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随着控制系统技术水平的不断发展和tigao，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，系统的设计在遵循新的控制系统标准的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. 小化周期时间（从设备的初设计、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，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，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tigao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125kbpstigao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，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，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，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许多其他设计也是别出心裁：
（1） 硬件设计采用EplanP8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，省掉了大量重复性工作，还可以通过ODBC等方式与其他数据库建立连接。设计过程中可以自动生成元器件编号和材料清单等，节约硬件设计时间40%左右。
（2）根据设备布置，整个车间配置了56台HMI操作站，分别设置于设备附近，可以方便、快捷地进行设备调整和维修。HMI有三种控制方式：自动控制、手动控制和维护控制。HMI画面采用通用汽车新标准设计，双语显示，功能强大，便于操作，能够及时、快速、准确地操作，并反应现场的设备状态。
（3）车间现场所有3kW以下的输送设备电机采用SEW一体式变频器进行控制，该变频器达到IP67防护等级，配置6个独立的输入点，M12接口用于方便、快捷地连接就近设备的传感器。
（4）控制柜内的布置也严格按照电压等级进行布局，从上往下、从左到右电压由高到低，所有的硬件和软件设计保留25%的预留量，为今后系统改造和产能tisheng预留足够的空间。
（5）当现场设备出现故障时，该系统能以三种方式显示报警信息：现场的HMI屏幕、暗灯维修音乐响起以及PMC监控系统提示，信息的显示包括了故障点在程序以及现场的具体位置，极大地减少了故障的发现和处理时间。
（6)软件设计思维严谨、逻辑严密，引进了通用北美的软件进行模块化设计。通过简单地输入网络控制区域的相关信息，如HMI的控制范围、设备网络节点号及采用的PDP和MCP编号等，即可自动生成程序的80%，为软件设计节约了50%以上的时间，设计出来的程序更加规范，均带有相关注释，可读性强，更便于日后的维护、维修。图7显示了涂装底涂UBC入口的机运设备及控制系统布置。
图7 涂装底涂UBC入口系统设备布置
系统应用及推广价值
青岛涂装生产线输送控制系统创新性地采用了众多先进技术和理念，从2008年4月28日SOP以来，整个系统运行稳定、安全、故障率低。在青岛分公司的整个整车工厂，冲压车间、车身车间、涂装车间以及总装车间，均采用了这种解决方案，部分做的修改已经重新写进新的技术标准中，其他相关的汽车公司也纷纷前来参观、借鉴
交换信息。
4 系统软件设计
上位机监控软件利用组态王（KingView5.1）工控组态软件。它能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。该软件把每一台下位机看作是一台外部设备，在编程过程中根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接功能。在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。每个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通信程序和组态王软件构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效运行，也可扩大系统的规模。其与下位机通信原理如图4所示：
图4上位机与下位机的通信原理框图
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组态王与OMRONPLC之间的通信采用的是OMRONHOSTbbbb通信协议。组态王通过串行口与PLC进行通信，访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。组态王监控软件还可实现显示工艺流程图、各种参数实时测量值，实时修改下位机所需的各种参数值，上、下位机之间的通信管理，实时故障报警画面，实时数据库和历史数据库管理，系统日志报表和各种生产报表等功能。
在主监控站上建立网络数据库，将过程监控站中的各类实时数据、画面、图表等信息存入本地网络服务器中，利用ASP技术生成动态网页，进行实时发布，可实现现场数据的Web浏览，为将来工厂全面的Intranet管理留下基础。
下位机软件设计采用模块化结构，每一个模块作为一个子程序。根据系统功能划分，程序由多个模块组成，每个模块的程序量都不大，整个程序的编制、调试和维护比较方便。各子系统的下位机软件模块框图如图5所示。
图5下位机软件模块框图
5结束语
经过精心设计，认真调试，该系统在东风汽车公司某大型综合站房的实际运行中，取得良好的效果，并获得用户的。
（1）该系统节能效果显著，自投入运行以来冬夏两季日均节电约30％。
（2）该系统大大降低了操作工人的操作难度，减少了运行故障率，减少了检修次数。
（3）能合理地应用设备，tigao整个系统的运行效率，tigao设备运行寿命。
本系统实际上是一套相对独立的恒压供水系统。主要由变频器和PLC组成，其电气原理图如图2所示：
图2恒压供水电气原理图
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变频器选用适于泵类的FujiG9变频器，分别对五台循环水泵进行变频控制，并通过PLC的逻辑控制功能，实现对整个供水系统的恒压变liuliang控制，为确保系统的稳定运行，整个系统设有过流、过压、过载、自诊断等多种保护功能。 本系统接收上位机或本地发出的启动信号后，启动水泵1变频运行，PLC根据接收到的压力和liuliang信号控制变频器调节水泵转速，使供水管网水压恒定。当水泵1工作频率达到工频时，若管网水压仍达不到要求，将此泵切换到工频运行，变频器切换到水泵2，使其变频运行。此后，如果水压仍达不到要求，则继续切换下去至满足要求。若管网水压大于设定值，PLC控制变频器频率，使水泵转速降低，当低至设定低频率时，依据先开先停原则，自动切换掉已投入运行的工频泵，使管网水压始终保持恒定。这样，五台水泵轮流循环运行，避免某台泵长期运行，延长设备使用寿命。本系统由闭环PI控制即可满足要求,PI算法由PLC实现：Ui＝Ui-1＋ΔU＝Ui-1＋K[Ei－Ei-1＋（T/Ti）Ei>。
3系统组成
综合站房监控系统的组成如下：
本监控系统采用由PLC组成的分布式监控系统的形式。PLC作为下位机使用，用来完成各子系统的数据采集、输出控制及状态判别等工作，上位机采用研华公司的工业计算机，接收PLC采集的现场数据，并将数据存入动态数据库，完成报警、实时曲线、历史曲线、分析系统运行状态、打印输出、并根据控制室控制人员要求控制各系统的运行状态等功能。
PLC采用OMRON公司的SYSMACα系列的C200HE,它是一种价格适中、性价比较高的中型机，配有较强的指令系统，并增加了许多特殊功能指令，还配备了丰富的特殊功能模块和强大的通信模板，这些都足以实现现代工厂自动化的多级要求。系统主要选型如附表所示：
附表PLC硬件配置
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本系统网络为单级网络，系统中通信主要采用适配器结构形式的RS422上位连接方式。监控系统的网络结构如图3所示：
图3监控系统的网络结构
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由于采用一对四的通信方式，需要为设备设置地址，在下位机采用RS422标准，在每台PLC上都安装了一块LK202HOSTbbbb模块，各PLC通过三端口RS422适配器相连，通过RS422转RS232适配器转换后连接到上位机的串行口。
HOSTbbbb的内部驻留了通信软件，通信协议已固化，只有几个参数需要用户根据现场应用进行设置。C200H-LK202上位连接单元的面板上有4个参数设置开关SW1～4,SW1、SW2用于设置该上位连接单元的设备号（也称站号），取值范围为00～31。SW3选择波特率。SW4用来设置命令级，奇偶校验格式。
网络中的所有PLC通过公用LR区实现数据传送，在LR区中每个PLC均分配一个写区和若干读区。数据传送时PLC将数据写入到公用LR区中分配给自己的写区，其他PLC则通过PLC链接单元从LR区对应区域读数据，从而使系统中的PLC相互