無線網(wǎng)絡技術(shù)與車身自行小車系統(tǒng)安全防護應用

安徽江淮汽車集團股份有限公司 丁勇杰 饒王飛

安徽江淮汽車集團股份有限公司裝備的車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)，主要由地面部分及空中部分組成。地面部分包含設備的總控制柜、升降工位按鈕站，空中部分包含5臺車身自行小車、承載梁、鋁合金軌道、滑觸線、岔道等。自行小車通過滑觸線的供電方式運行（圖1），小車的動作由PLC進行編程控制，它將機械、電氣、自動控制技術(shù)融合在一起，實現(xiàn)車身自行小車吊具自動運行吊爪開合、吊具升降、小車行走等動作。車身自行小車輸送線（EMS）按照工藝布局中二個起吊工位及一個釋放工位的要求，在地面分別設置三個操作站，車身自行小車進入操作站后，可實現(xiàn)吊具自動控制及人工控制。

圖1 車身自行小車與滑觸線實物圖

通過車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)投入運行發(fā)現(xiàn)，地面總控制柜僅能夠通過滑觸線判定車身自行小車所處位置，卻不能直接控制小車及吊具的動作，即使車身自行小車處在升降工位處，能夠通過按鈕站操作，但是當車身自行小車出現(xiàn)異常時，在地面總控制柜上無法監(jiān)控到車身自行小車的PLC，因此，在處理自行小車異常時，人員需要攜帶筆記本電腦，通過登高梯攀爬對吊具進行檢修。由于車身自行小車距離地面高度有10m，距離安全網(wǎng)高度4.5m，在異常處理過程中或信號瞬間接通后，車身自行小車運行啟動，人員在登高梯上未能及時撤離時，容易發(fā)生人員墜落的安全事故。在生產(chǎn)過程中，設備由于信號傳輸異常、傳感器松動位移、或元器件損壞等往往在日常巡檢中不能提前發(fā)現(xiàn)，而故障導致車身自行小車的停止又可能出現(xiàn)在任意位置。因此，本文通過以提升車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)的監(jiān)測功能為例，對提高設備異常檢查效率及操作的安全系數(shù)進行改進分析，來完善設備的功能，為企業(yè)營造安全的生產(chǎn)環(huán)境。

■車身自行小車輸送線生產(chǎn)工藝流程

車身自行小車輸送線（EMS）的工藝流程圖如圖2所示，它主要包括：5臺空中小車，1個下件工位，2個上件工位，8個積放工位，1個維修站。其操作流程如下。

圖2 自行小車工藝流程圖

1.上件工位按鈕站自動狀態(tài)

小車到達上件工位空中自動停止后，等待駕駛室生產(chǎn)線給準許抓件信號，小車收到準許抓件信號后自動由“快轉(zhuǎn)慢”下降，檢測到工件后自動夾緊，夾緊到位后由“慢到快”上升運動，到達上限位后打開定位機構(gòu)氣缸，給道岔發(fā)變軌信號，變軌到位后自動輸送，并給駕駛室生產(chǎn)線發(fā)送工件吊運完成信號。

2.上件工位按鈕站手動操作

小車自動停止待定位機構(gòu)夾緊到位后，先按上升按鈕，地面柜給小車發(fā)送手動確認信號，此時定位機構(gòu)打開，小車收到信號同時鎖緊定位機構(gòu)，再按照自動狀態(tài)順序進行手動抓件（下降到位一夾緊到位一上升到位—放行），手動操作道岔變軌到位或轉(zhuǎn)換旋鈕由手動轉(zhuǎn)到自動讓道岔自動變軌。

3.下件工位按鈕站自動狀態(tài)

小車到達下件工位空中自動停止，定位機構(gòu)夾緊后，等待調(diào)整線給到位信號，同時檢測板鏈無工件占位，小車收到板鏈到位且無工件占位信號后，自動由快到慢下降，檢測到工件后自動開爪，開爪到位后由慢到快上升運動，到達上限位后打開定位機構(gòu)氣缸，小車自動離開，給調(diào)整線發(fā)送放件完成離開信號。

4.下件工位按鈕站手動操作

小車自動停止待定位機構(gòu)夾緊到位后先按上升按鈕，地面柜給小車發(fā)送手動確認信號，定位機構(gòu)打開，小車收到信號同時鎖緊定位機構(gòu)，再按照自動狀態(tài)順序手動放件（下降到位一松開到位一上升到位—放行）。

