淺談汽車制造工廠節能應用

孫長柏

（一汽-大眾汽車有限公司青島分公司，山東青島 266200）

應用網絡驅動照明、控制機器人休眠及自動激活的自動控制系統較復雜，可編程控制器為自動化系統參與照明系統控制及機器人自動控制提供了空間。該自動控制系統過程控制更平穩、可靠，抗干擾性能增強，將機械與電氣部件有機地結合在一個設備內，可以搭配PROFINET網絡與互聯網相連接，成為智能物聯系統運行中的關鍵技術，是自動化制造領域節能減排的核心控制單元。

1 背景

目前，可以通過網絡實現智能化節能控制，焊裝車間的自動化覆蓋率高，但自動設備及輔助設施的日常工作消耗大量電能。據統計，自動設備每小時消耗電能約2 217 kW·h，去除設備正常工作，待機時，照明設備每小時消耗電能約620 kW·h，占車間整體電能消耗的27%。焊裝車間機器人滿載運行消耗功率8.36 kW，按日產1 200臺車計算，工作22 h、負荷率60%、車間共1 036臺、滿載運行，每天車間消耗電能114 324 kW·h。停工檢修狀態時，可以將機器人調整為休眠待機狀態，減少電能消耗。休眠狀態可以通過現有自動化程序執行，但喚醒需要人工操作，機器人基數大，需大量人員。為達到節能效果，開發機器人自動深度休眠及自動喚醒程序，對提高企業效率、降低能耗等方面具有重要意義。

2 網絡驅動照明自動控制系統方案

2.1 概述

本項目創新應用設備網絡基礎，采用多模控制方式，依托通用照明設施的控制方式，融入自動化工位控制系統，引入智能物聯思路，應用互聯網技術，形成現場照明系統的自動化控制。

采用現場自動化控制的核心PLC采集數據，進行邏輯判斷分析，通過PROFINET工業網絡進行數據傳輸，通過網絡耦合器將數據匯總，進行邏輯處理，設置合理的開關照明系統，新增延時控制功能，人性化利用照明資源。

2.2 標準模式

通過模式切換功能，保留標準照明控制方式，在公共母線取電后，使用主控柜進行分路，到達安裝現場后，分配給每一條線體，經斷路器控制每個照明燈。進行照明系統控制，防止網絡信號異常時，無法對照明系統進行控制。優化開關位置，貼近現場標識，隨用隨開。

2.3 隨動模式

項目創新的核心為采用網絡基礎為依托，實現雙軌制智能控制方式，采用先進的工業PROFINET網絡，完成數據采集傳遞。在自動化控制系統中，分清各個主控PLC的主次關系，由輔助控制系統完成本區域的信號采集監控，通過網絡耦合器，進行信號傳遞，為了保證現有自動系統穩定性，統一規范，完成信號采集。

3 機器人休眠激活控制方案

3.1 機器人休眠激活控制架構

采用現場自動化控制的核心PLC采集數據，進行邏輯判斷分析，確認機器人實際運行狀態，配置機器人系統文件，激活其遠程控制休眠及喚醒接口，應用Python編寫人機界面啟動程序，實現自動喚醒功能。確立執行架構、深度節能模式（機器人深度睡眠）、激活或退出模式、操作面板控制、程序自動控制。

3.2 工控機基礎設置

（1）D盤根目錄，從U盤復制“QD_wakemeonlan”文件夾（WakeMeOnlan.exe、WakeMeOnlan.cfg、QD_Wakeup）至制定存儲路徑。

（2）在桌面創建QD_Wakeup快捷方式，檢查A屏分辨率設置為1 366×768。

（3）Python程序無法實現自動輸入密碼登錄賬戶至桌面，取消A屏退出屏保輸入密碼選項。編輯器的可用性取決WinCC flexible版本和要組態的HMI設備。WinCC flexible的工作環境只顯示當前使用的HMI設備所支持的編輯器。組態工作簡單且易于進行，選擇PC677 19#touch編輯人機界面。

