無線網絡技術與車身自行小車系統安全防護應用

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，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、自動控制技術融合在一起，實現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）系統投入運行發現，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異常時，在地面總控制柜上無法監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，容易發生人員墜落的安全事故。在生產過程中，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現，而故障導致車身自行小車的停止又可能出現在任意位置。因此，本文通過以提升車身自行小車輸送線（EMS）系統的監測功能為例，對提高設備異常檢查效率及操作的安全系數進行改進分析，來完善設備的功能，為企業營造安全的生產環境。

■車身自行小車輸送線生產工藝流程

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

小車到達上件工位空中自動停止后，等待駕駛室生產線給準許抓件信號，小車收到準許抓件信號后自動由“快轉慢”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氣缸，給道岔發變軌信號，變軌到位后自動輸送，并給駕駛室生產線發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夾緊到位后，先按上升按鈕，地面柜給小車發送手動確認信號，此時定位機構打開，小車收到信號同時鎖緊定位機構，再按照自動狀態順序進行手動抓件（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換旋鈕由手動轉到自動讓道岔自動變軌。

3.下件工位按鈕站自動狀態

小車到達下件工位空中自動停止，定位機構夾緊后，等待調整線給到位信號，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氣缸，小車自動離開，給調整線發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夾緊到位后先按上升按鈕，地面柜給小車發送手動確認信號，定位機構打開，小車收到信號同時鎖緊定位機構，再按照自動狀態順序手動放件（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在地面，但是由于滑觸線的數量受限，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，傳輸地面PLC最多只能發送4個輸出信號給空中PLC，接收1個空中PLC發給地面的占位信號。所以地面PLC不具備監控小車運行狀態的功能，且在積放區域也不能對小車進行手動控制，小車在出現故障報警后，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控到小車的實時狀態，也不能操作小車進入維修站。車身自行小車控制系統圖如圖3所示。

圖3 車身自行小車控制系統圖

由于地面的PLC不能與空中小車進行網絡通信，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異常時，在地面總控制柜上無法監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，則極容易發生人員墜落的事故。

■車身自行小車輸送線（EMS）系統控制方式的分析

車身自行小車輸送線地面主控制柜內有S7-300 PLC、開關電源、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的繼電器，繼電器作為中轉將信號送入PLC內，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，繼電器作為中轉將直流24V信號送入地面主控柜的PLC內。

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，各受電狀態參考圖1。

車身自行小車在升降位以外區域運行時滑觸線工作狀態為：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/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。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，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域，還是在升降位區域以外，通過地面主控柜PLC無法監測小車控制箱PLC及各傳感器的信號，同時，也無法在地面對出現異常的小車進行操作控制。

■車身自行小車輸送線（EMS）系統異地控制改進思路

分析車身自行小車控制柜PLC S7-200的性能，根據車身自行小車循環運行特點，結合網絡通訊技術，使地面PC與空中PLC建立起無線通信，使其具備遠程監控和操作的功能。

（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、數字量輸入輸出模塊、PROFIBUS-DP模塊、以太網模塊的功能。

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

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

■新增無線網絡控制系統的方案設計

1.控制方案制定

根據車身自行小車輸送線（EMS）系統異地控制改進思路，結合現場設備的結構，現場采用了基于無線網和工業以太網的控制方案，即采用“PC電腦+無線網卡”作為上位機，通過昆侖通態的MCGS軟件，利用工業以太網和無線局域網（WLAN）技術構成通訊網絡架構（圖4），對5臺空中小車進行組網控制，完成PC電腦與空中小車的通信，實現通過PC電腦對空中小車進行數據監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以太網（TCP/IP）+無線局域網（WLAN）的方式進行數據交換，5臺空中小車作為PC電腦的下位機，接收PC電腦發送的控制數據，并同時返回自身PLC的數據存儲器內的狀態值。

圖4 網絡架構圖

2.通信網絡設計

采用PC機+USB無線接收器+MCGS軟件+無線路由器+CP243-1以太網模塊的結構組成無線局域網（WLAN）網絡的方案（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（WLAN）的方式連接起來，這樣就實現了PC機與S7-200PLC之間的通信。

圖5 網絡硬件架構圖

3.硬件組態與程序設計

CP243-1以太網模塊的硬件組態：使用西門子S7-200PLC編程軟件STEP 7 MicroWIN SP9對空中小車的網絡進行組態，通過以太網向導對CP243-1以太網模塊進行配置，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向導對模塊進行基本參數和功能的配置。

（3）在程序中正確的調用相關的子程序。

（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以太網模塊的硬件組態

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端口進行參數設置，現場采用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地址和子網掩碼，IP地址要和PLC組態的CP231-1以太網模塊在一個網段內，子網掩碼要與CP243-1以太網模塊的子網掩碼相同。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）打開昆侖通態組態軟件快捷方式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”的設備構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件同名。初始工作狀態用于設置設備的起始工作狀態，設置為啟動時，在進入MCGS運行環境時，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的設備操作函數和策略在MCGS運行環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；遠程端口號：一般情況下請將端口號設置為102；內部屬性：內部屬性用于設置PLC的讀寫通道，以便后面進行設備通道連接，從而把設備中的數據送入實時數據庫中的指定數據對象或把數據對象的值送入設備指定的通道輸出。

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

①選擇要對PLC中的那個繼電器區或寄存器區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或寄存器區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寫VW15，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設置一次連續增加多少個PLC通道。

⑥返回主頁面，打開“實時數據庫”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量。

圖12 增加數據對象

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據庫建立數據連接。

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軟件中實時數據庫對應的變量（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的調試

對自行小車無線控制系統的硬件和軟件設計完成后，對系統進行調試測試。

（1）啟動PC機系統，安裝USB無線接收器驅動程序，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組態軟件，打開編輯好的“自行小車隨車監控”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，點擊啟動運行，此時模擬畫面啟動（圖20）。

圖20 MCGS模擬系統下載

（3）查看編輯的指示燈的狀態與實際PLC中的數據寄存器內的狀態一致，說明網絡已經連接成功。操作畫面上的軟按鈕，能夠實現控制PLC中的變量，繼而實現控制空中小車的動作（圖21）。

圖21 查看和操作控制畫面

■結束語

通過設計USB無線接收器+無線路由器+CP243-1以太網模塊組成的無線局域網（WLAN）解決方案，在車身自行小車控制系統中建立了PC機與S7-200PLC的TCP/IP通信，而且通過昆侖通態的MCGS軟件編寫的程序可以直接讀寫S7-200的數據寄存器，提高了整個系統的柔性。采用無線網絡的方式，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和報警信息監控。同時，也可以通過PC機安裝的軟件模擬系統，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存在的高風險。經過這次對車身自行小車系統的安全改進，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的知識，為今后發掘設備安全隱患，對設備進行安全改進積累了必要的經驗。