■車身自行小車輸送線異常處理過程中存在的安全風險

車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)在運行過程中，小車會因為信號傳輸異常、傳感器松動位移或元器件損壞等問題造成行走停止，或者在抓取車身及釋放車身的過程中，由于上述問題，造成車身自行小車不能進入或離開取放件工位、吊具不能上升或下降、吊爪不能開合取放件等故障。雖然車身自行小車輸送線的主控制系統(tǒng)在地面，但是由于滑觸線的數(shù)量受限，軌道上只有8根滑觸線，在操作站工位，將滑觸線分成3段，分別為3根主電源、1根接地、5根信號，傳輸?shù)孛鍼LC最多只能發(fā)送4個輸出信號給空中PLC，接收1個空中PLC發(fā)給地面的占位信號。所以地面PLC不具備監(jiān)控小車運行狀態(tài)的功能，且在積放區(qū)域也不能對小車進行手動控制，小車在出現(xiàn)故障報警后，地面PLC無法對空中小車的報警進行復位，只能通過重啟的方式進行報警自動復位，而且維修和操作人員不能監(jiān)控到小車的實時狀態(tài)，也不能操作小車進入維修站。車身自行小車控制系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 車身自行小車控制系統(tǒng)圖

由于地面的PLC不能與空中小車進行網(wǎng)絡通信，地面總控制柜僅能夠通過滑觸線判定車身自行小車所處位置，卻不能直接控制小車及吊具的動作，即使車身自行小車處在升降工位處，能夠通過按鈕站操作，但是，當車身自行小車出現(xiàn)異常時，在地面總控制柜上無法監(jiān)控到車身自行小車的PLC，因此，當車身自行小車在運行中出現(xiàn)異常需要處理時，人員只能通過架設升降梯，爬到自行小車上對電氣元件進行排查，或攜帶筆記本電腦與小車控制箱PLC連接，對設備程序進行檢查判斷。如果短時間內(nèi)故障不能排除，則需要將行走電機減速機的抱閘分離開，用人工推拉自行小車的方式，將其送入維修站進行檢修。在整個操作過程中，人員需要站在小車上操作，由于車身自行小車距離地面高度有10m，距離安全網(wǎng)高度4.5m，在異常處理過程中如果信號瞬間接通后，車身自行小車突然啟動運行，人員在登高梯上未能及時撤離時，則極容易發(fā)生人員墜落的事故。

■車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)控制方式的分析

車身自行小車輸送線地面主控制柜內(nèi)有S7-300 PLC、開關(guān)電源、變壓器、繼電器、接觸器等電氣元件。S7-300 PLC作為控制器，它需要與空中車身自行小車控制箱的PLC通過繼電器、滑觸線進行通信，小車控制箱內(nèi)有變壓器、S7-200PLC、繼電器、接觸器和變頻器等元件，變壓器將滑觸線給的380V電壓轉(zhuǎn)變成220V電壓給S7-200PLC供電，一部分滑觸線將380V電源供電電壓給變壓器、變頻器、電機供電，另一部分將地面控制柜給過來的220V交流信號給到控制柜內(nèi)的繼電器，繼電器作為中轉(zhuǎn)將信號送入PLC內(nèi)，PLC的輸入端接收吊具小車的上升到位、下降到位、打開到位、閉合到位、行走到位、以及來自繼電器的控制信號，執(zhí)行吊具升降、吊爪開合和小車行走控制等用戶程序后，通過輸出端控制接觸器來控制升降電機的升降、吊爪的打開閉合和行走電機變頻器的運行。吊具小車的占位信號是當小車在一個積放工位時，通過將滑觸線的一相電源直接與占位信號的碳刷短接，給到地面控制柜的交流繼電器，繼電器作為中轉(zhuǎn)將直流24V信號送入地面主控柜的PLC內(nèi)。

由于受軌道尺寸的限制，軌道上只能安裝8極滑觸線，各滑觸線槽（自上而下）用途分別為：A/B/C為三相380V動力電源，D線為接地線，E/F/G/線為組合信號線，H線為自行小車斷路器開關(guān)電源。車身自行小車動力及信號傳輸分為3組受電器，分別安裝在前小車、中小車、后小車上。車身自行小車運行時，各受電狀態(tài)參考圖1。

