關(guān)于汽車廠焊接生產(chǎn)線電力過負(fù)荷解決方案的需求與探討

馮崢，艾長盛

（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 404100；2.沈陽中科機(jī)械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

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關(guān)于汽車廠焊接生產(chǎn)線電力過負(fù)荷解決方案的需求與探討

馮崢1，艾長盛2

（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 404100；2.沈陽中科機(jī)械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

對汽車廠焊接生產(chǎn)線電力過負(fù)荷的問題進(jìn)行分析與探討，綜合了時間、成本、生產(chǎn)進(jìn)度等多方面因素，介紹了一個有效解決汽車廠焊接生產(chǎn)線電力過負(fù)荷問題的方案。采集焊機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，一旦同時焊接的焊機(jī)超出生產(chǎn)線的電力容量，就采用限容的方法使多臺焊機(jī)的焊接時間錯開，避免對生產(chǎn)線電力系統(tǒng)的沖擊。綜合考慮各個因素，該方案會較好的解決電力過負(fù)荷問題。

限容；電力過負(fù)荷；焊接

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.051

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)06-147-04

引言

焊接生產(chǎn)線的動力能源系統(tǒng)在設(shè)計和改造過程中經(jīng)常會遇到各種意想不到的技術(shù)難題，在現(xiàn)今汽車企業(yè)競爭日益加劇的時代，如何采用最有效、最經(jīng)濟(jì)的辦法解決所遇到的難題是我們經(jīng)常探究的領(lǐng)域課題。以下就介紹此領(lǐng)域所遇到的一項實際技術(shù)難題并針對此技術(shù)難題而提出了全套解決方案，供同業(yè)人員共享。

重慶長安鈴木汽車有限公司近期因生產(chǎn)線車型換代需要，在原有生產(chǎn)線場地引進(jìn)了一套全新生產(chǎn)線。按年產(chǎn)5萬臺的設(shè)計生產(chǎn)綱領(lǐng)，原場地車型生產(chǎn)線需求電量為2000KVA左右，但新生產(chǎn)線引進(jìn)后，新生產(chǎn)線工藝設(shè)備發(fā)生了變化，新生產(chǎn)線需求電量增長為 3446KVA，電力缺口達(dá)到1446KVA，從而使新生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力無法達(dá)到年度生產(chǎn) 5萬臺設(shè)計綱領(lǐng)的要求，新生產(chǎn)線在投產(chǎn)一年當(dāng)中多次因過負(fù)荷而造成焊接配電站跳閘，引起長時間停線，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)次序，急需進(jìn)行有效而經(jīng)濟(jì)的解決方案并付諸實施。

經(jīng)細(xì)致周全的調(diào)研，我們考慮了以下幾種可行性方案如下表所示：

表 1

從上表的實際調(diào)研情況可以看出，方案三焊接新生產(chǎn)線采用群控限容裝置的改造解決生產(chǎn)線電力過負(fù)荷問題是一項較實用的解決方案，此方案有以下方面的優(yōu)點：從經(jīng)濟(jì)的角度看設(shè)備投資是最少的；從生產(chǎn)性的角度看因為是采用非生產(chǎn)時間段進(jìn)行設(shè)備改造，因此對現(xiàn)場正常生產(chǎn)不會造成工期性停產(chǎn)；從供電安全管理角度看，此方案不存在交叉供電的狀態(tài)，可確保供電安全管理。因此，我們經(jīng)多方論證最終采用了在新生產(chǎn)線上追加焊接設(shè)備的群控限容裝置做為解決新生產(chǎn)線電力過負(fù)荷問題的首選解決方案并付諸實施。

1、限容基本原理

限容系統(tǒng)需要一臺主機(jī)，用來采集總線上每臺焊機(jī)的規(guī)范序列參數(shù)，并將這些參數(shù)進(jìn)行存儲，為計算限容延時做準(zhǔn)備。

