EMS載具系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)探究與故障分析

項(xiàng)學(xué)良，于韶東，解品星

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺(tái)，264006）

0 引言

現(xiàn)代制造業(yè)隨著科技的不斷進(jìn)步，大型整車汽車廠的主裝配線也朝著智能化，模塊化，信息化方向發(fā)展。主裝配線在生產(chǎn)過程中不僅要匹配不同的速度要求，差異的工位操作高度，還要根據(jù)作業(yè)環(huán)境和周圍設(shè)備達(dá)成良好的兼容性。目前自動(dòng)軌道輸送系統(tǒng)（EMS）在國(guó)內(nèi)外使用廣泛，其良好的特點(diǎn)大大提高了現(xiàn)場(chǎng)效率，改善了人機(jī)工程，提升了崗位柔性，方便功能擴(kuò)展。在大型的整車裝配車間，EMS輸送系統(tǒng)里包括上百臺(tái)載具小車，每臺(tái)小車都搭載著獨(dú)立的控制器、感應(yīng)器和驅(qū)動(dòng)器。在載具上集成了移動(dòng)控制硬件，包括供電、配電、感應(yīng)器、I/O通道、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)以及邏輯控制器。但目前多數(shù)的解決方案仍被國(guó)外廠商所主導(dǎo)。

1 硬件設(shè)計(jì)主框架

所研究的EMS載具小車系統(tǒng)，其硬件由16位單片機(jī)ST10F269Z2為主MCU,連接多個(gè)智能硬件模塊，及外圍電路構(gòu)成?？傮w硬件框架如圖1所示。

圖1 EMS系統(tǒng)硬件框架

整個(gè)系統(tǒng)包括安全PLC BBH,主CPU控制板，升降功能板，驅(qū)動(dòng)功能板，4塊I/O信號(hào)處理板（其中1塊是SSI編碼器板），電機(jī)抱閘檢測(cè)板，紅外線通訊板等板卡組成。

2 主要功能模塊

■2.1 安全模塊BBH

安全模塊是由緊湊型的內(nèi)嵌的SafePLC SMX12-2及組件SMX 31R組成。首要任務(wù)是對(duì)載具安全性相關(guān)功能的檢測(cè)，其中編碼器接口采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)軌道讀碼器、電機(jī)增量編碼器、升降電機(jī)絕對(duì)值編碼器和增量編碼器信息；數(shù)字I/O接口采集載具的四路過載及斷帶信號(hào)。安全PLC編程處理后，輸出系統(tǒng)停止，過載，斷帶保護(hù)，驅(qū)動(dòng)過速，升降過速，高度檢測(cè)信號(hào)給I/O信號(hào)處理板，同時(shí)給驅(qū)動(dòng)和升降板提供安全使能信號(hào)。安全模塊雙通道控制升降和驅(qū)動(dòng)主接觸器，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)切斷安全電路，禁用所有運(yùn)動(dòng)，變頻器停止運(yùn)行并啟動(dòng)制動(dòng)器。

■2.2 升降和驅(qū)動(dòng)功能板

升降板核心是控制IPM中產(chǎn)生IGBT的激活電壓，它是由BBH產(chǎn)生的24V使能電壓經(jīng)LM2675開關(guān)電源穩(wěn)壓后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓VCC1,經(jīng)開關(guān)調(diào)節(jié)器芯片CD4047和CD4050通過開關(guān)變壓器處理得到IPM上下橋工作電壓。如圖2所示。

圖2 IPM模塊IGBT的激活電壓

驅(qū)動(dòng)板為整個(gè)系統(tǒng)提供24V電源和I/O工作電源，核心控制是逆變器智能模塊PM75RL1A120中產(chǎn)生IGBT的激活電壓。開關(guān)電源提供24V電源，通過板上兩個(gè)串聯(lián)的安全繼電器K1和K2的兩個(gè)常開點(diǎn)連接，安全繼電器通過小車控制器中的安全模塊激活（BBH安全模塊送出的驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)）。如果出現(xiàn)故障，安全模塊將切斷兩個(gè)安全繼電器的24V，導(dǎo)致后面的開關(guān)調(diào)節(jié)器無任何電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作。板上安全繼電器動(dòng)作如圖3所示。

圖3 安全繼電器K1/K2控制示意圖

板上還集成了其它系列功能，包括相位故障檢查功能，電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)功能，電機(jī)電流測(cè)量功能，母線電路電壓監(jiān)測(cè)功能等。同時(shí)還有獨(dú)立供電功能，給提升電機(jī)提供180VDC的制動(dòng)電壓。

■2.3 SSI通訊板

SSI協(xié)議是絕對(duì)位置傳感器和控制器串行接口協(xié)議，載具的讀碼器信號(hào)和升降絕對(duì)值編碼器通過SSI協(xié)議和板上8位單片機(jī)AT89S8253進(jìn)行通訊。通訊電源由DC/DC轉(zhuǎn)換供給，目的是提升通訊的穩(wěn)定性和抗干擾能力。SSI通訊電路圖如圖4所示。