3.3 機器人節能控制方案架構

自動化控制可以實現多種模式控制，是實現機器人自動休眠模式的核心控制部分。使用Python編寫機器人自動喚醒軟件實現喚醒程序，驅動現有HMI界面，實現自動化啟動及模式確認，實現自動喚醒。

4 控制程序設計

4.1 網絡控制方式創新

在S7中編寫OB1（主調用程序）中調用FC97（信號采集），信號源為安全護欄，同時編輯FB900(安全程序）中調用安全信號傳遞功能塊FB984（信號接收）FB983（信號發送）。

程序編寫符號表及核心部分程序如圖1所示。

圖1 程序編寫符號表及核心部分程序

在此程序段中，讀取其他工作組信號來源I800.3，與上本工位自動門信號進行匯總，輸出給邏輯虛擬變量M800.0，經過延時處理，最后輸出結果變量用于顯示。

4.2 機器人休眠模式控制程序

PLC控制程序編寫，打開step7，編寫邏輯控制程序，實現休眠控制機器人塊，編寫FB891，第一工作組第一個機器人從DB4100開始。

4.3 喚醒程序編寫

喚醒程序編寫通過使用Python編寫機器人自動喚醒軟件實現，驅動現有HMI界面，實現自動化啟動及模式確認。

4.4 機器人通信接口程序設定

通過機器人底層程序配置，實現網絡對接時事控制啟動功能，配置路徑為機器人配置-插專家U盤-退程序-登專家-打開C盤-KRC-roboter-config-user-common-打開CabCtrl.xml（確認機器人在原點），核對遠程控制模式是否有效，否則更新文件。

5 應用效果

使用智能物聯多模控制后，每小時節約電能321.98 kW·h。根據青島市城鄉分類銷售電價標準，工業用電為35～110 kV，每年約節省109.14 萬元。

改造后的系統可以激活機器人遠程控制、休眠模式；停止運行10 min后，激活機器人休眠模式；編寫自動喚醒及去鈍化程序，定時喚醒機器人進入工作狀態。增加整個車間機器人運行狀態監控程序，并添加延時激活功能；在PLC中增加輸出控制程序模塊，達到自動定時控制的工作狀態。PLC的控制功能和PROFINET網絡的使用可以實現對遠程機器人系統的成功控制。系統除了具有多模選擇節能效果外，還具有軟啟動方式按設定時間分批啟動、避免啟動時的電流沖擊對電網電壓造成波動、PLC自動控制不需要人員頻繁操作、自動有序達到節能目的等優勢。

焊裝車間電消耗情況統計如表1所示。

表1 焊裝車間電消耗情況統計

控制器休眠減少能耗50 W，驅動器休眠減少能耗140 W，PAD休眠減少能耗10 W。每臺機器人0.2 kW·h，完成1 036 臺部署，年節約電能509 712 kW·h，節約費用34.15 萬元，減少工時消耗4 500 h，減少備件損壞費用約27.7 萬元。

車間現場不需要用電時盡量關閉電源，本次推薦的智能化設備信息管理系統功能開發及應用，在實現汽車制造業穩定自動化生產中起到不可或缺的作用。

6 結語

汽車制造自動化工廠的節能控制系統創新點為多模式控制方式同時驅動，保留傳統控制模式，具體控制每個照明燈，可以防止網絡信號異常時，無法對照明系統進行控制。節能控制系統應用先進的PROFINET工業網絡，融入現場控制系統，通過PLC控制程序的編寫，基于現有自動化控制系統，未進行硬件安裝改造的前提下，利用以太網絡的底層協議，修改PLC控制程序，過Python編寫底層控制模式，使CPU與人機界面、機器人進行有機結合，增加物聯網思維，使用互聯網絡進行遠程控制，最終能夠有效地實現節能降耗。