電氣自動化在汽車焊裝車間設備配電中的應用

榮艷超

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，數字、互聯成為推動現代社會發展的新動力，也推動制造業自動化生產水平不斷提高。汽車產業作為制造業重要一員，生產的各個環節也更加自動化、智能化。汽車生產四大工藝中，焊裝涉及設備工藝種類眾多，機器人、冷連接、熱連接、輸送、工裝等，不同類型設備用電需求不同，在自動化生產線，對供配電系統也提出更高的要求。以北京奔馳MFA 焊裝車間工藝供配電系統為例，探討電氣自動化在保護、監測與控制方面的應用[1]。

1 焊裝車間工藝配電簡介

MFA 焊裝車間電源由廠區電站經10 kV 電纜輸送到車間內10 kV 開閉站，經變壓器后到各低壓配電室，根據不同線體用電需求，從低壓配電室相應端口取電。根據戴姆勒標準，區域負載設計用電大于315 A，直接從配電室取電，負載設計用電小于315 A，集中從一條大容量工藝母排取電。一條工藝母排預留多個接口，通過插接箱內斷路器連接到現場區域主電柜。

至此，工藝設備供電到達一個具體區域，通常，一個區域的配電結構由現場工藝設備類型決定，以一個類型全面的區域為例，從插接箱引出一組三相五線制電源線，將電輸送到焊接柜H001，H001 柜內將電分為兩路，一路用于分配三相380 V 焊接電，另一路將電源輸送到電能分配柜H011，H011 柜作為配電主體，根據不同需求將電能分配給PLC 柜H101、24 V電柜H111、機器人、涂膠、螺柱焊、變頻器等設備，焊裝車間工藝設備供配電系統如圖1 所示，其中，如果某個區域不涉及焊接用電，則母排直接給電能分配柜H011 供電。24 V 電柜H111 作為區域控制電分配柜，將輸入的380 V 三相電轉換為24 V 電，并為現場相應工藝設備提供24 V。整套供配電系統相關信號通過Profinet 網絡在PLC 程序中進行監測與控制，在自動化生產條件下，實現供配電系統的電氣自動化。

圖1 焊裝車間工藝設備供配電圖

2 380 V 配電的保護、監測與控制

2.1 380 V 逐級保護

配電系統中的繼電保護、熔斷保護可快速切除故障線路，保證健全區域的供電[2]，在焊裝車間配電系統中，每一級、每一路電源的輸出，均配有相關斷路器或熔斷保險。

電源由低壓配電室到達現場首先經過母排插接箱，內部斷路器為施耐德NSX400H，脫扣器額定值為400 A，可實現三個級別保護：瞬時保護整定值Ii為4800 A；長延時電流整定值9 檔可調，為0.9 到1 倍的額定值；短延時電流整定9 檔可調，為1.5 到10 倍的長延時電流整定值。通過插接箱內斷路器可分斷從工藝母排取電的區域，確保健全區域供電。在H001 柜內，電源首先經過QB1 熔斷保險，一路通過QA1 馬達斷路器，再經各分支保險給相應設備供焊接電，此路為PEC（Power Efficiency Control）后380 V，另一路經過QB2 保險后將電能輸送到H011 柜。H011 柜進電首先經過手動開關QA1，可以人工上電斷電，H011 柜作為配電主體，為其他用電設備配電，其中一路通過QA2 馬達斷路器，即PEC 后380 V，經各分支保險給螺柱焊、變頻器等提供380 V動力電，另一路直接經各分支保險給PLC 柜H101、24 V 電柜H111、機器人等供電，380V 配電系統如圖2 所示。

圖2 380V 配電圖

2.2 電能數據監控

在H001 柜進電口QB1 保險后，安裝有一套電能數據監控裝置，通過Profinet 網絡將信息傳遞給PLC，并在Integra 界面進行顯示，用于實時獲取區域用電狀態。

電能數據監控主體是西門子SENTRON PAC3200多功能測量儀，可進行精確電能計量，并可顯示配電系統的多個測量變量，例如電壓、電流、功率、有功功率、頻率以及最大值、最小值和平均值。PAC3200 作為PLC 的一個站，通過Profinet 網絡將采集的電流、電壓反饋給PLC，通過戴姆勒標準FC4028 塊，可整合到電能管理系統之中，對其進行持續監控，數據通過FC4028 的標準背景數據塊進行收集和存儲，當前電能參數實時顯示，PAC3200 電能監如圖3 所示。

圖3 PAC3200 電能監控

2.3 380 V 配電控制

在MFA 焊裝車間電能分配中，涉及一個電能效率控制概念，即PEC。如圖1 所示，PEC 后380 V 供電指在馬達斷路器之后輸出的380 V 電能，馬達斷路器指H001 柜內的QA1，H011柜內的QA2，該馬達斷路器除作為線路保護存在，將開閉狀態信號反饋給PLC，另外，還可受PLC 控制實現接通、斷開，以達到在非生產時間節約電能的目標，該馬達斷路器為EATON 斷路器，由兩部分組成；一是斷路部分，主要實現保護功能；二是馬達控制部分，實現PLC 遠程控制通斷。PLC 邏輯控制由戴姆勒標準塊FC64、FC297、FC15 以及FC4027 實現，馬達斷路器控制如圖4 所示。

圖4 馬達斷路器控制

馬達斷路器通斷控制信號來源有兩種，程序由戴姆勒標準FC64 塊及背景數據塊DB 實現：一是當系統選擇處于（Local）本地模式，可通過人工點擊HMI 人機交互畫面上電/斷電按鈕實現；二是當系統選擇處于（Remote）遠程模式，即上位機控制，可通過標準塊FC64 的背景數據塊DB 實現，一次性可存儲8 組數據。