車身自行小車在升降位以外區(qū)域運行時滑觸線工作狀態(tài)為：前小車端安裝的8個受電器中，分別是A/B/C線供電，D線接地，E線為小車繼電器KA0，傳輸組合信號1，F(xiàn)/G線不工作，H線為車身自行小車行走變頻電機電源斷路器開關(guān)。中小車安裝的4個受電器中，分別是A/B/C線與前小車受電器A/B/C線并聯(lián)，G線無電。后小車安裝的1個受電器，G線無電。

車身自行小車在升降位取放件運行時滑觸線工作狀態(tài)為：前小車端安裝的8個受電器中，分別是A/B/C線供電，D線接地，E/F/G線通過分別為小車繼電器KA0/KA1/KA2供電，傳輸組合信號1/2/3。中小車安裝的4個受電器中，分別是A/B/C線供電，G線為小車繼電器KA3供電，傳輸組合信號4。后小車安裝的1個受電器，G線為小車繼電器KA4供電，傳輸組合信號5。

從上述情況中可以看出，由于車身自行小車系統(tǒng)中，地面主控制柜與小車之間，僅能夠通過4個滑觸線傳輸有限的幾個信號，因此車身自行小車不論在升降位區(qū)域，還是在升降位區(qū)域以外，通過地面主控柜PLC無法監(jiān)測小車控制箱PLC及各傳感器的信號，同時，也無法在地面對出現(xiàn)異常的小車進行操作控制。

■車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)異地控制改進思路

分析車身自行小車控制柜PLC S7-200的性能，根據(jù)車身自行小車循環(huán)運行特點，結(jié)合網(wǎng)絡通訊技術(shù)，使地面PC與空中PLC建立起無線通信，使其具備遠程監(jiān)控和操作的功能。

（1）自行小車控制箱采用了S7-200 PLC控制，CPU型號為CPU226CN，該PLC將中央處理器，具有支持擴展模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、PROFIBUS-DP模塊、以太網(wǎng)模塊的功能。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)是一種按照工業(yè)控制的要求，基于普通以太網(wǎng)的一種用于工業(yè)自動化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，它利用了以太網(wǎng)的交換結(jié)構(gòu)，具有安全性、可操作性和實時性。西門子CP243-1以太網(wǎng)通信模塊，作為S7-200系列PLC設計的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器，通過CP243-1以太網(wǎng)模塊，可以將S7-200PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)與其他設備進行連接，CP243-1以太網(wǎng)模塊支持標準的TCP/IP協(xié)議，只要通過雙絞線將其連入以太網(wǎng)中，其他以太網(wǎng)上的結(jié)點就可以通過TCP/IP協(xié)議訪問這一臺連接了CP243-1的S7-200 PLC。

（3）無線網(wǎng)絡+無線局域網(wǎng)（WLAN）可以是計算機網(wǎng)絡，不需電纜在節(jié)點之間相互連接。利用射頻技術(shù)，使得信息的傳輸實現(xiàn)無線化。

■新增無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的方案設計

1.控制方案制定

根據(jù)車身自行小車輸送線（EMS）系統(tǒng)異地控制改進思路，結(jié)合現(xiàn)場設備的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場采用了基于無線網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的控制方案，即采用“PC電腦+無線網(wǎng)卡”作為上位機，通過昆侖通態(tài)的MCGS軟件，利用工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)構(gòu)成通訊網(wǎng)絡架構(gòu)（圖4），對5臺空中小車進行組網(wǎng)控制，完成PC電腦與空中小車的通信，實現(xiàn)通過PC電腦對空中小車進行數(shù)據(jù)監(jiān)控和手動控制空中小車的功能。地面的PC機作為上位機與5臺空中小車通過工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）+無線局域網(wǎng)（WLAN）的方式進行數(shù)據(jù)交換，5臺空中小車作為PC電腦的下位機，接收PC電腦發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，并同時返回自身PLC的數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)的狀態(tài)值。

圖4 網(wǎng)絡架構(gòu)圖

2.通信網(wǎng)絡設計

采用PC機+USB無線接收器+MCGS軟件+無線路由器+CP243-1以太網(wǎng)模塊的結(jié)構(gòu)組成無線局域網(wǎng)（WLAN）網(wǎng)絡的方案（圖5），地面PC機采用USB無線接收器+MSGS軟件作為上位機，每臺空中小車采用S7-200PLC+CP243-1以太網(wǎng)模塊+無線路由器作為下位機，上位機與下位機通過無線局域網(wǎng)（WLAN）的方式連接起來，這樣就實現(xiàn)了PC機與S7-200PLC之間的通信。