主機(jī)對每臺處于啟動狀態(tài)的焊機(jī)都調(diào)用它的規(guī)范序列參數(shù)，并形成一個實時列表（Real time table），這個列表類似一個實時動態(tài)模板，利用時間坐標(biāo)，監(jiān)視主焊接時間在坐標(biāo)中的位置，并實時利用限容模板對照并控制允許的容量（臺數(shù)、功耗或百分?jǐn)?shù)），一旦發(fā)現(xiàn)超限，或者可能超限，即自動在預(yù)壓時間后，壓緊時間前加入一至數(shù)個周波，以錯過主焊接的疊加超限時間。

主焊接時間疊加的超限是一個隨機(jī)概率事件，根據(jù)用戶的供電系統(tǒng)的配平設(shè)計，焊機(jī)的規(guī)范統(tǒng)計分析，工作現(xiàn)場的啟動頻度等多因素考慮，在瞬間主焊接時間疊加的概率不會很高，但是由于手動操作的不規(guī)律，供電網(wǎng)的限制，焊機(jī)數(shù)量多等因素，負(fù)載的瞬間疊加也是可能發(fā)生的，基于此，對限容系統(tǒng)的實時性要求是很高的，疊加負(fù)載的瞬間捕捉和預(yù)判是較難的，系統(tǒng)對焊機(jī)規(guī)范的數(shù)據(jù)庫調(diào)用，實時預(yù)判和實時統(tǒng)計，焊機(jī)控制箱總線系統(tǒng)的通訊可靠性都提出嚴(yán)格的要求，系統(tǒng)硬件的可靠性、實時性、程序的執(zhí)行時間、實用性、技巧都很重要。

每一臺接入總線的焊機(jī)在啟動焊接的壓緊時間開始時，都要向總線主機(jī)發(fā)送焊接請求，總線主機(jī)需要計算出以下內(nèi)容：

(1)計算出哪些焊機(jī)的焊接時間會疊加在一起；

(2)計算出疊加后的焊接功率是否超出該生產(chǎn)線焊機(jī)總電源的限制容量；

（3）計算出焊接時間疊加在一起有多長時間；

（4）計算出哪幾臺焊機(jī)需要延遲焊接、延遲幾個周波。

以10臺焊機(jī)在一個總線上為例（這10臺焊機(jī)都接入電源的AB相），如果AB相的容量經(jīng)過計算只能容納其中3臺焊機(jī)同時焊接，即這3臺焊機(jī)的焊接時間可以疊加在一起。

經(jīng)過總線主機(jī)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)接下來的焊接會有4臺焊機(jī)同時焊接，如下圖所示：

圖 1 主焊接時間疊加示例

如圖1所示，A、B、C、D這四臺焊機(jī)的焊接時間在兩虛線之內(nèi)的部分將在同一時間段進(jìn)行，假定兩虛線間的時間為2個周波。這樣就超出了電源的容量，那么將C焊機(jī)的焊接時間延遲2個周波，這樣就避免了焊接功率超出電源容量而造成總電源空開跳閘，從而保護(hù)了生產(chǎn)線的電源。

另外需要說明的是，每臺焊機(jī)焊接電流的大小是不一樣的，也就是說功率是不一樣的，嚴(yán)格來說，限容是根據(jù)焊接功率來計算的，而根據(jù)焊接的臺數(shù)進(jìn)行計算是一個估計的算法。根據(jù)臺數(shù)來進(jìn)行計算的好處是計算過程相對于按實際功率計算簡單了一些，響應(yīng)速度快了一些。以上只是舉一個簡單通俗的例子對限容的方法進(jìn)行一個簡單的闡述。

2、CAN總線

每臺焊機(jī)的規(guī)范序列參數(shù)，需要被采集到一臺主機(jī)上，并進(jìn)行存儲和計算。而采用一對一的通信方式將使物理連接過于繁雜，通信線纜過多，給施工帶來麻煩，同時成本也較高且不方便維護(hù)。這種情況采用現(xiàn)場總線的方式傳輸數(shù)據(jù)則更加合適。

