祁乐建，汪华章，胡丽丹
(1.西南民族大学电气工程学院，四川 成都 610041；
2.咸宁职业技术学院，湖北 咸宁 437000)
汽车制造行业具有关联度高，产业链长，消费拉动大和就业面广等特点，在国民经济和社会发展中发挥着重要的作用[1].随着工业4.0 的到来，汽车行业也面临很多新的挑战，比如生产线中节能环保问题，自动化控制系统的稳定性问题，机械运行故障带来的生产安全隐患等[2].升降机作为汽车生产线中“承上启下”的运输设备，主要负责车身在生产线层数间的过渡运输，保证其高效平稳的运行是车间生产问题的关键所在.升降机存在的主要问题如下:在实际运行过程升降机因传动结构的皮带松弛、焊接组装工艺等导致过度振动[3]；
升降机高强度运转或违规操作等带来的安全事故，传统的人工监察，检测维修，关键程序规范化等方法[4]，并不具备对故障信息响应的时效性；
对于升降机的速度控制问题，传统的绕组式转子串电阻调速方法故障率高，节能效果差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制[5].针对皮带松弛，断带，高位过位，低位越位等机械问题，本文设计了一种可监控的、低振动的变频调速升降系统，对升降系统的机械结构和关键程序进行优化，利用人机界面(HMI)监测升降系统的状态信息，对于升降系统的速度控制问题采用变频调速的方法.该系统提高了对故障的响应能力和系统运行的稳定性，实现了对升降机的多段速度控制，且具有十分明显的节能效果.
升降系统框架主要由输送系统，控制系统两部分组成，如图1 所示.输送系统由传动机构，升降装置，停止器和传感器组成，描述升降机在不同升降区间的运动要求，以及各电气元件的作用.控制系统设计主要包括组态，控制程序和人机界面.控制器采用稳定性好，安全性高，抗干扰能力强的西门子PLC S7-1500.控制系统基于TIA Portal V16 平台，首先对控制系统元件进行组态，包括网络连接，通信配置和变频器的调试.然后分析各个电气元件之间的逻辑关系，优化控制程序.最后设计人机界面，完成画面模板设计和HMI 变量的关联，完成仿真结果分析.
图1 系统框架Fig.1 System framework
输送系统设计包括升降机布置图和升降机的工作过程设定，布置图如图2 所示.布置图中包括升降机上安装的电气元件以及位置的功能，根据车间生产要求设定升降机的工作过程，完成对应的自动化控制.
如图2 所示，升降机为连接生产线二层到一层的通道，气缸和锁紧器组成升降机的停止器.在升降机上安装多个激光测距元件和定位器，通过激光测距和定位器实时监测升降机的空间位置，这些传感器通过现场总线(RS485)将数字信号实时传输到可编程控制器S7-1500[6]，可编程控制器对数据采用顺序扫描，不断循环的原理对数字信号进行处理.根据PLC 写入的程序在有高位越位，低位过位等情况下停止升降机的运行，并且实时记录升降机位置与故障信息，方便线体运转的维护.升降机的工作过程为:升降机到达二层轨道预定位置后，气缸伸出，挡板伸出，传动机构带动滑轨上的物料架运动过来时，锁紧器夹紧，对升降机完成机械锁定，避免坠落.然后物料架进入升降机，到达指定位置后，气缸缩回，挡板复位，升降机开始升降操作，进入下一环节[7].
图2 升降机布置图Fig.2 Elevator layout
3.1 组态搭建
组态由网络连接，通讯配置和变频器调试三部分组成.网络连接就是在TIA Portal V16 中将PLC、HMI、变频器、异步电机以及交换机等设备从硬件目录中添加到项目中，对其配置IP 地址和子网掩码，使这些硬件处于同一子网中.HMI 和异步电机等设备采用Profinet 通讯，变频器组态主要是选择合适的报文完成通讯配置和参数的调试.组态完成后选择PG/PC接口类型，接口选择有线网卡，完成配置后下载至设备[8].
3.1.1 网络连接
S7-1500 可编程控制器分别连接耦合器、主控柜和远程柜交换机，耦合器用于连接汽车生产线的网络并且交互生产线网络的数据.交换机分别连接变频器、HMI 精智面板和用于通讯配置的GSD 模块，GSD模块用于非西门子产品与西门子产品进行DP 通讯，PROFIBUS DP 在很多时候被用于工业现场的高速数据传输[9].
网络视图主要是将控制系统中的CPU，主控柜，远程控制柜里的交换机，系统中的变频器以及所有的HMI 触摸屏进行网络连接，保证所有组态网口一致.对于HMI 要建立本地连接，保证人机界面(HMI)变量与PLC 变量的连接，实时进行数据传输与通信，实时监控现场PLC 变量的状态[10].HMI 的本地连接数目应该与现场的触摸屏数目对应，HMI 本地连接与一个HMI 触摸屏采用单点映射的原则，保证不同HMI变量的唯一性.
3.1.2 通讯配置
在硬件目录下，添加到目录设备所对应的类型中.其中PLC 通过周期性通讯PZD 通道(过程数据区)控制和检测变频器，其中控制字接收PLC 发给变频器的数据，状态字发送变频器数据给PLC，本系统采用西门子报文352，其PZD 通道对应的控制字和状态字如表1.
表1 西门子报文352Table 1 Siemens message
3.1.3 变频器调试
升降机变频调速系统主要由变频器行程控制、能耗制动和抱闸制动等组成.在生产实践中，变频器一般有三种类型:通用型普通变频器(一般V/F 控制)；
矢量型高性能变频器(转矩控制)；
风机水泵型变频器(2 次方律负载).通用型普通变频器主要用于恒转矩负载；
矢量型高性能变频器主要用于恒功率负载.该系统选用德国西门子变频器(控制模块为G120 CU250S-2PN)，根据车间现场情况，选择变频器的报文类型，设置过载和基本负载的持续时间.
