點(diǎn)數(shù)字量輸入/輸出/2模擬量輸入/輸出)進(jìn)行信號傳輸。防護(hù)等級為IP20，與無線基站進(jìn)行信號轉(zhuǎn)接。設(shè)備組態(tài)十分簡單：基站將連接數(shù)據(jù)寫入ID連接器，然后將ID連接器插入無線模塊，基站通過各種總線連接器集成到所有通用的現(xiàn)場總線中。ILB BT ADIO 2/2/16/16技術(shù)參數(shù)如表2所示。

每個(gè)無線I/O均有一個(gè)ID-PLUG，其決定無線基站與無線I/O的通信。每個(gè)I/O模塊為了與基站通信，需要連接數(shù)據(jù)，而這個(gè)連接數(shù)據(jù)保存在插入到該模塊的ID-PLUG中。在啟動I/O模塊之前，先把連接數(shù)據(jù)從基站中寫到I/O模塊中，具體步驟如下：

（1）確認(rèn)所有的連接無誤；給基站上電；

（2）在“TN”旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)上設(shè)置合適的模塊地址；

（3）插入ID-PLUG. ID-PLUG燈先變黃，然后變綠；

（4）拔出編程好的ID-PLUG；

（5）把ID-PLUG插入到I/O模塊中。

表2 ILB BT ADIO 2/2/16/16技術(shù)參數(shù)

圖6 無線通信系統(tǒng)工作原理

圖7 電柜無線基站連接圖

圖8 小車接線圖

3.3.2 無線傳輸原理

無線I/O設(shè)備信號通過無線藍(lán)牙協(xié)議與主控PLC進(jìn)行通訊，傳輸采用2.4GHz免費(fèi)工業(yè)無線頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，79個(gè)頻點(diǎn)跳變，100mA發(fā)射功率，干擾小或不受干擾；即使出現(xiàn)無線I/O設(shè)備與主控網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)問題，PLC也可以接收到無線I/O設(shè)備的狀態(tài)信號，編程人員可以利用這些無線I/O設(shè)備的狀態(tài)信號，做出諸如：封鎖無線I/O設(shè)備輸出，禁止無線I/O設(shè)備再將輸入信號傳送給主控PLC，網(wǎng)絡(luò)斷開報(bào)警等保護(hù)反應(yīng)。

現(xiàn)場利用四組行程開關(guān)，進(jìn)行組合碰撞來識別小車到位情況。有車無車信號及控制信號均通過無線I/O傳輸至無線基站，通過Profibus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這些信息通過基站到達(dá)PLC單元，PLC通過程序執(zhí)行來完成所有的邏輯運(yùn)算，把執(zhí)行結(jié)果再通過基站傳送給小車上的無線I/O模塊予以輸出，以此來完成各種工藝要求的動作和運(yùn)動。

采用模擬量輸入輸出模塊進(jìn)行對變頻器進(jìn)行調(diào)速，使小車與線速進(jìn)行同步處理，頻率通過主控PLC進(jìn)行實(shí)施調(diào)控，使工藝傳輸更為順暢。

圖10 無線I/O模擬量傳輸程序

3.3.3 主要設(shè)計(jì)方向及優(yōu)點(diǎn)：

（1）小車信號通過藍(lán)牙無線與主控柜進(jìn)行信號傳輸，滑觸線只提供電源，減少滑觸線及碳刷數(shù)量，減少機(jī)械卡滯及故障點(diǎn)。

（2）取消自行小車PLC，全部信號處理由主控柜PLC進(jìn)行信號處理，避免了復(fù)雜的接線回路及控制元件，所有的小車信息及參數(shù)設(shè)定都可以在地面主控柜進(jìn)行監(jiān)控操作，減少攀爬作業(yè)。后續(xù)進(jìn)行技術(shù)改造及增加葫蘆等小車數(shù)量變化、工藝變化都不用做滑觸線等硬件更改，只需要做相應(yīng)的程序調(diào)試。

（3）由于滑觸線限制，傳統(tǒng)小車只能傳遞個(gè)別信號，很多控制保護(hù)功能無法實(shí)現(xiàn)，只能保證基本的控制和保護(hù)功能。而無線方式的采用，可以突破滑線數(shù)量限制，增加更多控制和保護(hù)功能，使小車的運(yùn)行保護(hù)更加全面合理、安全可靠。

（4）小車可以根據(jù)外圍聯(lián)鎖設(shè)備的速度變化實(shí)現(xiàn)速度的自動調(diào)節(jié)，頻率變化非常靈活，大大提高了設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化。

（5）傳統(tǒng)小車信號通過滑觸線進(jìn)行傳輸，滑觸線采用分段信號傳輸，容易出現(xiàn)接觸不良導(dǎo)致信號缺失，小車無法動作。采用無線通信的方式，2.4G頻段的藍(lán)牙通信協(xié)議保證了實(shí)時(shí)通信，通過跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，使系統(tǒng)抗干擾、穩(wěn)定可靠，大大降低故障率。

圖11 無線自行小車系統(tǒng)電柜

圖12 傳統(tǒng)自行小車小車電柜

4 無線藍(lán)牙技術(shù)自行小車線優(yōu)點(diǎn)

（1）小車電機(jī)中取消了小車控制PLC的使用，全部數(shù)據(jù)傳輸通過無線模塊進(jìn)行傳輸，小車電柜大大簡化，空間相應(yīng)減少，并且減少了電氣元件及電纜的使用，使投資費(fèi)用大大減少。

（2）小車可采集信號點(diǎn)增多，可以傳輸傳統(tǒng)自行小車無法傳輸?shù)哪M量信號，可實(shí)現(xiàn)同步閉環(huán)控制、模擬量電機(jī)速度給定及故障保護(hù)功能。

（3）小車故障后可以通過主電器柜監(jiān)控主控PLC進(jìn)行故障處理以及信號強(qiáng)制，避免出現(xiàn)小車故障數(shù)據(jù)監(jiān)控需在高空監(jiān)控PLC程序等維修不便、危險(xiǎn)作業(yè)，處理故障更加迅速、快捷。

（4）可以將采集的信號數(shù)據(jù)處理，編譯更加合理，直觀的觸摸屏程序，使線體運(yùn)行實(shí)時(shí)顯示，方便生產(chǎn)監(jiān)控及故障處理。

5 結(jié)語

此設(shè)備在總裝二車間使用以來，無線通信控制自行小車一直相當(dāng)穩(wěn)定，未出現(xiàn)機(jī)械卡滯等傳統(tǒng)自行小車線常見的故障。通過此項(xiàng)目證明了無線網(wǎng)絡(luò)通信是可靠的，應(yīng)用在自行小車自動控制系統(tǒng)中能夠充分的發(fā)揮它的優(yōu)勢，減少小車PLC使用，降低設(shè)備成本，設(shè)備維修更加方便，在國內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)用在總裝自行小車輸送系統(tǒng)中，特別是自行小車改造項(xiàng)目中是一個(gè)很好的應(yīng)用。