汽車制造業(yè)無線通信技術應用

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摘要：介紹無線以太網漏波電纜通信和無線藍牙通信的關鍵技術，并結合現(xiàn)場改造實例，闡述無線通信技術應用在汽車制造業(yè)的優(yōu)勢，為運動類裝備的通信問題提供解決方案。

關鍵詞：無線通信；漏波電纜；藍牙通信；汽車制造

引言

一汽解放青島汽車有限公司（以下簡稱“青汽廠”）是解放商用車重要的生產基地，設計產能10萬輛，承載了解放輕、中、重型全系列產品的制造任務。青汽廠產品種類多，生產線采用高柔性設計方案。目前無線通信技術日趨成熟，不斷應用到汽車制造領域，利用無線通信傳輸信號與工業(yè)自動化控制系統(tǒng)深度結合的方式，能夠實現(xiàn)生產現(xiàn)場的簡潔化，并且能提高工廠的柔性化水平。

1轉掛系統(tǒng)介紹

自2018年以來，商用車市場持續(xù)火爆，青汽廠產能不斷提升、產品不斷更新，對裝備提出高可靠性、高自動化、高柔性、高智能性的要求。涂裝車間現(xiàn)有空中輸送系統(tǒng)3套，移行輸送系統(tǒng)38套，為車間內往復運動機械化輸送類裝備。上述裝備原有動力與信號傳輸方式已無法滿足實際需求，急需進行升級改造。3套轉掛系統(tǒng)分為PVC（PolyvinylChloride，聚氯乙烯）轉掛系統(tǒng)、焊涂轉掛系統(tǒng)、涂總轉掛系統(tǒng)（表1）。其中，PVC轉掛系統(tǒng)用于車底涂料噴涂工序的輸送及駕駛室從底漆滑橇到面漆滑橇的轉換，焊涂轉掛系統(tǒng)用于駕駛室從焊裝滑橇到涂裝底漆滑橇的轉換；涂總轉掛系統(tǒng)用于駕駛室從面漆滑橇到總裝內飾滑橇的轉換。

2轉掛系統(tǒng)現(xiàn)存問題

（1）轉掛系統(tǒng)采用九段式滑觸線進行動力電供應和信號傳輸，僅在上件和下件工位可以完成抱臂合攏、打開操作。通過滑觸線間隔區(qū)間段，可以實現(xiàn)抱臂6點數(shù)開和定位，其中包含打開到位和合攏極限，即僅可自動完成4種車型的轉掛工作。無法滿足多品種駕駛室自動轉掛的需求，需人工干預操作，極大地影響了生產效率和產品質量。（2）轉掛系統(tǒng)無精確停止定位裝置，僅在工藝工位，依靠空中接近開關實現(xiàn)停止定位。且無法查看到轉掛小車的實時位置和攜帶駕駛室的車型信息。（3）九段式滑觸線與集電器長期保持滑動摩擦，集電器碳刷磨損嚴重，滑觸線表面存在大量碳粉，頻繁出現(xiàn)信號誤觸發(fā)情況。

3轉掛系統(tǒng)解決方案

應用無線以太網漏波電纜無線通信技術，實現(xiàn)信號的無線傳輸

3.1方案介紹

采用無線以太網控制方式，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。（1）主控柜采用西門子319PLC控制，通過以太網口與菲尼克斯PROFINET交換機相連，與無線發(fā)射模塊直接通信。主要處理主站與小車從站、工藝工位數(shù)據(jù)交換和生產線上其他數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。觸摸屏可以實時顯示小車的工藝狀態(tài)、位置等信息，并在故障時操作相應的小車，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。（2）小車從站選用智能型PLC，通過接入PROFINET網絡，作為主控柜PLC的智能從站，實現(xiàn)主—從通信。小車上PLC主要控制小車的行走、吊具的開合等。車載PLC直接與隨車的無線接收模塊通信，無線接收模塊與無線發(fā)射模塊通過5G的漏波電纜通信，從而實現(xiàn)車載PLC和主控PLC的通信（圖2）。（3）考慮到目前2.4G的普遍性，為了防止信號干擾，此次改造中的無線發(fā)射和接收模塊都采用菲尼克斯的5G通信模塊WL5100。發(fā)射端的5G通信模塊直接連接到漏波電纜上，接收端的5G通信模塊天線直接跟隨小車行走在漏波電纜附近，確保無線信號的強度。