圖5 網(wǎng)絡硬件架構(gòu)圖

3.硬件組態(tài)與程序設計

CP243-1以太網(wǎng)模塊的硬件組態(tài)：使用西門子S7-200PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN SP9對空中小車的網(wǎng)絡進行組態(tài)，通過以太網(wǎng)向?qū)P243-1以太網(wǎng)模塊進行配置，配置步驟如下。

（1）將CP243-1配裝的一個帶有連接器套接口的集成扁平電纜與S7-200連接，連接24V DC電源，連接RJ45接口的雙絞線，完成CP243-1硬件接線工作。

（2）在S7-200的編程軟件中運行以太網(wǎng)向?qū)δK進行基本參數(shù)和功能的配置。

（3）在程序中正確的調(diào)用相關(guān)的子程序。

（4）將編寫完成的程序使用S7-200的編程電纜下載至PLC（圖6）。

圖6 CP243-1以太網(wǎng)模塊的硬件組態(tài)

4.無線路由器設置（圖7）

使用筆記本電腦連接無線路由器對路由器的LAN端口進行參數(shù)設置，現(xiàn)場采用TPLINK的TL-WR886N型號的路由器，設置步驟如下：

（1）連接路由器電源，打開電腦，將電腦與路由器LAN端口通過網(wǎng)線連接，打開瀏覽器，在輸入欄輸入“tp.login”，然后點擊登錄。

（2）進入到登錄界面，創(chuàng)建管理員密碼，點擊確定后進入下一步，選擇路由器設置——無線設置，設置無線路由器的名稱、無線密碼。

（3）選擇LAN口設置，輸入LAN口的IP地址和子網(wǎng)掩碼，IP地址要和PLC組態(tài)的CP231-1以太網(wǎng)模塊在一個網(wǎng)段內(nèi)，子網(wǎng)掩碼要與CP243-1以太網(wǎng)模塊的子網(wǎng)掩碼相同。設置完成后，重新啟動路由器，并將路由器與CP243-1通過網(wǎng)線連接在一起。

圖7 無線路由器設置

5.上位機程序設計

（1）打開昆侖通態(tài)組態(tài)軟件快捷方式MCGS，新建一個項目（圖8），TPC類型選擇TPC7062TD。

圖8 新建項目

（2）打開設備窗口，在設備管理中將“西門子S7200_CP243-1以太網(wǎng)”的設備構(gòu)建添加到設備窗口中（圖9）。

圖9 添加設備

（3）雙擊設備，打開設備屬性頁，設置如下屬性（圖10）：設備名稱可根據(jù)需要來對設備進行重新命名，但不能和設備窗口中已有的其它設備構(gòu)件同名。初始工作狀態(tài)用于設置設備的起始工作狀態(tài)，設置為啟動時，在進入MCGS運行環(huán)境時，MCGS即自動開始對設備進行操作，設置為停止時，MCGS不對設備進行操作，但可以用MCGS的設備操作函數(shù)和策略在MCGS運行環(huán)境中啟動或停止設備。最小采集周期，運行時MCGS對設備進行操作的時間周期，單位為毫秒，一般在靜態(tài)測量時設為1000ms，在快速測量時設為200ms。通信等待時間，MCGS等待應答幀的延時時間，視網(wǎng)絡的情況而定，大多情況可以使用默認值。本地IP地址填寫PC機的IP地址，遠程IP地址填寫CP243-1以太網(wǎng)模塊的IP地址。

圖10 設備屬性設置

本地端口號：不需要設置此項參數(shù)；遠程端口號：一般情況下請將端口號設置為102；內(nèi)部屬性：內(nèi)部屬性用于設置PLC的讀寫通道，以便后面進行設備通道連接，從而把設備中的數(shù)據(jù)送入實時數(shù)據(jù)庫中的指定數(shù)據(jù)對象或把數(shù)據(jù)對象的值送入設備指定的通道輸出。

（4）打開設備設置內(nèi)部屬性，增加通道和MCGS實時數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對象進行連接，從而做到對PLC中數(shù)據(jù)的讀和寫，具體操作方法如下。

