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汽車制造業(yè)無線通信技術(shù)應(yīng)用

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汽車制造業(yè)無線通信技術(shù)應(yīng)用

摘要:介紹無線以太網(wǎng)漏波電纜通信和無線藍(lán)牙通信的關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合現(xiàn)場改造實(shí)例,闡述無線通信技術(shù)應(yīng)用在汽車制造業(yè)的優(yōu)勢,為運(yùn)動類裝備的通信問題提供解決方案。

關(guān)鍵詞:無線通信;漏波電纜;藍(lán)牙通信;汽車制造

引言

一汽解放青島汽車有限公司(以下簡稱“青汽廠”)是解放商用車重要的生產(chǎn)基地,設(shè)計(jì)產(chǎn)能10萬輛,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)品種類多,生產(chǎn)線采用高柔性設(shè)計(jì)方案。目前無線通信技術(shù)日趨成熟,不斷應(yīng)用到汽車制造領(lǐng)域,利用無線通信傳輸信號與工業(yè)自動化控制系統(tǒng)深度結(jié)合的方式,能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的簡潔化,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,商用車市場持續(xù)火爆,青汽廠產(chǎn)能不斷提升、產(chǎn)品不斷更新,對裝備提出高可靠性、高自動化、高柔性、高智能性的要求。涂裝車間現(xiàn)有空中輸送系統(tǒng)3套,移行輸送系統(tǒng)38套,為車間內(nèi)往復(fù)運(yùn)動機(jī)械化輸送類裝備。上述裝備原有動力與信號傳輸方式已無法滿足實(shí)際需求,急需進(jìn)行升級改造。3套轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)分為PVC(PolyvinylChloride,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。

2轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)現(xiàn)存問題

(1)轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)采用九段式滑觸線進(jìn)行動力電供應(yīng)和信號傳輸,僅在上件和下件工位可以完成抱臂合攏、打開操作。通過滑觸線間隔區(qū)間段,可以實(shí)現(xiàn)抱臂6點(diǎn)數(shù)開和定位,其中包含打開到位和合攏極限,即僅可自動完成4種車型的轉(zhuǎn)掛工作。無法滿足多品種駕駛室自動轉(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)無精確停止定位裝置,僅在工藝工位,依靠空中接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)停止定位。且無法查看到轉(zhuǎn)掛小車的實(shí)時位置和攜帶駕駛室的車型信息。(3)九段式滑觸線與集電器長期保持滑動摩擦,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)信號誤觸發(fā)情況。

3轉(zhuǎn)掛系統(tǒng)解決方案

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

3.1方案介紹

采用無線以太網(wǎng)控制方式,系統(tǒng)框架圖如圖1所示。(1)主控柜采用西門子319PLC控制,通過以太網(wǎng)口與菲尼克斯PROFINET交換機(jī)相連,與無線發(fā)射模塊直接通信。主要處理主站與小車從站、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)時顯示小車的工藝狀態(tài)、位置等信息,并在故障時操作相應(yīng)的小車,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。(2)小車從站選用智能型PLC,通過接入PROFINET網(wǎng)絡(luò),作為主控柜PLC的智能從站,實(shí)現(xiàn)主—從通信。小車上PLC主要控制小車的行走、吊具的開合等。車載PLC直接與隨車的無線接收模塊通信,無線接收模塊與無線發(fā)射模塊通過5G的漏波電纜通信,從而實(shí)現(xiàn)車載PLC和主控PLC的通信(圖2)。(3)考慮到目前2.4G的普遍性,為了防止信號干擾,此次改造中的無線發(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行走在漏波電纜附近,確保無線信號的強(qiáng)度。

3.2條形碼定位應(yīng)用情況

(1)小車行走通過勞易測BPS348iSM100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±0.15mm。(2)采用條形碼方式定位后,小車可以實(shí)時的判斷自己的位置及其他小車的位置,能夠更加精確的控制行走及定位。(3)在讀寫區(qū)域內(nèi)有一個條形碼被讀到就可以確定小車的位置信息,大大增加了定位的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性(圖3)。

3.3漏波電纜技術(shù)介紹

(1)漏波電纜從外觀上面來看是一種電纜,它可以將無線信號延伸到所鋪設(shè)的位置,應(yīng)用時將漏波電纜沿?zé)o線設(shè)備運(yùn)動的軌跡鋪設(shè),如沿小車行進(jìn)的軌道鋪設(shè),同時將漏波電纜通過饋線與無線模塊相連,這樣無線模塊就通過漏波電纜將無線信號傳送到小車行進(jìn)的軌道周圍。行進(jìn)的小車上面安裝信號接收端,信號接收端和信號發(fā)射端的漏波電纜之間是沒有障礙物的存在的(圖4)。(2)由于距離非常近,空中衰減很小,接收的信號強(qiáng)度就會很好,無線的傳輸也就非常穩(wěn)定,在規(guī)定的9~13cm接收足夠強(qiáng)的無線信號,同時不會干擾和被干擾。(3)在空中自行小車線的應(yīng)用上,多種鋼結(jié)構(gòu)阻擋的車間等需要進(jìn)行無線通信的場合,采用漏波電纜會比采用普通天線有更穩(wěn)定的無線傳輸,同時由于無線傳輸穩(wěn)定了,數(shù)據(jù)包的不良率會降低,減少了不必要的數(shù)據(jù)重傳,無線也就會有更加快速的響應(yīng)速度(圖5)。(4)抱臂打開、合攏定位方式。目前車間抱臂打開、合攏依靠行程開關(guān)控制,當(dāng)車型增加時已沒有位置安裝相應(yīng)的開關(guān)。考慮到此情況,此次改造采用激光測距儀來控制小車抱臂的開合位置,可以打破多種車型寬度數(shù)量限制,定位精度在±2mm內(nèi)。抱臂打開與合攏極限超程位選用行程開關(guān)限制。