圖4 SSI通訊原理圖

■2.4 I/O信號(hào)板

BBH安全模塊輸出點(diǎn)給I/O信號(hào)板，通過P124光電耦合隔離后，由帶施密特觸發(fā)器的反相緩沖器74HC14D信號(hào)放大后給單片機(jī)接口。板上單片機(jī)經(jīng)過編程后輸出低電平，驅(qū)動(dòng)輸出端的PNP三極管導(dǎo)通，經(jīng)過P124光電耦合隔離信號(hào)后，VN340SP固態(tài)繼電器輸出。升降請(qǐng)求1、升降請(qǐng)求2、BBH復(fù)位輸出信號(hào)，由BBH診斷編程。另外一路輸出信號(hào)控制棘輪電磁閥。如圖5所示。

圖5 I/O信號(hào)板輸入輸出信號(hào)示意圖

3 典型故障分析

■3.1 變頻器缺相

系統(tǒng)缺相檢測(cè)電路觸發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，內(nèi)部會(huì)自復(fù)位一次，避免因?yàn)楣╇姷乃查g波動(dòng)，如果仍然缺相，則會(huì)報(bào)故障代碼-22。產(chǎn)生原因：?jiǎn)纹瑱C(jī)引腳104電平觸發(fā)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警變頻器缺相。工作原理：三相電壓正常時(shí)，經(jīng)光電耦合TLP124隔離導(dǎo)通后產(chǎn)生低電平，經(jīng)74HCT04反相緩沖后，輸出高電平，則系統(tǒng)檢測(cè)正常。當(dāng)某一相檢測(cè)通道出現(xiàn)問題，例如10k電阻虛焊或者光耦損壞，光耦無法導(dǎo)通出現(xiàn)高電平，經(jīng)過反相器后就會(huì)低電平報(bào)警（見圖6）。

圖6 缺相檢測(cè)電路

■3.2 棘輪打開檢測(cè)故障

吊具下降時(shí)，電磁閥要打開棘輪鎖定保護(hù)，為了防止棘輪鎖定被卡住，吊具要上升（約為3mm），然后再下降，如果吊具上升該段距離結(jié)束，電磁閥打開檢測(cè)開關(guān)未被檢測(cè)，則報(bào)警產(chǎn)生故障代碼-63。產(chǎn)生原因：檢測(cè)開關(guān)損壞或位置沒調(diào)好；上升監(jiān)控距離設(shè)置太?。浑姶砰y控制故障。工作原理：當(dāng)系統(tǒng)邏輯控制允許電磁閥得電時(shí)，單片機(jī)P2.5端口輸出低電平，PNP三極管導(dǎo)通，光電耦合后得到固態(tài)繼電器VN340SP的I/O輸入端信號(hào)，觸發(fā)輸出24V電壓給電磁閥線圈（見圖7）。其中元器件質(zhì)量下降或固態(tài)繼電器電源出現(xiàn)問題都將會(huì)導(dǎo)致輸出不正常。

圖7 電磁閥控制線路

■3.3 通訊故障 XXX offline(掉線)

出現(xiàn)XXX offline(掉線)故障時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的通訊出現(xiàn)中斷。故障代碼-91到-98分別代表驅(qū)動(dòng)變頻器掉線/升降變頻器掉線/板1（6030）掉線/板2（6012）掉線/板3（6012）掉線/讀頭掉線/升降編碼器掉線/地址盒FAB掉線。主CPU板作為主站，每塊功能板作為從站，其中編碼器板通過SSI協(xié)議和板上單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其它板通過RS485協(xié)議和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。如出現(xiàn)故障代碼-93，板（6030）掉線，首先檢查板6030的通訊接頭是否松動(dòng)脫落，再檢查通訊芯片75LBC176的工作5V是否正常。接下來檢查RS485 A/B差分通道是否斷開，單片機(jī)給通訊芯片的使能DE/RE信號(hào)是否正常，74HC14緩沖反相器是否正常，R/D接收發(fā)送通道是否斷開（見圖8）。

圖8 6030板單片機(jī)和通訊芯片電路圖

4 總結(jié)

通過對(duì)此型號(hào)EMS載具系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的分析研究，對(duì)系統(tǒng)典型故障的深入剖析，為國(guó)內(nèi)汽車廠類似的EMS系統(tǒng)提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修保養(yǎng)改進(jìn)等項(xiàng)目提供技術(shù)支持?？煽康陌踩刂苹芈罚鄬拥男盘?hào)互鎖，不同電源等級(jí)的分層控制，互不干擾的通信設(shè)計(jì)，也為工業(yè)電路板的維修設(shè)計(jì)提供了學(xué)習(xí)方案。