本項(xiàng)目建立于“工業(yè) 4.0”概念的國(guó)際大流行的背景下，同時(shí)也是處于國(guó)家“十三五”規(guī)劃期間，實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，推進(jìn)健康中國(guó)的建設(shè)環(huán)境。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，針對(duì) HEMS 在汽車自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的介紹，闡明重載電動(dòng)單軌輸送系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，軌道系統(tǒng)、小車系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和具體功能。重載電動(dòng)單軌系統(tǒng)，電動(dòng)輸送機(jī)在單軌系統(tǒng)上行駛，同時(shí)帶載能力達(dá)到或超過(guò) 10000kg。單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器，可在軌道系統(tǒng)內(nèi)跨道岔和轉(zhuǎn)換站行駛。電能和信號(hào)通過(guò)滑觸線或無(wú)線傳輸。根據(jù)具體的任務(wù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)如拾取、提升或降下重物等功能。期間，整個(gè)設(shè)備內(nèi)的單軌輸送機(jī)必須自動(dòng)完成其工作。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，已經(jīng)考慮了即使是調(diào)度系統(tǒng)失靈的情況下也可以保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。

1? 電動(dòng)單軌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)單軌系統(tǒng)主要包括生產(chǎn)控制系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)、吊具控制系統(tǒng)、能源供給及控制、通訊及周圍設(shè)備等。電動(dòng)單軌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

1.1? 生產(chǎn)控制系統(tǒng)

生產(chǎn)控制系統(tǒng)屬于上層控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單說(shuō)明其主要功能就是負(fù)責(zé)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)，管理生產(chǎn)的車型、產(chǎn)量、節(jié)拍以及獲取設(shè)備控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋生產(chǎn)數(shù)據(jù)、故障信息等。

1.2? 調(diào)度控制系統(tǒng)

調(diào)度控制系統(tǒng)是本案例的重點(diǎn)，也可以稱為設(shè)備控制系統(tǒng)，采用可編程邏輯控制器，即 PLC 進(jìn)行控制；國(guó)內(nèi)普遍流行的 PLC 品牌如西門(mén)子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾等。

1.3? 吊具控制系統(tǒng)

吊具控制系統(tǒng)是每臺(tái)設(shè)備的核心。吊具控制系統(tǒng)主要由吊具上的移動(dòng)控制單元 - 小車控制器和固定端的段控制器組成，另外還有通訊系統(tǒng)，供電系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等。

2? 調(diào)度控制系統(tǒng)具體構(gòu)成與描述

調(diào)度控制系統(tǒng)主要涉及能源的控制、安全控制、生產(chǎn)控制、輸送調(diào)度控制、診斷和維修控制等內(nèi)容。作為調(diào)度系統(tǒng)的核心控制元件我們采用可編程邏輯控制器，即 PLC。

2.1? 能源控制的主要內(nèi)容

（1）能源的獲取。動(dòng)力電能源從工廠提供的母線，采用電源插接箱的連接方式，通過(guò) 3 相 5 線制動(dòng)力電纜連接到調(diào)度系統(tǒng)電源柜。

（2）能源的分配。由于生產(chǎn)線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般會(huì)達(dá)到 600m 左右，同時(shí)對(duì)于安全隔離控制等的需要，也不允許滑觸線電源一路供電到底，所以對(duì)滑觸線進(jìn)行分割成若干小段，分別供電，這樣檢修方便，同時(shí)也不用擔(dān)心某處故障引起整個(gè)滑觸線損壞。根據(jù)用電設(shè)備的功率以及耗能頻率，采用斷路器加接觸器分層分級(jí)控制電源供給；不同供電區(qū)之間設(shè)置隔離段，供電由吊具行走方向的上游供電區(qū)提供，同時(shí)需要向下增加一層接觸器用來(lái)單獨(dú)控制，前后不同供電區(qū)、急停區(qū)任意區(qū)域觸發(fā)安全；均需斷開(kāi)隔離段供電。

（3）能源的使用與轉(zhuǎn)化。驅(qū)動(dòng)器的控制，電源的轉(zhuǎn)化與分配。吊具采用帶有碳刷的集電器，從滑觸線獲取動(dòng)力電源，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變頻器驅(qū)動(dòng)，行走或升降電機(jī)來(lái)控制吊具的行走和升降。

