祁樂建，汪華章，胡麗丹
(1.西南民族大學電氣工程學院，四川 成都 610041；
2.咸寧職業技術學院，湖北 咸寧 437000)
汽車制造行業具有關聯度高，產業鏈長，消費拉動大和就業面廣等特點，在國民經濟和社會發展中發揮著重要的作用[1].隨著工業4.0 的到來，汽車行業也面臨很多新的挑戰，比如生產線中節能環保問題，自動化控制系統的穩定性問題，機械運行故障帶來的生產安全隱患等[2].升降機作為汽車生產線中“承上啟下”的運輸設備，主要負責車身在生產線層數間的過渡運輸，保證其高效平穩的運行是車間生產問題的關鍵所在.升降機存在的主要問題如下:在實際運行過程升降機因傳動結構的皮帶松弛、焊接組裝工藝等導致過度振動[3]；
升降機高強度運轉或違規操作等帶來的安全事故，傳統的人工監察，檢測維修，關鍵程序規范化等方法[4]，并不具備對故障信息響應的時效性；
對于升降機的速度控制問題，傳統的繞組式轉子串電阻調速方法故障率高，節能效果差，特別在負載變動時很難實現恒減速控制[5].針對皮帶松弛，斷帶，高位過位，低位越位等機械問題，本文設計了一種可監控的、低振動的變頻調速升降系統，對升降系統的機械結構和關鍵程序進行優化，利用人機界面(HMI)監測升降系統的狀態信息，對于升降系統的速度控制問題采用變頻調速的方法.該系統提高了對故障的響應能力和系統運行的穩定性，實現了對升降機的多段速度控制，且具有十分明顯的節能效果.
升降系統框架主要由輸送系統，控制系統兩部分組成，如圖1 所示.輸送系統由傳動機構，升降裝置，停止器和傳感器組成，描述升降機在不同升降區間的運動要求，以及各電氣元件的作用.控制系統設計主要包括組態，控制程序和人機界面.控制器采用穩定性好，安全性高，抗干擾能力強的西門子PLC S7-1500.控制系統基于TIA Portal V16 平臺，首先對控制系統元件進行組態，包括網絡連接，通信配置和變頻器的調試.然后分析各個電氣元件之間的邏輯關系，優化控制程序.最后設計人機界面，完成畫面模板設計和HMI 變量的關聯，完成仿真結果分析.
圖1 系統框架Fig.1 System framework
輸送系統設計包括升降機布置圖和升降機的工作過程設定，布置圖如圖2 所示.布置圖中包括升降機上安裝的電氣元件以及位置的功能，根據車間生產要求設定升降機的工作過程，完成對應的自動化控制.
如圖2 所示，升降機為連接生產線二層到一層的通道，氣缸和鎖緊器組成升降機的停止器.在升降機上安裝多個激光測距元件和定位器，通過激光測距和定位器實時監測升降機的空間位置，這些傳感器通過現場總線(RS485)將數字信號實時傳輸到可編程控制器S7-1500[6]，可編程控制器對數據采用順序掃描，不斷循環的原理對數字信號進行處理.根據PLC 寫入的程序在有高位越位，低位過位等情況下停止升降機的運行，并且實時記錄升降機位置與故障信息，方便線體運轉的維護.升降機的工作過程為:升降機到達二層軌道預定位置后，氣缸伸出，擋板伸出，傳動機構帶動滑軌上的物料架運動過來時，鎖緊器夾緊，對升降機完成機械鎖定，避免墜落.然后物料架進入升降機，到達指定位置后，氣缸縮回，擋板復位，升降機開始升降操作，進入下一環節[7].
圖2 升降機布置圖Fig.2 Elevator layout
3.1 組態搭建
組態由網絡連接，通訊配置和變頻器調試三部分組成.網絡連接就是在TIA Portal V16 中將PLC、HMI、變頻器、異步電機以及交換機等設備從硬件目錄中添加到項目中，對其配置IP 地址和子網掩碼，使這些硬件處于同一子網中.HMI 和異步電機等設備采用Profinet 通訊，變頻器組態主要是選擇合適的報文完成通訊配置和參數的調試.組態完成后選擇PG/PC接口類型，接口選擇有線網卡，完成配置后下載至設備[8].