3.2條形碼定位應用情況

（1）小車行走通過勞易測BPS348iSM100條碼定位系統(tǒng)進行控制，讀碼器為PROFINET接口，定位精度達到±0.15mm。（2）采用條形碼方式定位后，小車可以實時的判斷自己的位置及其他小車的位置，能夠更加精確的控制行走及定位。（3）在讀寫區(qū)域內有一個條形碼被讀到就可以確定小車的位置信息，大大增加了定位的穩(wěn)定性與準確性（圖3）。

3.3漏波電纜技術介紹

（1）漏波電纜從外觀上面來看是一種電纜，它可以將無線信號延伸到所鋪設的位置，應用時將漏波電纜沿無線設備運動的軌跡鋪設，如沿小車行進的軌道鋪設，同時將漏波電纜通過饋線與無線模塊相連，這樣無線模塊就通過漏波電纜將無線信號傳送到小車行進的軌道周圍。行進的小車上面安裝信號接收端，信號接收端和信號發(fā)射端的漏波電纜之間是沒有障礙物的存在的（圖4）。（2）由于距離非常近，空中衰減很小，接收的信號強度就會很好，無線的傳輸也就非常穩(wěn)定，在規(guī)定的9~13cm接收足夠強的無線信號，同時不會干擾和被干擾。（3）在空中自行小車線的應用上，多種鋼結構阻擋的車間等需要進行無線通信的場合，采用漏波電纜會比采用普通天線有更穩(wěn)定的無線傳輸，同時由于無線傳輸穩(wěn)定了，數(shù)據(jù)包的不良率會降低，減少了不必要的數(shù)據(jù)重傳，無線也就會有更加快速的響應速度（圖5）。（4）抱臂打開、合攏定位方式。目前車間抱臂打開、合攏依靠行程開關控制，當車型增加時已沒有位置安裝相應的開關?？紤]到此情況，此次改造采用激光測距儀來控制小車抱臂的開合位置，可以打破多種車型寬度數(shù)量限制，定位精度在±2mm內。抱臂打開與合攏極限超程位選用行程開關限制。

4滑觸線分段控制和無線以太網控制的比較

原有轉掛小車均采用滑觸線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換和動力供電，本次改造為了克服傳統(tǒng)滑線數(shù)據(jù)信息交互量受限、系統(tǒng)可靠性低及電氣安裝復雜等缺點，采用當前主流的無線以太網通信技術。

4.1信息交互無限量

通過無線以太網通信模塊的發(fā)射/接收數(shù)據(jù)包進行信息交互，系統(tǒng)可以任意地增加所需要的控制信號，信息交互量不在受到限制。主控PLC可以將任意多的車型傳遞給空中自行小車、主控PLC可以給空中自行小車多種速度，使小車行走起來更平穩(wěn)，增加小車的使用壽命?？罩凶孕行≤嚳梢詫⒆陨砀嗟墓收蟼鬟f給主控PLC，從而便于更精確的查找問題。主控PLC和空中小車構成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)滑觸線控制更多的功能。圖6為主控系統(tǒng)觸摸屏，可實現(xiàn)小車位置實時監(jiān)控、小車參數(shù)即時設置。

4.2系統(tǒng)可靠性高

無線以太網控制方式取消了用于信號控制的滑觸線，僅留4極為空中小車提供電源。滑線和碳刷的減少，避免了小車由于抓取工件上下抖動和碳刷接觸不良造成的信號丟失，以及碳刷長期與滑觸線摩擦，碳粉滯留在滑線分段處或者滑線上造成信號誤傳輸。采用無線以太網控制方式信息交互通過無線以太網模塊進行交互，無需通過滑觸線和繼電器經由電纜和主控PLC信息交互，大大減少系統(tǒng)的故障點，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3電氣安裝簡單

取消了用于信號交互的滑線，減少了大量的控制電纜安裝，以及滑線的分段處理。無線通信方式只需要沿軌道布置一根漏波電纜即可，數(shù)據(jù)信息通過安裝在自行小車上的無線以太網接收模塊和通過漏波電纜連接的無線以太網發(fā)射模塊進行交互。無線以太網控制方式減少了自行小車隨車電控柜和主控柜大量的中間繼電器和IO（Input/Output，輸入/輸出）模塊的使用，使安裝、接線和維護簡單化。

