無(wú)線通信技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)的應(yīng)用

路 垚，韓兆進(jìn)，劉潤(rùn)東，左 柯

（一汽解放青島汽車(chē)有限公司，山東青島 266200）

0 引言

一汽解放青島汽車(chē)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“青汽廠”）是解放商用車(chē)重要的生產(chǎn)基地，設(shè)計(jì)產(chǎn)能10 萬(wàn)輛，承載了解放輕、中、重型全系列產(chǎn)品的制造任務(wù)。青汽廠產(chǎn)品種類(lèi)多，生產(chǎn)線采用高柔性設(shè)計(jì)方案。

目前無(wú)線通信技術(shù)日趨成熟，不斷應(yīng)用到汽車(chē)制造領(lǐng)域，利用無(wú)線通信傳輸信號(hào)與工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)深度結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)潔化，并且能提高工廠的柔性化水平。

1 轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)介紹

自2018 年以來(lái)，商用車(chē)市場(chǎng)持續(xù)火爆，青汽廠產(chǎn)能不斷提升、產(chǎn)品不斷更新，對(duì)裝備提出高可靠性、高自動(dòng)化、高柔性、高智能性的要求。涂裝車(chē)間現(xiàn)有空中輸送系統(tǒng)3 套，移行輸送系統(tǒng)38 套，為車(chē)間內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械化輸送類(lèi)裝備。上述裝備原有動(dòng)力與信號(hào)傳輸方式已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，急需進(jìn)行升級(jí)改造。

3 套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)分為PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)、焊涂轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)、涂總轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)（表1）。其中，PVC 轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于車(chē)底涂料噴涂工序的輸送及駕駛室從底漆滑橇到面漆滑橇的轉(zhuǎn)換，焊涂轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于駕駛室從焊裝滑橇到涂裝底漆滑橇的轉(zhuǎn)換；涂總轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)用于駕駛室從面漆滑橇到總裝內(nèi)飾滑橇的轉(zhuǎn)換。

表1 3 套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)的主要參數(shù)及說(shuō)明

2 轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)現(xiàn)存問(wèn)題

（1）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)采用九段式滑觸線進(jìn)行動(dòng)力電供應(yīng)和信號(hào)傳輸，僅在上件和下件工位可以完成抱臂合攏、打開(kāi)操作。通過(guò)滑觸線間隔區(qū)間段，可以實(shí)現(xiàn)抱臂6 點(diǎn)數(shù)開(kāi)和定位，其中包含打開(kāi)到位和合攏極限，即僅可自動(dòng)完成4 種車(chē)型的轉(zhuǎn)掛工作。無(wú)法滿(mǎn)足多品種駕駛室自動(dòng)轉(zhuǎn)掛的需求，需人工干預(yù)操作，極大地影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)無(wú)精確停止定位裝置，僅在工藝工位，依靠空中接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)停止定位。且無(wú)法查看到轉(zhuǎn)掛小車(chē)的實(shí)時(shí)位置和攜帶駕駛室的車(chē)型信息。

（3）九段式滑觸線與集電器長(zhǎng)期保持滑動(dòng)摩擦，集電器碳刷磨損嚴(yán)重，滑觸線表面存在大量碳粉，頻繁出現(xiàn)信號(hào)誤觸發(fā)情況。

3 轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)解決方案

應(yīng)用無(wú)線以太網(wǎng)漏波電纜無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸

3.1 方案介紹

采用無(wú)線以太網(wǎng)控制方式，系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

（1）主控柜采用西門(mén)子319PLC 控制，通過(guò)以太網(wǎng)口與菲尼克斯PROFINET 交換機(jī)相連，與無(wú)線發(fā)射模塊直接通信。主要處理主站與小車(chē)從站、工藝工位數(shù)據(jù)交換和生產(chǎn)線上其他數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示小車(chē)的工藝狀態(tài)、位置等信息，并在故障時(shí)操作相應(yīng)的小車(chē)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）小車(chē)從站選用智能型PLC，通過(guò)接入PROFINET 網(wǎng)絡(luò)，作為主控柜PLC 的智能從站，實(shí)現(xiàn)主—從通信。小車(chē)上PLC 主要控制小車(chē)的行走、吊具的開(kāi)合等。車(chē)載PLC 直接與隨車(chē)的無(wú)線接收模塊通信，無(wú)線接收模塊與無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)5G 的漏波電纜通信，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)載PLC 和主控PLC 的通信（圖2）。