①選擇要對PLC中的那個繼電器區(qū)或寄存器區(qū)進行操作即選擇通道類型。

②選擇是只讀、只寫、還是讀寫，默認是只讀。

③指定操作該繼電器區(qū)或寄存器區(qū)的什么地方即輸入通道地址（圖11），若果要以字操作的方式讀或?qū)慥W15，則在輸入通道地址中寫15。

圖11 增加設備通道圖

④位操作時指定操作該通道地址中的那一位（0-7）。

⑤設置一次連續(xù)增加多少個PLC通道。

⑥返回主頁面，打開“實時數(shù)據(jù)庫”窗口，點擊新增對象（圖12），在對象屬性設置窗口可以對對象名稱、初始值、對象類型進行修改，點擊確定，可按照需求增加對象的數(shù)量。

圖12 增加數(shù)據(jù)對象

⑦返回主頁面，打開“用戶窗口”，新建窗口，對窗口進行命名，并雙擊進入到選擇的窗口內(nèi)進行編程。

⑧建立基本元件（圖13）：按鈕、指示燈。

圖13 建立基本元件

⑨雙擊按鈕和指示燈，打開屬性設置（圖14），將按鈕和指示燈與實時數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)連接。

圖14 元件屬性設置

6.PLC程序設計

（1）打 開S7-200PLC編 程 軟 件STEP 7 MicroWIN SP9，打開自行小車PLC程序（圖15）。

圖15 自行小車PLC程序

（2）打開符號表，新建與MCGS軟件中實時數(shù)據(jù)庫對應的變量（圖16）。

圖16 新建變量

（3）打開程序塊，在小車“上升、下降、前進、后退、吊爪打開、吊爪閉合”的程序段中加入手動控制的條件（圖17）。

圖17 新增小車手動控制功能

（4）將編輯好的程序下載到S7-200PLC中（圖18）。

圖18 程序下載至PLC

7.自行小車無線控制系統(tǒng)的調(diào)試

對自行小車無線控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計完成后，對系統(tǒng)進行調(diào)試測試。

（1）啟動PC機系統(tǒng)，安裝USB無線接收器驅(qū)動程序，安裝完成后在桌面右下角找到WLAN圖標，選擇連接已設置好的無線路由器（圖19）。

圖19 USB無線接收器安裝

（2）打開MCGS組態(tài)軟件，打開編輯好的“自行小車隨車監(jiān)控”項目，選擇工具—下載配置—模擬運行—工程下載，此時MCGS軟件將項目下載到軟件自帶的MCGS模擬運行系統(tǒng)，點擊啟動運行，此時模擬畫面啟動（圖20）。

圖20 MCGS模擬系統(tǒng)下載

（3）查看編輯的指示燈的狀態(tài)與實際PLC中的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的狀態(tài)一致，說明網(wǎng)絡已經(jīng)連接成功。操作畫面上的軟按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)控制PLC中的變量，繼而實現(xiàn)控制空中小車的動作（圖21）。

圖21 查看和操作控制畫面

■結(jié)束語

通過設計USB無線接收器+無線路由器+CP243-1以太網(wǎng)模塊組成的無線局域網(wǎng)（WLAN）解決方案，在車身自行小車控制系統(tǒng)中建立了PC機與S7-200PLC的TCP/IP通信，而且通過昆侖通態(tài)的MCGS軟件編寫的程序可以直接讀寫S7-200的數(shù)據(jù)寄存器，提高了整個系統(tǒng)的柔性。采用無線網(wǎng)絡的方式，打破了滑觸線的局限性，方便了人與機的信息交互，車身自行小車在任何位置出現(xiàn)異常時，操作人員可以在地面通過PC機，對空中小車的實時狀態(tài)和報警信息監(jiān)控。同時，也可以通過PC機安裝的軟件模擬系統(tǒng)，直接對空中小車的各項動作進行遠程操作，成功解決了人員攀爬登高檢修小車作業(yè)存在的高風險。經(jīng)過這次對車身自行小車系統(tǒng)的安全改進，參與人員在改進過程中收集并參考大量的資料，也從改進的活動中學習到了相關(guān)的知識，為今后發(fā)掘設備安全隱患，對設備進行安全改進積累了必要的經(jīng)驗。