3.1.1 網絡連接
S7-1500 可編程控制器分別連接耦合器、主控柜和遠程柜交換機，耦合器用于連接汽車生產線的網絡并且交互生產線網絡的數據.交換機分別連接變頻器、HMI 精智面板和用于通訊配置的GSD 模塊，GSD模塊用于非西門子產品與西門子產品進行DP 通訊，PROFIBUS DP 在很多時候被用于工業現場的高速數據傳輸[9].
網絡視圖主要是將控制系統中的CPU，主控柜，遠程控制柜里的交換機，系統中的變頻器以及所有的HMI 觸摸屏進行網絡連接，保證所有組態網口一致.對于HMI 要建立本地連接，保證人機界面(HMI)變量與PLC 變量的連接，實時進行數據傳輸與通信，實時監控現場PLC 變量的狀態[10].HMI 的本地連接數目應該與現場的觸摸屏數目對應，HMI 本地連接與一個HMI 觸摸屏采用單點映射的原則，保證不同HMI變量的唯一性.
3.1.2 通訊配置
在硬件目錄下，添加到目錄設備所對應的類型中.其中PLC 通過周期性通訊PZD 通道(過程數據區)控制和檢測變頻器，其中控制字接收PLC 發給變頻器的數據，狀態字發送變頻器數據給PLC，本系統采用西門子報文352，其PZD 通道對應的控制字和狀態字如表1.
表1 西門子報文352Table 1 Siemens message
3.1.3 變頻器調試
升降機變頻調速系統主要由變頻器行程控制、能耗制動和抱閘制動等組成.在生產實踐中，變頻器一般有三種類型:通用型普通變頻器(一般V/F 控制)；
矢量型高性能變頻器(轉矩控制)；
風機水泵型變頻器(2 次方律負載).通用型普通變頻器主要用于恒轉矩負載；
矢量型高性能變頻器主要用于恒功率負載.該系統選用德國西門子變頻器(控制模塊為G120 CU250S-2PN)，根據車間現場情況，選擇變頻器的報文類型，設置過載和基本負載的持續時間.
3.2 程序設計
在TIA Portal V16 中編寫PLC 程序，用戶程序由組織塊(OB)，函數塊(FB)，函數塊(FC)，共享數據塊(DB)以及一些系統功能構成.組織塊OB1 為用戶程序的主程序，OB1 以外的組織塊OB 為用戶程序的中斷程序或報警程序；
函數塊FB 塊和FC 塊是用戶編寫的程序模塊，可以被其他程序塊調用，但FC 塊不分配存儲區，FB 塊具有自己的存儲區(數據DB)；
數據塊DB 是用戶定義的變量存儲區域，可以是FB 塊的專用存儲區，稱為背景數據塊，也可以是全局共享數據塊[11-12].
系統程序流程如圖3 所示，系統使用后，判斷是否有急停和故障，如果有急停或故障，則進入維護模式，并使柱燈閃爍報警；
如果無急停和故障，在觸摸屏上選擇手動或自動模式，執行各自模式下的程序.程序設計包括模式選擇，升降控制，變頻調速以及一些故障報警和位置監測程序.
圖3 程序流程圖Fig.3 Procedure flow chart
3.2.1 模式選擇
升降機運行對應三種模式，即自動模式，手動模式，維護模式.自動模式下設計位置請求程序，本次設計設定5 個位置點，相鄰位置點邏輯相關，根據傳感器反饋給PLC 各電氣元件的機械位置，決定是否升降，系統是否連續運行.手動和維護則需要在觸摸屏上進行點動操作.