圖2 主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件

（3）考慮到目前2.4G的普遍性，為了防止信號(hào)干擾，此次改造中的無(wú)線發(fā)射和接收模塊都采用菲尼克斯的5G 通信模塊WL5100。發(fā)射端的5G 通信模塊直接連接到漏波電纜上，接收端的5G 通信模塊天線直接跟隨小車(chē)行走在漏波電纜附近，確保無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度。

3.2 條形碼定位應(yīng)用情況

（1）小車(chē)行走通過(guò)勞易測(cè)BPS 348i SM 100 條碼定位系統(tǒng)進(jìn)行控制，讀碼器為PROFINET 接口，定位精度達(dá)到±0.15 mm。

（2）采用條形碼方式定位后，小車(chē)可以實(shí)時(shí)的判斷自己的位置及其他小車(chē)的位置，能夠更加精確的控制行走及定位。

（3）在讀寫(xiě)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)條形碼被讀到就可以確定小車(chē)的位置信息，大大增加了定位的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性（圖3）。

圖3 條形碼結(jié)構(gòu)

3.3 漏波電纜技術(shù)介紹

（1）漏波電纜從外觀上面來(lái)看是一種電纜，它可以將無(wú)線信號(hào)延伸到所鋪設(shè)的位置，應(yīng)用時(shí)將漏波電纜沿?zé)o線設(shè)備運(yùn)動(dòng)的軌跡鋪設(shè)，如沿小車(chē)行進(jìn)的軌道鋪設(shè)，同時(shí)將漏波電纜通過(guò)饋線與無(wú)線模塊相連，這樣無(wú)線模塊就通過(guò)漏波電纜將無(wú)線信號(hào)傳送到小車(chē)行進(jìn)的軌道周?chē)?。行進(jìn)的小車(chē)上面安裝信號(hào)接收端，信號(hào)接收端和信號(hào)發(fā)射端的漏波電纜之間是沒(méi)有障礙物的存在的（圖4）。

圖4 漏波電纜與接收器

（2）由于距離非常近，空中衰減很小，接收的信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)很好，無(wú)線的傳輸也就非常穩(wěn)定，在規(guī)定的9～13 cm 接收足夠強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)，同時(shí)不會(huì)干擾和被干擾。

（3）在空中自行小車(chē)線的應(yīng)用上，多種鋼結(jié)構(gòu)阻擋的車(chē)間等需要進(jìn)行無(wú)線通信的場(chǎng)合，采用漏波電纜會(huì)比采用普通天線有更穩(wěn)定的無(wú)線傳輸，同時(shí)由于無(wú)線傳輸穩(wěn)定了，數(shù)據(jù)包的不良率會(huì)降低，減少了不必要的數(shù)據(jù)重傳，無(wú)線也就會(huì)有更加快速的響應(yīng)速度（圖5）。

圖5 讀碼器、條形碼和接收器

（4）抱臂打開(kāi)、合攏定位方式。目前車(chē)間抱臂打開(kāi)、合攏依靠行程開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)車(chē)型增加時(shí)已沒(méi)有位置安裝相應(yīng)的開(kāi)關(guān)?？紤]到此情況，此次改造采用激光測(cè)距儀來(lái)控制小車(chē)抱臂的開(kāi)合位置，可以打破多種車(chē)型寬度數(shù)量限制，定位精度在±2 mm內(nèi)。抱臂打開(kāi)與合攏極限超程位選用行程開(kāi)關(guān)限制。