目前使用較多的現(xiàn)場總線系統(tǒng)有很多，例如工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）、ModBus、ProfiBus、DeviceNet、CAN總線、RS485、RS422等，工業(yè)以太網(wǎng)固然性能優(yōu)越，但是組網(wǎng)部件較多，其組網(wǎng)成本也較高。根據(jù)具體需要，CAN總線組網(wǎng)方便成本較低，通信速率完全滿足要求，而CAN總線通信特點也適合限容控制。

CAN（Controller Area Network）總線即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性、以及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。國外已有許多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術(shù)。CAN總線最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的，而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為一種現(xiàn)場總線技術(shù)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)局域網(wǎng)等場合。1993年CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用）。CAN的規(guī)范從CAN1.2規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)格式）發(fā)展為兼容CAN1.2規(guī)范的CAN2.0規(guī)范，目前應(yīng)用的CAN器件大多符合CAN2.0規(guī)范。

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN總線有如下特點：

（1）可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動的向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。

（2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。

（3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

（4）可以點對點、一點對多點以及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。

（5）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5Kbps以下）。

（6）通信速率最高可達(dá)1mb/s（此時距離最長40m）。

（7）同一總線上，節(jié)點數(shù)實際可達(dá)110個。

（8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個。

（9）每幀信息都有CRC校驗以及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。

（10）通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光纖，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。

（11）節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。

3、CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

重慶長安鈴木汽車301焊接生產(chǎn)線共182臺焊機(jī)需要實施限容，采用一臺總線主機(jī)即可?？偩€主機(jī)可采用一體式工控機(jī)，如果需要放置在車間某個位置而不是辦公室里面，則可以訂做一個小型的機(jī)柜，將總線主機(jī)安裝在機(jī)柜里，方便監(jiān)控，對總線主機(jī)進(jìn)行安裝和保護(hù)，防塵防水。

通訊線采用線徑1.0以上的優(yōu)質(zhì)屏蔽雙絞線，根據(jù)現(xiàn)場情況實施布線，如果通訊線需要布設(shè)在經(jīng)常有人踩踏的位置，則需要穿鐵管對雙絞線進(jìn)行保護(hù)，如果布設(shè)的位置相對隱蔽，少有人踩踏和接觸則可以穿蛇皮管或者不穿管，屏蔽雙絞線的屏蔽層必須單點接地，以釋放外界對通信線路的電磁干擾。使通信出錯率降低。

當(dāng)控制箱需要進(jìn)行維修而搬離原位時，通訊線可以進(jìn)行對接，以避免總線后端的控制箱掉網(wǎng)。

在通訊線過長或者現(xiàn)場電磁環(huán)境惡劣信號傳輸時干擾特別強(qiáng)烈的情況下，則需要加中繼器，有條件的話，最好選用有源中繼器，因為有源中繼器不僅能夠?qū)υ盘栠M(jìn)行放大處理，而且不會影響信號傳輸?shù)乃俣?，而無源的中繼器會對傳輸速度有一定的影響。需要根據(jù)具體情況安裝中繼器。CAN總線限容系統(tǒng)圖如圖2：

圖2　CAN總線限容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一條CAN總線節(jié)點數(shù)實際最多可達(dá)110個，由于節(jié)點數(shù)過多會影響數(shù)據(jù)的傳輸速度，導(dǎo)致總線的響應(yīng)速度降低，而限容控制對響應(yīng)速度要求較高，所以我們設(shè)計為每一個CAN總線最多可掛載100個CAN總線節(jié)點，使系統(tǒng)響應(yīng)速度在3ms以內(nèi)，每個焊機(jī)控制箱為一個節(jié)點。更具生產(chǎn)線的布局特點，應(yīng)該使每一條總線上的節(jié)點數(shù)量盡量相差不多，以發(fā)揮總線的最大能力。

