基于PLC控制系統的綜合測試區的設計

徐杰 丁勇剛

摘要：為應對公司2019年產能爬升，提升測試區空間利用率，改善測試安全環境和提高生產測試效率，對現有測試區進行自動化改造。本系統包含8個測試區改造，屬于新一代集成化綜合測試工作區，為地鐵和動車項目的各類變流器控制箱提供了高效率測試，滿足絕對的安全性以及遠程一體化操控，且具備自動采集數據和監控功能，在充分保證了測試質量的基礎上進一步提高生產效率和空間利用率。

關鍵詞：PLC;HMI;遠程懸臂控制;智能儀表;鋼結構;安全門

0 背景

原測試區為傳統平面化布局形式，具有如下局限性：

1、原測試區域設備與被試產品處于同一平臺，占用了大量空間，車間愈發局促擁擠。

缺點：空間利用率極低，無法滿足因產能提升而迫使車間空間重新布局的新要求。

2、測試人員工作區域緊靠在設備旁邊進行測試，缺乏有效的安全隔離防護措施。

缺點：測試人員在高壓設備邊上進行操作，存在安全隱患，安全無保證。

3、各測試區域相對分散，不能同時滿足EMU/CVZ/B-Car產品測試。

缺點：待測產品及測試人員需往返于各測試區域之間，工作效率較低。

4、各測試區域操作人員須分別操作電源設備與電阻設備進行測試。

缺點：測試人員容易誤操作，甚至影響產品質量。

1 系統設計

本系統的設計理念是：搭建2層鋼結構平臺，對原測試區設備、設施重新整合布局，并遵循各測試區原有設備的控制原理，增加了遠程懸臂控制系統和安全門控制系統。設計出一種空間利用率高、布局合理、科技感強、安全穩定的新型EMU/CVZ/B-Car 綜合測試區。

為達到上述目的，本系統從鋼結構平臺、遠程懸臂控制系統和安全門控制系統三個方面來設計：

1.1鋼結構平臺

本系統首先在原測試區搭建2層鋼結構平臺，整個鋼結構平臺上下均為8個區域，通過鋼結構平臺承載配重計算，合理布局，將各設備主體移至2層平臺上，被試產品則位于1層平臺下。這樣，能同時滿足EMU/CVZ/B-Car產品測試，待測產品及測試人員無需往返于各測試區域之間，提高工作效率，進而迎合2019年產能提升的新要求。各測試區域布局如下圖：

1.2遠程懸臂控制系統

1）懸臂設計

本系統開創性地將懸臂控制箱與鋼結構平臺巧妙地結合，根據各測試區設備各自的特點，結合測試操作人員的實際需求，將控制按鈕、智能儀表、HMI和工業平板電腦等人機交互組件集成到懸臂控制箱上，將懸臂安裝于鋼結構平臺立柱上。操作人員在一層通過懸臂控制箱操作，懸臂箱體可以水平方向擺動、旋轉，從而可以調整控制箱位置，方便操作人員觀察產品測試情況。

2）全自動數據采集、分析和控制

本系統新增一套西門子S7-1200PLC，將各設備機柜面板上的機械儀表更換為數字智能儀表，通過基于Modbus RTU通訊協議的RS485串口通訊網絡連接至PLC，把設備運行時的主要工藝參數（如電壓、電流等）自動傳輸到PLC中，進行各種邏輯運算和控制，掌握設備運行的主要數據并進行集中監控，進而實現更多自動化控制功能的擴展。

增加基于S7協議的Profinet網絡連接PLC與HMI及工業平板電腦，將PLC中的各項數據傳輸到HMI顯示出來，同時把HMI上的操作指令信號傳輸到PLC中進行邏輯運算和控制。工業平板電腦裝于懸臂雙箱體控制箱上，控制產品與設備聯動測試，并實時反饋產品測試過程中的各項參數曲線。

原測試區的電源設備與電阻設備是獨立設備，實際生產過程中需分別對2臺設備進行分開操作才能完成一項任務，自動化程度低。現直接把需要執行的測試動作集成到HMI軟件系統中進行一鍵操作，兩臺設備會自動執行各自所需的動作。

3）人機分離及防呆功能

把高壓設備放到上層平臺上，生產時只需在下層連接好預留的接口，在懸臂控制箱上完成整個測試的控制。實現了高壓設備和作業區域分開管理，保證了人員的安全性，并提高了場地的利用率。

將各電源設備和電阻設備的控制功能集成到各懸臂控制箱上，通過一個懸臂控制箱操控2臺設備，并增加電源設備和電阻設備聯鎖功能，防止操作人員遺忘啟動電阻。

增加數據監控功能，實現了對設備輸出過壓、過流保護功能，一旦輸出超出設定電壓和額定電流，則停止升壓，防止因誤操作產生過壓、過流等致使設備故障及產品損壞。

1.3安全門控制系統

增加4臺快速卷簾門和4道PVC折疊門，對測試操作人員與被試產品進行有效隔離，進一步提高測試區安全系數。

1）快速卷簾門控制系統

由控制箱、卷簾門、電機及編碼器等組成，門的開啟通過電機驅動，關閉則是依靠重力驅動，主要具有以下特點：

l自動/手動模式切換功能，手動模式即為人工操作，在停電或門出現故障等異常情況時，可使用曲柄手動開啟卷簾門。

l具有無線探測障礙功能，即關門時遇到產品等障礙物時卷簾門會自動重新開啟，避免了人為誤操作關門。

l控制箱內部提供了I/O接口，可實現卷簾門與設備的聯鎖控制，即測試人員必須先關閉卷簾門，才能操作設備啟動高壓輸出進行測試，且高壓測試過程中時，卷簾門無法開啟，避免了人為誤操作開門，保證了高壓設備與人員的安全隔離。

l控制箱內部提供了地磁、外部緊急停止開關、紅外線光電等多種功能擴展接口，為日后測試區安全門功能擴展提供基礎。

l控制箱配置了LED顯示窗口，能夠顯示卷簾門狀態及故障信息，便于設備人員故障診斷與檢修。

2）PVC折疊門控制系統

沒有安裝快速卷簾門的4個測試區將增設PVC折疊門，并加裝安全門鎖與設備聯鎖控制，通過解鎖按鈕發出開鎖指令，實現測試操作人員與被試產品間的有效隔離。

2 結論

綜上所述，與原測試區相比，基于本系統設計的綜合測試區增加了鋼結構平臺、遠程懸臂控制系統和安全門控制系統。主要體現了以下優點：

l實現了8個測試區域集中布局，大大提高了車間空間利用率，拉近了各測試區域間的距離，使對設備、產品及測試操作人員的管理效率顯著提升，從而打破了產能提升在空間上的瓶頸。

l實現了測試操作人員與設備、被試產品的人機隔離，形成安全可靠的測試區生產模式，充分貫徹了安全第一的原則。

l新添加的智能儀表、PLC、HMI、工業PC及工業網絡等諸多自動化元素的運用，不僅使整個測試生產過程閉環可控，提高了測試數據的精確度和測試過程的可靠性，避免了誤操作導致的設備故障，增強了設備的穩定性，還為日后測試區更多自動功能的擴展打下堅實基礎，貼合工業4.0時代潮流。

l別具一格的懸臂控制系統設計，在符合人體工程學的前提下，更加美觀，富于科技感，體現了以人為本、不斷創新的理念。