4 滑觸線分段控制和無(wú)線以太網(wǎng)控制的比較

原有轉(zhuǎn)掛小車(chē)均采用滑觸線來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和動(dòng)力供電，本次改造為了克服傳統(tǒng)滑線數(shù)據(jù)信息交互量受限、系統(tǒng)可靠性低及電氣安裝復(fù)雜等缺點(diǎn)，采用當(dāng)前主流的無(wú)線以太網(wǎng)通信技術(shù)。

4.1 信息交互無(wú)限量

通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)通信模塊的發(fā)射/接收數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)可以任意地增加所需要的控制信號(hào)，信息交互量不在受到限制。主控PLC 可以將任意多的車(chē)型傳遞給空中自行小車(chē)、主控PLC 可以給空中自行小車(chē)多種速度，使小車(chē)行走起來(lái)更平穩(wěn)，增加小車(chē)的使用壽命。空中自行小車(chē)可以將自身更多的故障傳遞給主控PLC，從而便于更精確的查找問(wèn)題。主控PLC 和空中小車(chē)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)滑觸線控制更多的功能。圖6 為主控系統(tǒng)觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)小車(chē)位置實(shí)時(shí)監(jiān)控、小車(chē)參數(shù)即時(shí)設(shè)置。

圖6 主控系統(tǒng)觸摸屏

4.2 系統(tǒng)可靠性高

無(wú)線以太網(wǎng)控制方式取消了用于信號(hào)控制的滑觸線，僅留4 極為空中小車(chē)提供電源?；€和碳刷的減少，避免了小車(chē)由于抓取工件上下抖動(dòng)和碳刷接觸不良造成的信號(hào)丟失，以及碳刷長(zhǎng)期與滑觸線摩擦，碳粉滯留在滑線分段處或者滑線上造成信號(hào)誤傳輸。采用無(wú)線以太網(wǎng)控制方式信息交互通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)模塊進(jìn)行交互，無(wú)需通過(guò)滑觸線和繼電器經(jīng)由電纜和主控PLC 信息交互，大大減少系統(tǒng)的故障點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3 電氣安裝簡(jiǎn)單

取消了用于信號(hào)交互的滑線，減少了大量的控制電纜安裝，以及滑線的分段處理。無(wú)線通信方式只需要沿軌道布置一根漏波電纜即可，數(shù)據(jù)信息通過(guò)安裝在自行小車(chē)上的無(wú)線以太網(wǎng)接收模塊和通過(guò)漏波電纜連接的無(wú)線以太網(wǎng)發(fā)射模塊進(jìn)行交互。無(wú)線以太網(wǎng)控制方式減少了自行小車(chē)隨車(chē)電控柜和主控柜大量的中間繼電器和IO（Input/Output，輸入/輸出）模塊的使用，使安裝、接線和維護(hù)簡(jiǎn)單化。

4.4 維護(hù)方便

采用無(wú)線以太網(wǎng)通信技術(shù)作為信息交互方式的控制系統(tǒng)，控制信號(hào)的電纜比傳統(tǒng)滑線信息交互方式減少了約90%，故障點(diǎn)大大減少，使系統(tǒng)的硬件連接更加簡(jiǎn)單。小車(chē)故障可以實(shí)時(shí)反饋給主控PLC，便于快速的處理和解決。小車(chē)的動(dòng)作由自己獨(dú)立控制，可以在主控柜觸摸屏上設(shè)置相應(yīng)小車(chē)的控制按鈕，當(dāng)小車(chē)出現(xiàn)故障時(shí)可以方便地將故障小車(chē)放置到維修段。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于由控制系統(tǒng)構(gòu)成的生產(chǎn)線而言，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高生產(chǎn)線的停線率越低，經(jīng)濟(jì)效益越高。采用滑線控制的方式，故障主要集中在碳刷、滑線和繼電器等方面，通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)控制方式后，這方面的故障率大大降低，繼電器故障為零。