CAN總線的節(jié)點應(yīng)以手拉手的連接方式布線，實驗證明“星形連接”、“樹形連接”、“菊花鏈?zhǔn)竭B接”在節(jié)點數(shù)很少時可以使用，當(dāng)節(jié)點數(shù)較多時，總線數(shù)據(jù)傳輸速度會大大降低，出錯率升高。

生產(chǎn)線布局平面圖如圖3所示：

圖3　焊接車間301線焊機(jī)群控平面布局圖

由平面布局圖可看出，301線共182臺焊機(jī)需要實施限容，采用一臺總線主機(jī)即可，可以做兩條或者三條CAN總線，根據(jù)圖2可看出以后如果需要新增焊機(jī)，也可以接入系統(tǒng)，容量綽綽有余。

4、系統(tǒng)實現(xiàn)

總線主機(jī)上需要運行一個組態(tài)軟件，用來監(jiān)控和處理限容相關(guān)事務(wù)，當(dāng)某臺焊機(jī)的規(guī)范序列參數(shù)被改動后，該焊機(jī)控制箱要主動上傳改動后的數(shù)據(jù)，總線主機(jī)接收并存儲，以為計算限容方案做準(zhǔn)備，組態(tài)軟件界面如圖4所示，每臺焊機(jī)都有對應(yīng)的編號，用不同的顏色表示出焊機(jī)的各種狀態(tài)：在線、離線、焊接、空閑、限容、相序、報警等。還可以通過總線主機(jī)上傳和下傳焊機(jī)的規(guī)范序列參數(shù)，在這里不做詳述。

每一臺在線的焊機(jī)都間隔一段時間向主機(jī)發(fā)送“聯(lián)網(wǎng)心跳”，主機(jī)以此監(jiān)控焊機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)焊機(jī)需要進(jìn)行焊接時，必須向總線主機(jī)發(fā)出焊接請求，總線主機(jī)根據(jù)當(dāng)前總線上焊機(jī)的工作狀況向焊機(jī)發(fā)出是否需要延時和延時時間長短的信息，焊機(jī)根據(jù)此信息來做出下一步動作。

圖4　CAN總線組態(tài)界面

5、結(jié)論

CAN總線類似的產(chǎn)品我們已經(jīng)使用過，在這里主要目的是實現(xiàn)限容控制，對供電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，有了之前CAN總線的經(jīng)驗，這次的限容系統(tǒng)必將實現(xiàn)限容的要求。根據(jù)目前的模擬實驗來看，效果良好，運行穩(wěn)定。

[1] 趙鳳斌等. 電阻焊 CAN總線控制系統(tǒng) 2000 沈陽新松機(jī)器人公司.

[2] 胡德安,張偉,陳益平.基于 CAN總線的車身點焊監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計【TP】.南昌航空大學(xué)：航空制造工程學(xué)院,南昌330063.

Requirements and discussion of power over load solution for welding production line of automobile factory

Feng Zheng1, Ai Changsheng2
( 1.Chongqing changan suzuki automobile Co. Ltd, Chongqing 404100; 2.Shenyang CS Mechatronics engineering Co. Ltd, LiaoNing ShengYang 110000 )

This paper analyzes and discusses the problem of electric power over load in the welding production line of automobile factory, and introduces the time, cost, production schedule and other factors, and introduces an effective method to solve the problem of electric power over load. The welder collected data for statistical analysis, at the same time, once the welding welder beyond the power capacity of the production line, using the method of capacity make a plurality of the welding time staggered to avoid the impact of power system production line. Comprehensive consideration of various factors, The scheme can solve the problem of power over load.

Limit capacity; Power over load; Welding

馮崢，就職于重慶長安鈴木汽車有限公司。

U466

A

1671-7988（2016）06-147-04