4.4維護方便

采用無線以太網通信技術作為信息交互方式的控制系統(tǒng)，控制信號的電纜比傳統(tǒng)滑線信息交互方式減少了約90%，故障點大大減少，使系統(tǒng)的硬件連接更加簡單。小車故障可以實時反饋給主控PLC，便于快速的處理和解決。小車的動作由自己獨立控制，可以在主控柜觸摸屏上設置相應小車的控制按鈕，當小車出現(xiàn)故障時可以方便地將故障小車放置到維修段。

4.5經濟效益

對于由控制系統(tǒng)構成的生產線而言，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高生產線的停線率越低，經濟效益越高。采用滑線控制的方式，故障主要集中在碳刷、滑線和繼電器等方面，通過無線以太網控制方式后，這方面的故障率大大降低，繼電器故障為零。

5移行輸送系統(tǒng)現(xiàn)存問題

涂裝車間共有38臺移行機，移行機的電源線和信號線全部布置在電纜拖鏈中，每個移行機有4根電源線，11根信號線，移行機形成平均長度15m。拖鏈中的電纜在連續(xù)使用4年后，經統(tǒng)計有18臺移行機電纜磨損嚴重，開始頻繁出現(xiàn)因電纜線皮磨破導致移行機故障，拖鏈內的線纜大部分已經到使用壽命。

6移行輸送系統(tǒng)解決方案

（1）采用菲尼克斯電氣的整體無線藍牙通信模塊CBL-ATK-JF-WXCN01（1089615）作為信號無線傳輸裝置。原移行機上接近開關信號線通過防護箱內接線端子連接到無線I/O模塊的數(shù)字量輸入端，該信號可通過無線傳輸?shù)降孛娣雷o箱的無線I/O模塊。（2）配置兩個IP65防護等級的箱體，其中一個防護箱安裝在移行機移動設備上，另外一個防護箱安裝在地面原有IP67IO模塊旁并以數(shù)字量輸出的方式輸出（圖7）。

7移行輸送系統(tǒng)信號有線與無線傳輸比較

（1）無線通信可靠穩(wěn)定傳輸I/O信號，解決了因電纜磨損導致的信號丟失問題，并且還具有安裝維護簡單方便的特性，便于后期維護。（2）每個模塊上均有LED（LightEmittingDiode，發(fā)光二極管）指示燈診斷無線連接質量和狀態(tài)。（3）每個模塊具有16路開關量輸入輸出以及2通道模擬量輸入輸出0~10V或4~20mA，可與移行機上的傳感器和地面原有的IO模塊直接連接，無需編程。（4）數(shù)據(jù)的雙向傳送掃描周期小于10ms，滿足高頻率應用場合。（5）無線模塊具備強防干擾能力，相互之間不會干擾，能夠在車間現(xiàn)場穩(wěn)定運行，不受環(huán)境干擾，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。（6）所有IO信號及電源線通過防護箱外部的快速接口進行連接，接口形式為M12ACODE接頭，方便后期信號的增減。（7）無需任何軟件組態(tài)，通電即可完成通信配對，其運行時也不需任何許可證。

8結束語

無線以太網漏波電纜通信與藍牙通信在轉掛系統(tǒng)與移行輸送系統(tǒng)的應用，為其他運動型裝備的信號傳輸提供了可借鑒的無線化解決方案。通過在涂裝車間應用無線通信技術，減少了信號傳輸介質的使用，為打造綠色、環(huán)保、節(jié)約型車間提供了裝備基礎。信號的穩(wěn)定傳輸，既提高了車間的設備可動率，為車間高質量按時完成生產任務提供了保障，又可打破傳輸信號數(shù)量的限制，提高車間裝備的自動化水平與混線生產能力。通過應用無線通信技術，為打造敏捷型、高柔型和智能型工廠奠定了裝備基礎；通過采用高自動化、高信息化的先進措施，打造超級工廠、智能工廠，為推進“中國制造2025”做出行業(yè)典范。

參考文獻

［1］廖常初.S7-300/400PLC應用技術（第4版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2016：241-254.

作者：路垚 韓兆進 劉潤東 左柯 單位：一汽解放青島汽車有限公司