EMS載具系統硬件設計探究與故障分析

項學良，于韶東，解品星

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺，264006）

0 引言

現代制造業隨著科技的不斷進步，大型整車汽車廠的主裝配線也朝著智能化，模塊化，信息化方向發展。主裝配線在生產過程中不僅要匹配不同的速度要求，差異的工位操作高度，還要根據作業環境和周圍設備達成良好的兼容性。目前自動軌道輸送系統（EMS）在國內外使用廣泛，其良好的特點大大提高了現場效率，改善了人機工程，提升了崗位柔性，方便功能擴展。在大型的整車裝配車間，EMS輸送系統里包括上百臺載具小車，每臺小車都搭載著獨立的控制器、感應器和驅動器。在載具上集成了移動控制硬件，包括供電、配電、感應器、I/O通道、電機、驅動以及邏輯控制器。但目前多數的解決方案仍被國外廠商所主導。

1 硬件設計主框架

所研究的EMS載具小車系統，其硬件由16位單片機ST10F269Z2為主MCU,連接多個智能硬件模塊，及外圍電路構成。總體硬件框架如圖1所示。

圖1 EMS系統硬件框架

整個系統包括安全PLC BBH,主CPU控制板，升降功能板，驅動功能板，4塊I/O信號處理板（其中1塊是SSI編碼器板），電機抱閘檢測板，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嵌的SafePLC SMX12-2及組件SMX 31R組成。首要任務是對載具安全性相關功能的檢測，其中編碼器接口采集驅動電機軌道讀碼器、電機增量編碼器、升降電機絕對值編碼器和增量編碼器信息；數字I/O接口采集載具的四路過載及斷帶信號。安全PLC編程處理后，輸出系統停止，過載，斷帶保護，驅動過速，升降過速，高度檢測信號給I/O信號處理板，同時給驅動和升降板提供安全使能信號。安全模塊雙通道控制升降和驅動主接觸器，在系統發生故障時切斷安全電路，禁用所有運動，變頻器停止運行并啟動制動器。

■2.2 升降和驅動功能板

升降板核心是控制IPM中產生IGBT的激活電壓，它是由BBH產生的24V使能電壓經LM2675開關電源穩壓后產生驅動電壓VCC1,經開關調節器芯片CD4047和CD4050通過開關變壓器處理得到IPM上下橋工作電壓。如圖2所示。

圖2 IPM模塊IGBT的激活電壓

驅動板為整個系統提供24V電源和I/O工作電源，核心控制是逆變器智能模塊PM75RL1A120中產生IGBT的激活電壓。開關電源提供24V電源，通過板上兩個串聯的安全繼電器K1和K2的兩個常開點連接，安全繼電器通過小車控制器中的安全模塊激活（BBH安全模塊送出的驅動使能信號）。如果出現故障，安全模塊將切斷兩個安全繼電器的24V，導致后面的開關調節器無任何電源，驅動電機停止工作。板上安全繼電器動作如圖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，電機溫度監測功能，電機電流測量功能，母線電路電壓監測功能等。同時還有獨立供電功能，給提升電機提供180VDC的制動電壓。

■2.3 SSI通訊板

SSI協議是絕對位置傳感器和控制器串行接口協議，載具的讀碼器信號和升降絕對值編碼器通過SSI協議和板上8位單片機AT89S8253進行通訊。通訊電源由DC/DC轉換供給，目的是提升通訊的穩定性和抗干擾能力。SSI通訊電路圖如圖4所示。

圖4 SSI通訊原理圖

■2.4 I/O信號板

BBH安全模塊輸出點給I/O信號板，通過P124光電耦合隔離后，由帶施密特觸發器的反相緩沖器74HC14D信號放大后給單片機接口。板上單片機經過編程后輸出低電平，驅動輸出端的PNP三極管導通，經過P124光電耦合隔離信號后，VN340SP固態繼電器輸出。升降請求1、升降請求2、BBH復位輸出信號，由BBH診斷編程。另外一路輸出信號控制棘輪電磁閥。如圖5所示。

圖5 I/O信號板輸入輸出信號示意圖

3 典型故障分析

■3.1 變頻器缺相

系統缺相檢測電路觸發時會產生報警，內部會自復位一次，避免因為供電的瞬間波動，如果仍然缺相，則會報故障代碼-22。產生原因：單片機引腳104電平觸發，系統就會報警變頻器缺相。工作原理：三相電壓正常時，經光電耦合TLP124隔離導通后產生低電平，經74HCT04反相緩沖后，輸出高電平，則系統檢測正常。當某一相檢測通道出現問題，例如10k電阻虛焊或者光耦損壞，光耦無法導通出現高電平，經過反相器后就會低電平報警（見圖6）。

圖6 缺相檢測電路

■3.2 棘輪打開檢測故障

吊具下降時，電磁閥要打開棘輪鎖定保護，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束，電磁閥打開檢測開關未被檢測，則報警產生故障代碼-63。產生原因：檢測開關損壞或位置沒調好；上升監控距離設置太小；電磁閥控制故障。工作原理：當系統邏輯控制允許電磁閥得電時，單片機P2.5端口輸出低電平，PNP三極管導通，光電耦合后得到固態繼電器VN340SP的I/O輸入端信號，觸發輸出24V電壓給電磁閥線圈（見圖7）。其中元器件質量下降或固態繼電器電源出現問題都將會導致輸出不正常。

圖7 電磁閥控制線路

■3.3 通訊故障 XXX offline(掉線)

出現XXX offline(掉線)故障時，表示對應的通訊出現中斷。故障代碼-91到-98分別代表驅動變頻器掉線/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協議和板上單片機進行數據通訊，其它板通過RS485協議和單片機進行數據通訊。如出現故障代碼-93，板（6030）掉線，首先檢查板6030的通訊接頭是否松動脫落，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，單片機給通訊芯片的使能DE/RE信號是否正常，74HC14緩沖反相器是否正常，R/D接收發送通道是否斷開（見圖8）。

圖8 6030板單片機和通訊芯片電路圖

4 總結

通過對此型號EMS載具系統硬件設計的分析研究，對系統典型故障的深入剖析，為國內汽車廠類似的EMS系統提供了很好的經驗借鑒，對現場維修保養改進等項目提供技術支持。可靠的安全控制回路，多層的信號互鎖，不同電源等級的分層控制，互不干擾的通信設計，也為工業電路板的維修設計提供了學習方案。