上汽通用五菱输送控制系统解决方案

随着控制系统技术水平的不断发展和提高，各种新技术、新产品也不断应用到汽车生产线的建造上来。在这样的背景下，我们同通用北美的专家一起全面优化了公司西部工厂和东部工厂的控制系统，推出了最新的硬件设计标准GCCH-1，软件设计标准GCCS-1，制造安装标准GCCB-1和安全设计规范GDHS。上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司的涂装生产线输送控制系统，正是在严格遵守这些最新设计标准的基础上建造而成的。

设计目标及要求

青岛涂装生产线是按照40JPH（每小时生产车体数）设计，年产30万辆，多种车型混线生产的高柔性、快节奏生产线系统。为了建成一个完整、先进的汽车涂装生产线输送控制系统，系统的设计在遵循最新的控制系统标准的同时，还必须严格按照以下要求进行：

1. 安全性，系统既要符合国家的相关标准，又必须遵守GDHS的安全性设计，所有的安全元器件必须遵守国际标准SIL3\CAT4（安全完整性等级）等级，所有的安全信号采用冗余控制技术，以保证设备及人身安全；

2. 挖掘系统低成本的底线，体现高价值的控制系统；

3. 全面保证系统设备的高可靠性和稳定性；

4. 最小化周期时间（从设备的最初设计、采购、安装调试到系统正常运作）；

5. 系统的运行以及采用的材料，要确保不影响汽车产品本身质量；

6. 对环境的影响达到最小化，节约能源；

7. 对设备的操作和维修符合人机工程，故障的诊断和处理简洁、快速等。

系统的独创性设计

1. 输送控制系统组成

输送设备控制系统作为涂装车间控制的核心，在国内汽车厂首次融合了工艺设备控制系统、暗灯控制系统（现场请求帮助）、车体自动跟踪系统AVI以及上位监控系统PMC共五大系统于一体，共同采用同一套安全PLC处理器进行控制。

输送控制系统主要用于控制车间内部的输送设备，贯穿整个生产线的始终。涂装车间的输送设备主要由前处理、电泳线的积放链、工艺区域的皮带线，烘房区域的地面反向积放链IMC，喷房区域的双链，以及其他类型的设备，如滚床、安全门、移行机、升降机及叉式移栽机等组成。整个涂装车间输送控制系统共分为13个控制区，每个控制区主要由一套电源分配柜PDP、主控制柜MCP和其他一些远程控制柜体组成。PDP柜由主隔离开关、安全I/O和接触器等组成，主要为该控制区提供380VAC和220VAC电源。MCP柜内包含PLC、交换机以及直流源模块等，为该控制区提供所有的总线和控制24VDC电源。一个典型的控制区域布置如图1所示。

图1  涂装电泳存储区PDP、MCP和HMI的现场布置

2. 网络架构的安全性、创新性设计

系统的总体网络架构采用分散式两层网络，即工业以太网EtherNet/IP和DeviceNet安全网络。其中，工业以太网网络采用星型拓扑结构，通过与赫思曼的MS20可网管式交换机相互连接进行实时通信，负责收集生产相关数据，故障报警信息，PLC与HMI操作站的数据传输，以及不同PLC之间的联锁信号通信等。DeviceNet安全网络用于现场设备层的控制，控制的设备包括变频器、安全I/O、安全门、暗灯显示板及条码扫描枪等。车间工业以太网Ethernet/IP布置如图2所示。

图2  车间工业以太网EtherNet/IP布置

EtherNet/IP网络通信基于UDP/IP（用户数据报协议/互联网络协议）标准以太网和开放性的应用协议——通用工业协议CIP。在输送控制系统中，EtherNet/IP主要用于PLC到PLC的对等网络通信，利用这个通信实现实时I/O控制和显式报文的通信。关键信息包的实时交换必须建立在生产者/消费者模式上，同时生产者在网络上存在着多个潜在消费者。

EtherNet/IP 的显式报文通信主要用于PLC到机器人，PLC到其他的工艺控制器以及机器人到自身的控制柜的联锁信号传输，其通信路径如图3所示。

图3  EtherNet/IP 中实时I/O控制和显式报文的通信路径

DeviceNet安全总线作为首次在国内汽车制造公司使用的底层设备控制网络技术，与传统的DeviceNet网络的主要区别是更安全、传输速率更快，同时，满足国际安全标准SIL3/CAT4等级。