3.2 程序设计
在TIA Portal V16 中编写PLC 程序，用户程序由组织块(OB)，函数块(FB)，函数块(FC)，共享数据块(DB)以及一些系统功能构成.组织块OB1 为用户程序的主程序，OB1 以外的组织块OB 为用户程序的中断程序或报警程序；
函数块FB 块和FC 块是用户编写的程序模块，可以被其他程序块调用，但FC 块不分配存储区，FB 块具有自己的存储区(数据DB)；
数据块DB 是用户定义的变量存储区域，可以是FB 块的专用存储区，称为背景数据块，也可以是全局共享数据块[11-12].
系统程序流程如图3 所示，系统使用后，判断是否有急停和故障，如果有急停或故障，则进入维护模式，并使柱灯闪烁报警；
如果无急停和故障，在触摸屏上选择手动或自动模式，执行各自模式下的程序.程序设计包括模式选择，升降控制，变频调速以及一些故障报警和位置监测程序.
图3 程序流程图Fig.3 Procedure flow chart
3.2.1 模式选择
升降机运行对应三种模式，即自动模式，手动模式，维护模式.自动模式下设计位置请求程序，本次设计设定5 个位置点，相邻位置点逻辑相关，根据传感器反馈给PLC 各电气元件的机械位置，决定是否升降，系统是否连续运行.手动和维护则需要在触摸屏上进行点动操作.
3.2.2 升降控制
升降控制是整个程序设计的核心部分，逻辑关系复杂，程序繁多，将FC 程序块合成FB 功能块，如图4所示.升降机功能块中FC 块1—8 写的是升降系统使能的条件，比如加载背景DB 块，检查电源柜状态等；
9-19 写的是升降系统的模式选择以及自动条件下的位置请求，当下一运动位置满足运行条件时，才能自动运行，避免碰撞；
20-80 写的是升降区间高速、低速运行，高低位位置设定，各模式下的升降条件，位置、速度监测，控制升降机在不同模式下根据升降区间选择不同速度运行；
81-99 写的是故障和间隙检测，当出现故障时可以在触摸屏上显示故障信息，对故障信息进行追踪，方便生产维护.
图4 升降机逻辑功能块Fig.4 Elevator logic function block
3.2.3 变频调速程序
变频调速程序主要是速度设定程序和变速程序，以及辅助性质的故障保护程序和启动的使能程序.速度设定程序主要根据车间生产节拍设定变频器的最大，最小速度，根据运行电流计算出实际电流来控制升降速度，如图5 所示.变速程序中，设置4 种速度选择，并与触摸屏进行关联，方便操作员工可以根据现场或者后期生产节拍变更直接在触摸屏上更改设定速度，如图6 所示.其中变频器设定值(显示值)M 与实际值(实际转速)N 之间的关系如下式1 所示:
图5 变频器速度设定程序Fig.5 Speed setting of frequency converter
图6 速度变化程序Fig.6 Speed change procedure
式中，P200X为参考变量，本次设计参考变量为P2000，数值为1 500，16 384 对应十六进制的4000(H).
3.3 人机界面设计
利用TIA Portal V16 对人机交互界面进行设计，人机界面的设计原则为:友好性，界面一致性，界面交互容错性等[13].本系统的人机界面主要分为操作界面和监控画面，人机界面的设计是实现监控系统过程可视化和过程控制功能的关键，条理清晰的人机界面能让操作人员的工作变得高效简单[14].人机界面采用多画面的设计方法，其窗口的显示画面由总体画面及各子系统装置画面组成，各个画面之间可自由切换.
人机界面的画面模板具有“一次定义，多次使用”的特点，画面模板的设计主要包括画面对象的结构类型，事件，变量以及脚本[15].当完成画面模板的设计后，发布版本保存在项目库中.在项目库完成调用，添加HMI 变量，事件以及脚本后即可与PLC 程序完成逻辑关联，显示对应的变量状态.升降机的操作界面如图7 所示，可以实现手动下降、上升以及调速等功能，并且监控升降机的位置信息以及运行状态.其中下降和上升为触屏操作按钮，其余信号显示升降状态，当为黄色时，显示状态置1.
图7 升降机操作界面Fig.7 Elevator operation interface
监控界面包括MCP 状态、OP 状态、设备状态、报警状态、位置、传感器状态以及VDF 信息，如图8 所示.MCP 柜状态信息主要监测主控柜的运行情况，OP状态为操作站状态，设备状态为升降机状态，报警状态用于查看设备的报警信息，位置和传感器状态即位置定位器和激光测距的数据，VDF 信息为变频器信息，可读取变频器状态以及电机运行时的转速.监控界面提高了升降控制系统的监测时效性和直观性，支持升降系统故障与潜在问题的及时发现与解决.
图8 升降机监控界面Fig.8 Elevator status monitoring interface
本文设计的用于汽车生产线中的可监控变频调速升降系统投入衡阳威马汽车总装车间以来，升降机在自动模式下没有出现高位越位，低位过位等情况，且运行平稳，没有出现过度振动问题；
升降机在不同的升降行程区间通过变频调速能够完成高速和低速的切换，真正实现了平滑调速，在满足自动化的同时，达到了节能的目的；
人机界面可实时监测升降系统的状态，并对报警信息进行记录，形成报警文本，提高了操作人员对故障处理的效率.该系统了提高汽车产线稳定性和经济性，同时实现了自动化和系统故障可视化，符合工业4.0 对汽车制造行业转型升级提出的智能自动化和网联可视化的要求.