4滑觸線分段控制和無線以太網(wǎng)控制的比較

原有轉(zhuǎn)掛小車均采用滑觸線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和動力供電,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)前主流的無線以太網(wǎng)通信技術(shù)。

4.1信息交互無限量

通過無線以太網(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,信息交互量不在受到限制。主控PLC可以將任意多的車型傳遞給空中自行小車、主控PLC可以給空中自行小車多種速度,使小車行走起來更平穩(wěn),增加小車的使用壽命。空中自行小車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題。主控PLC和空中小車構(gòu)成了一個閉環(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)小車位置實(shí)時監(jiān)控、小車參數(shù)即時設(shè)置。

4.2系統(tǒng)可靠性高

無線以太網(wǎng)控制方式取消了用于信號控制的滑觸線,僅留4極為空中小車提供電源。滑線和碳刷的減少,避免了小車由于抓取工件上下抖動和碳刷接觸不良造成的信號丟失,以及碳刷長期與滑觸線摩擦,碳粉滯留在滑線分段處或者滑線上造成信號誤傳輸。采用無線以太網(wǎng)控制方式信息交互通過無線以太網(wǎng)模塊進(jìn)行交互,無需通過滑觸線和繼電器經(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電氣安裝簡單

取消了用于信號交互的滑線,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)信息通過安裝在自行小車上的無線以太網(wǎng)接收模塊和通過漏波電纜連接的無線以太網(wǎng)發(fā)射模塊進(jìn)行交互。無線以太網(wǎng)控制方式減少了自行小車隨車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)簡單化。

4.4維護(hù)方便

采用無線以太網(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)的硬件連接更加簡單。小車故障可以實(shí)時反饋給主控PLC,便于快速的處理和解決。小車的動作由自己獨(dú)立控制,可以在主控柜觸摸屏上設(shè)置相應(yīng)小車的控制按鈕,當(dāng)小車出現(xiàn)故障時可以方便地將故障小車放置到維修段。

4.5經(jīng)濟(jì)效益

對于由控制系統(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,通過無線以太網(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)存問題

涂裝車間共有38臺移行機(jī),移行機(jī)的電源線和信號線全部布置在電纜拖鏈中,每個移行機(jī)有4根電源線,11根信號線,移行機(jī)形成平均長度15m。拖鏈中的電纜在連續(xù)使用4年后,經(jīng)統(tǒng)計(jì)有18臺移行機(jī)電纜磨損嚴(yán)重,開始頻繁出現(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線藍(lán)牙通信模塊CBL-ATK-JF-WXCN01(1089615)作為信號無線傳輸裝置。原移行機(jī)上接近開關(guān)信號線通過防護(hù)箱內(nèi)接線端子連接到無線I/O模塊的數(shù)字量輸入端,該信號可通過無線傳輸?shù)降孛娣雷o(hù)箱的無線I/O模塊。(2)配置兩個IP65防護(hù)等級的箱體,其中一個防護(hù)箱安裝在移行機(jī)移動設(shè)備上,另外一個防護(hù)箱安裝在地面原有IP67IO模塊旁并以數(shù)字量輸出的方式輸出(圖7)。

7移行輸送系統(tǒng)信號有線與無線傳輸比較

(1)無線通信可靠穩(wěn)定傳輸I/O信號,解決了因電纜磨損導(dǎo)致的信號丟失問題,并且還具有安裝維護(hù)簡單方便的特性,便于后期維護(hù)。(2)每個模塊上均有LED(LightEmittingDiode,發(fā)光二極管)指示燈診斷無線連接質(zhì)量和狀態(tài)。(3)每個模塊具有16路開關(guān)量輸入輸出以及2通道模擬量輸入輸出0~10V或4~20mA,可與移行機(jī)上的傳感器和地面原有的IO模塊直接連接,無需編程。(4)數(shù)據(jù)的雙向傳送掃描周期小于10ms,滿足高頻率應(yīng)用場合。(5)無線模塊具備強(qiáng)防干擾能力,相互之間不會干擾,能夠在車間現(xiàn)場穩(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信號及電源線通過防護(hù)箱外部的快速接口進(jìn)行連接,接口形式為M12ACODE接頭,方便后期信號的增減。(7)無需任何軟件組態(tài),通電即可完成通信配對,其運(yùn)行時也不需任何許可證。

8結(jié)束語

無線以太網(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)動型裝備的信號傳輸提供了可借鑒的無線化解決方案。通過在涂裝車間應(yīng)用無線通信技術(shù),減少了信號傳輸介質(zhì)的使用,為打造綠色、環(huán)保、節(jié)約型車間提供了裝備基礎(chǔ)。信號的穩(wěn)定傳輸,既提高了車間的設(shè)備可動率,為車間高質(zhì)量按時完成生產(chǎn)任務(wù)提供了保障,又可打破傳輸信號數(shù)量的限制,提高車間裝備的自動化水平與混線生產(chǎn)能力。通過應(yīng)用無線通信技術(shù),為打造敏捷型、高柔型和智能型工廠奠定了裝備基礎(chǔ);通過采用高自動化、高信息化的先進(jìn)措施,打造超級工廠、智能工廠,為推進(jìn)“中國制造2025”做出行業(yè)典范。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)(第4版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016:241-254.

作者:路垚 韓兆進(jìn) 劉潤東 左柯 單位:一汽解放青島汽車有限公司