DeviceNet安全网络是指在总线网络中涉及到安全的数据由安全I/O收集，通过DeviceNet安全协议传输到安全PLC中，它可以和普通网络数据同时传输，共用同一条DeviceNet总线电缆，其安全性主要体现在：

（1）在安全协议里，总线网络会给每个信息包贴上时间邮戳，对各个网络和节点分配惟一的网络安全序列号，对传输过来的数据进行多方面求证，大大提高了数据传输的安全性和可靠性。

（2）对网络上传输的数据进行优先级划分，安全类型的数据在网络上具有更高的传输优先级，能够确保其数据及时、准确地传输到安全PLC处理器。

（3）网络数据的传输速率设置由以前的125kbps提高到250kbps及以上，确保网络速度更快，缩短了1倍的控制周期。

（4）现场的安全IO模块自身具有一套自我检测程序，不断地发送测试脉冲和双通道一致性检测，能够及时收集设备的数据，并发现模块的异常状态。

（5）安全PLC处理器由两个不同的控制器模块组成，主模块负责处理普通的逻辑程序和安全的数据，另外一个辅助处理器模块只处理与安全相关的数据。两个控制器在同时执行任务的过程中不断相互比较，当发现不一致时会报警，终止程序的执行。如此双冗余的安全数据处理机制，保证了现场人身、设备的安全。

（6）调试完成后的安全程序和网络都可以进行密码式管理，确保程序和网络不会被恶意篡改。

安全IO、DeviceNet安全网络和安全PLC处理器的同时使用，确保了数据在原始采集、传输通信和控制器处理整个过程中的安全性，创新性地解决了常规设备和安全设备不能同时在一个设备网络上运行的难题，使整个系统更加简洁，便于维护。DeviceNet安全网络的使用，还增大了系统的控制范围（2～3倍），建造同样的涂装生产线输送控制系统由原来的35套PLC减少到现在的13套，大大降低了系统的建造成本。图4显示了一段典型的DeviceNet安全总线下所带的设备。

图4  一段典型的DeviceNet总线所带的网络设备

3. 电源的安全、独特性设计

根据系统的安全性和便捷性设计，控制系统的电源分为两种类型：一种为没有经过电源分配柜PDP的主隔离开关，直接连接至“热变压器”输入端，然后转化成220VAC电源，我们称之为“热电”，主要给PLC背板、以太网交换机、暗灯显示板和HMI等设备供电。另一种为经过主隔离开关的电源，由“控制变压器”转换成220VAC供电给MCP，再由直流电源模块转化成24VDC，我们称之为“控制电源”，主要给总线、现场IO、传感器和继电器、接触器等控制元器件供电。“热电”的特别设计保证了PLC中的相关数据不会被清除，报警信息和操作日志能被及时记录，在维修和故障处理过程中更加方便。

在电源安全性设计中，PDP柜体上的主隔离开关作为该控制区惟一能量锁定点，当有人需要到现场作业时，维修员必须先关掉PDP上的主隔离开关，并且挂上安全锁，做好能量锁定。按照设计要求，所有裸露的380VAC和220VAC危险点必须加上聚乙烯树脂透明玻璃罩，且在上面钻上小孔以便检测使用，消除一切安全隐患，有效预防由于人员不小心触碰而导致的严重后果。输送控制系统的整体架构设计如图5所示。

图5  系统的整体架构设计

按照电缆的设计，现场主要使用两种电缆：动力电缆和控制电缆。电缆全部采用快速接插件方式，按照总线式结构布线，使施工更快速，布线更整齐简洁。动力电缆设计为4芯，分别为3根三相线和1根接地线。控制电缆率先大胆采用总线和24VDC控制线结合为1根9芯电缆，在解决了其相互干扰的问题后，大大简化了系统的复杂度，且运行稳定可靠，维修维护方便。电缆的接插件设计不仅为项目的施工省掉了大量电工，还节约了至少20%的安装时间。整个工厂控制系统柜内的电线电缆采用统一颜色标准，不同颜色代表不同的电压等级，起到安全警示的作用，同时方便现场维护、维修（见图6）。

图6  控制柜内电线电缆的颜色标准

4. 系统的其他新颖设计

在系统网络和电源架构采用创新性设计的同时，许多其他设计也是别出心裁：

（1） 硬件设计首次采用Eplan P8绘图软件制图，该软件采用数据库结构和面向对象数据模型OODM设计，可提供许多自动化功能，省掉了