3.2.2 升降控制
升降控制是整個程序設計的核心部分，邏輯關系復雜，程序繁多，將FC 程序塊合成FB 功能塊，如圖4所示.升降機功能塊中FC 塊1—8 寫的是升降系統使能的條件，比如加載背景DB 塊，檢查電源柜狀態等；
9-19 寫的是升降系統的模式選擇以及自動條件下的位置請求，當下一運動位置滿足運行條件時，才能自動運行，避免碰撞；
20-80 寫的是升降區間高速、低速運行，高低位位置設定，各模式下的升降條件，位置、速度監測，控制升降機在不同模式下根據升降區間選擇不同速度運行；
81-99 寫的是故障和間隙檢測，當出現故障時可以在觸摸屏上顯示故障信息，對故障信息進行追蹤，方便生產維護.
圖4 升降機邏輯功能塊Fig.4 Elevator logic function block
3.2.3 變頻調速程序
變頻調速程序主要是速度設定程序和變速程序，以及輔助性質的故障保護程序和啟動的使能程序.速度設定程序主要根據車間生產節拍設定變頻器的最大，最小速度，根據運行電流計算出實際電流來控制升降速度，如圖5 所示.變速程序中，設置4 種速度選擇，并與觸摸屏進行關聯，方便操作員工可以根據現場或者后期生產節拍變更直接在觸摸屏上更改設定速度，如圖6 所示.其中變頻器設定值(顯示值)M 與實際值(實際轉速)N 之間的關系如下式1 所示:
圖5 變頻器速度設定程序Fig.5 Speed setting of frequency converter
圖6 速度變化程序Fig.6 Speed change procedure
式中，P200X為參考變量，本次設計參考變量為P2000，數值為1 500，16 384 對應十六進制的4000(H).
3.3 人機界面設計
利用TIA Portal V16 對人機交互界面進行設計，人機界面的設計原則為:友好性，界面一致性，界面交互容錯性等[13].本系統的人機界面主要分為操作界面和監控畫面，人機界面的設計是實現監控系統過程可視化和過程控制功能的關鍵，條理清晰的人機界面能讓操作人員的工作變得高效簡單[14].人機界面采用多畫面的設計方法，其窗口的顯示畫面由總體畫面及各子系統裝置畫面組成，各個畫面之間可自由切換.
人機界面的畫面模板具有“一次定義，多次使用”的特點，畫面模板的設計主要包括畫面對象的結構類型，事件，變量以及腳本[15].當完成畫面模板的設計后，發布版本保存在項目庫中.在項目庫完成調用，添加HMI 變量，事件以及腳本后即可與PLC 程序完成邏輯關聯，顯示對應的變量狀態.升降機的操作界面如圖7 所示，可以實現手動下降、上升以及調速等功能，并且監控升降機的位置信息以及運行狀態.其中下降和上升為觸屏操作按鈕，其余信號顯示升降狀態，當為黃色時，顯示狀態置1.
圖7 升降機操作界面Fig.7 Elevator operation interface
監控界面包括MCP 狀態、OP 狀態、設備狀態、報警狀態、位置、傳感器狀態以及VDF 信息，如圖8 所示.MCP 柜狀態信息主要監測主控柜的運行情況，OP狀態為操作站狀態，設備狀態為升降機狀態，報警狀態用于查看設備的報警信息，位置和傳感器狀態即位置定位器和激光測距的數據，VDF 信息為變頻器信息，可讀取變頻器狀態以及電機運行時的轉速.監控界面提高了升降控制系統的監測時效性和直觀性，支持升降系統故障與潛在問題的及時發現與解決.
圖8 升降機監控界面Fig.8 Elevator status monitoring interface
本文設計的用于汽車生產線中的可監控變頻調速升降系統投入衡陽威馬汽車總裝車間以來，升降機在自動模式下沒有出現高位越位，低位過位等情況，且運行平穩，沒有出現過度振動問題；
升降機在不同的升降行程區間通過變頻調速能夠完成高速和低速的切換，真正實現了平滑調速，在滿足自動化的同時，達到了節能的目的；
人機界面可實時監測升降系統的狀態，并對報警信息進行記錄，形成報警文本，提高了操作人員對故障處理的效率.該系統了提高汽車產線穩定性和經濟性，同時實現了自動化和系統故障可視化，符合工業4.0 對汽車制造行業轉型升級提出的智能自動化和網聯可視化的要求.