FC297 塊用于實現PEC 通斷功能的邏輯控制，該控制以線體處于停止且不在運行程序段為前提，即循環停止到達。當FC297 發出控制電壓On/Off 信號后，FC15 接收并控制一個常閉輔助接觸器以及上電/斷電信號指示燈。結合輔助FC4027 塊，實現馬達斷路器的通斷控制，在沒有生產的情況下，可遠程控制起到保護和節能的功能。

3 24 V 控制電的保護、監測與控制

3.1 24 V 控制電的應用

正常條件下，車間內設備是在PLC 網絡系統中實現控制與反饋的，即設備的通信不能斷，除了380 V 用電外，會單獨供給24 V 控制電，確保為實現節能斷焊接電和動力驅動電時，設備維持基本運行且不會中斷PLC 通信，如焊接柜，在馬達斷路器關斷后，設備網絡連接正常。除機器人、焊接系統、變頻驅動系統等，現場有很多設備不需要380 V 焊接電以及動力驅動電，只提供24 V 電即可，如工裝閥島、安全門鎖等。

24 V 電由區域電柜H111 分配，如圖1 所示，24 V 電柜H111 電源來自H011 電柜主開關后380 V，經柜內變壓器將380 V 轉為24 V，為區域內設備提供所有24 V 電，柜內通過一組LOCC BOX 實現電源的分配、保護與監控，H111 柜內24V 及LOCC BOX 結構如圖5 所示，一組LOCC BOX 包含LOCC BOX 節點保險和供電單元，Gateway 網關以及附屬零件組成，一組最多可安裝84 個LOCC BOX 節點保險，每一個節點保險提供一路獨立24 V 電，供電單元為 LOCC BOX 節點保險提供電源，網關用于分配和傳遞數據，包含USB 接口和Profinet 接口。

圖5 H111 柜內24V 及LOCC BOX 結構

出于安全考慮，對于一組24 V 用電，包含一路不受控24 V 電US1 和一路受控24 V電US2。不受控24 V 電直接由LOCC BOX 節點供給，不受邏輯控制；受控24 V 電受現場狀態及安全條件等影響，經PLC 程序運算后，由ET200S 安全模塊輸出，ET200S 安全模塊供電由LOCC BOX 節點提供。區分不受控24 V 和受控24 V 是為了確保安全，即PLC 安全邏輯條件不滿足，則無安全24 V 電US2，在只有24 V電US1 時，用電設備通信正常，但負載不執行相應動作，保證現場工作人員安全。

3.2 過載短路保護

每個LOCC BOX 節點保險有一個LED 指示燈和一個手動開/關按鈕，另外，LOCC BOX 節點保險有兩個獨立可調節旋鈕，一個用于電流調節，電流值1～10 A可調，每次調整1 A，為該節點保險的設定額定電流；另一個用于反應特性調節，即對電流變化做出反應的速度，5 檔可調。

每個節點保險具有獨立的過載短路保護功能，當LED 指示燈綠色常亮，表示打開，正常輸出電能；當LED 指示燈紅色常亮，表示關閉；當指示燈綠色閃爍，表示該支路過載；當指示燈紅色1 Hz 慢速閃爍，表示該支路過電流短路；當指示燈紅色5 Hz快速閃爍，表示節點保險模塊故障。當其中一路出現過載、短路或系統故障時，該路報警，電能輸出中斷，其余各支路正常，保證健全支路的設備供電。

3.3 監測與控制

LOCC BOX 各節點狀態可通過網關模塊實現監測與控制，網關包含USB 和Profinet 兩種接口，LOCC BOX 監測與控制如圖6 所示，通過USB 接口可連接安裝LOCC Pads 軟件的電腦，對LOCC BOX 做初始操作和配置，并實時監控狀態；通過Profinet 接口連接到可編程PLC，結合戴姆勒標準塊FC4036 實現LOCC BOX 節點監測與控制。

圖6 LOCC BOX 監測與控制

通過網關Profinet 接口連接PLC，可對LOCC BOX 監測和控制。PLC 程序中戴姆勒標準塊FC4036 處理各節點保險信息，最多可一次處理48 個，并通過FC16 可擴展。第一，通過FC4036 可監控各保險狀態，單個保險關斷或者跳閘后有相應報警信息；第二，在當前沒有過載和短路情況下，瞬時跳閘的保險可通過PLC 的復位信號重新開啟；第三，每個保險有一個狀態字和一個模式字，用戶可通過PLC 開啟和關閉一個保險。

也可以使用網關USB 接口連接電腦，通過軟件LOCC Pads 實現整體模塊監測與控制。軟件可顯示所有節點保險，另外節點的設置狀態、工作狀態、特性狀態、累加計時狀態，以及當前的實時電流和電壓均可進行顯示，通過相應的On/Off 按鈕可遠程打開和關斷任意一個節點保險。

4 結束語

從MFA 焊裝車間實際應用情況看，在工藝設備供配電系統中，通過電氣自動化技術實現保護、監測、控制的功能，這些依賴于高級傳感和測量元器件、廣泛的網絡通信系統以及專業的管理軟件，體現科技進步提升制造車間的自動化[3]。

現階段的監測、控制是部分程度的自動化，隨著技術的革新，對現場配電實現全面的監控、自動化操作，并可在服務器上顯示與操控，不僅可以提高效率，降低人工巡視檢查成本，而且對于設備的管理和維修維護帶來很大方便。

應用與技術創新相輔相成，科學技術進步推動制造業自動化、智能化飛速發展，同時，通過實踐及反饋，技術改革創新需求也對新科技、新技術的探索提供強大的推動力，增強對于智能供配電的探索。