5 移行輸送系統(tǒng)現(xiàn)存問(wèn)題

涂裝車(chē)間共有38 臺(tái)移行機(jī)，移行機(jī)的電源線和信號(hào)線全部布置在電纜拖鏈中，每個(gè)移行機(jī)有4 根電源線，11 根信號(hào)線，移行機(jī)形成平均長(zhǎng)度15 m。拖鏈中的電纜在連續(xù)使用4年后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有18 臺(tái)移行機(jī)電纜磨損嚴(yán)重，開(kāi)始頻繁出現(xiàn)因電纜線皮磨破導(dǎo)致移行機(jī)故障，拖鏈內(nèi)的線纜大部分已經(jīng)到使用壽命。

6 移行輸送系統(tǒng)解決方案

（1）采用菲尼克斯電氣的整體無(wú)線藍(lán)牙通信模塊CBL-ATK-JFWXCN01（1089615）作為信號(hào)無(wú)線傳輸裝置。原移行機(jī)上接近開(kāi)關(guān)信號(hào)線通過(guò)防護(hù)箱內(nèi)接線端子連接到無(wú)線I/O 模塊的數(shù)字量輸入端，該信號(hào)可通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)降孛娣雷o(hù)箱的無(wú)線I/O 模塊。

（2）配置兩個(gè)IP65 防護(hù)等級(jí)的箱體，其中一個(gè)防護(hù)箱安裝在移行機(jī)移動(dòng)設(shè)備上，另外一個(gè)防護(hù)箱安裝在地面原有IP67 IO 模塊旁并以數(shù)字量輸出的方式輸出（圖7）。

圖7 設(shè)備連接示意

7 移行輸送系統(tǒng)信號(hào)有線與無(wú)線傳輸比較

（1）無(wú)線通信可靠穩(wěn)定傳輸I/O 信號(hào)，解決了因電纜磨損導(dǎo)致的信號(hào)丟失問(wèn)題，并且還具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)單方便的特性，便于后期維護(hù)。

（2）每個(gè)模塊上均有LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）指示燈診斷無(wú)線連接質(zhì)量和狀態(tài)。

（3）每個(gè)模塊具有16 路開(kāi)關(guān)量輸入輸出以及2 通道模擬量輸入輸出0～10 V 或4～20 mA，可與移行機(jī)上的傳感器和地面原有的IO 模塊直接連接，無(wú)需編程。

（4）數(shù)據(jù)的雙向傳送掃描周期小于10 ms，滿(mǎn)足高頻率應(yīng)用場(chǎng)合。

（5）無(wú)線模塊具備強(qiáng)防干擾能力，相互之間不會(huì)干擾，能夠在車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，不受環(huán)境干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

（6）所有IO 信號(hào)及電源線通過(guò)防護(hù)箱外部的快速接口進(jìn)行連接，接口形式為M12 A CODE 接頭，方便后期信號(hào)的增減。

（7）無(wú)需任何軟件組態(tài)，通電即可完成通信配對(duì)，其運(yùn)行時(shí)也不需任何許可證。

8 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線以太網(wǎng)漏波電纜通信與藍(lán)牙通信在轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)與移行輸送系統(tǒng)的應(yīng)用，為其他運(yùn)動(dòng)型裝備的信號(hào)傳輸提供了可借鑒的無(wú)線化解決方案。通過(guò)在涂裝車(chē)間應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)，減少了信號(hào)傳輸介質(zhì)的使用，為打造綠色、環(huán)保、節(jié)約型車(chē)間提供了裝備基礎(chǔ)。信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，既提高了車(chē)間的設(shè)備可動(dòng)率，為車(chē)間高質(zhì)量按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)提供了保障，又可打破傳輸信號(hào)數(shù)量的限制，提高車(chē)間裝備的自動(dòng)化水平與混線生產(chǎn)能力。

通過(guò)應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)，為打造敏捷型、高柔型和智能型工廠奠定了裝備基礎(chǔ)；通過(guò)采用高自動(dòng)化、高信息化的先進(jìn)措施，打造超級(jí)工廠、智能工廠，為推進(jìn)“中國(guó)制造2025”做出行業(yè)典范。