（4）供電回路設(shè)計(jì)。首先，需要獲取吊具能源消耗信息：上電電流、啟動(dòng)電流、額定電流、爬坡電流等。滿足單個(gè)供電段停滿吊具時(shí)的用電需求，根據(jù)工位長(zhǎng)度、吊具尺寸及吊具間距計(jì)算單個(gè)回路（一般國(guó)內(nèi)*大電流為 40A）軌道的長(zhǎng)度，進(jìn)而計(jì)算滑觸線供電回路數(shù)量，從而對(duì)滑觸線按計(jì)算好的長(zhǎng)度進(jìn)行分段切割，分別供電。根據(jù)轉(zhuǎn)接站驅(qū)動(dòng)設(shè)備及空調(diào)插座照明等用電設(shè)備功率計(jì)算電源分配控制柜用電容量。

2.2? 安全控制策略

安全策略主要是針對(duì)能源的安全管控，達(dá)到在需要緊急停車時(shí)能夠快速切斷動(dòng)力電源，從而使設(shè)備能夠當(dāng)斷則斷，緊急停止，達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。根據(jù)供電回路設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)平臺(tái)制定對(duì)應(yīng)安全策略。重點(diǎn)安全區(qū)域劃分為上線區(qū)、緩存區(qū)、工藝段、結(jié)合區(qū)、分離區(qū)、下線區(qū)、維修區(qū)、診斷區(qū)。

2.3? 生產(chǎn)控制

（1）MES 系統(tǒng)控制。系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)獲取調(diào)度控制系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，匯總計(jì)算管理，下發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，例如，當(dāng)輪胎擰緊工位，設(shè)置輪胎安裝、螺絲擰緊、機(jī)械手歸位等工作任務(wù)，當(dāng)?shù)蹙叩轿粫r(shí)，系統(tǒng)會(huì)反饋目前工件信息，生產(chǎn)控制系統(tǒng)對(duì)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)送放行命令，如任務(wù)超時(shí)，吊具停止的同時(shí)將工位未完成的任務(wù)狀態(tài)顯示到線邊的生產(chǎn)信息顯示大屏進(jìn)行提示，基于此，信息進(jìn)行計(jì)算工位工作任務(wù)完成情況及工作效率，對(duì)整個(gè)線體的監(jiān)控進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控分析，就可以分析出生產(chǎn)效率瓶頸節(jié)點(diǎn)，從而可以有針對(duì)性地調(diào)整人員工作任務(wù)或工藝流程，提高生產(chǎn)效率。

（2）線邊控制。線邊控制包括本身線體生產(chǎn)需求控制如急停、生產(chǎn)停、質(zhì)量停，和其他接口設(shè)備控制。生產(chǎn)接口控制：結(jié)合工位、分離工位、前端、儀表、輪胎、座椅、風(fēng)擋玻璃、車門(mén)等，根據(jù)不同的線邊設(shè)備，一般分為硬接線模式和網(wǎng)絡(luò)通訊模式 2種進(jìn)行信號(hào)交互。

2.4? 調(diào)度控制系統(tǒng)的傳輸控制

調(diào)度控制系統(tǒng) PLC 通過(guò)對(duì)吊具控制系統(tǒng)發(fā)送吊具的啟動(dòng)、停止、行走、軌道的切換命令等，從而可以對(duì)吊具的行走、調(diào)流、流量等的控制。

上線工位：采用升降機(jī)轉(zhuǎn)接站，同時(shí)配有讀寫(xiě)站，用于對(duì)工件信息的讀取和傳輸。通過(guò)讀取工件信息或讀取吊具本身攜帶信息，提前判定工件型號(hào)，升降機(jī)通過(guò)橫移電機(jī)調(diào)整托臂寬度以適應(yīng)不同型號(hào)的工件，當(dāng)?shù)蹙咛幱谵D(zhuǎn)接升降機(jī)后，伸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)托臂準(zhǔn)備接收工件。當(dāng)升降機(jī)接車一切準(zhǔn)備就緒后會(huì)上升抬高車身，使車身脫離吊具，此時(shí)，會(huì)有 2 臺(tái)電機(jī)對(duì)吊具的吊臂打開(kāi)裝置驅(qū)動(dòng)，使在升降機(jī)下行過(guò)程中順暢無(wú)干涉；此時(shí)，需要相應(yīng)數(shù)量的吊臂打開(kāi)和關(guān)閉到位檢查光電傳感器，對(duì)吊具位置進(jìn)行檢查確認(rèn)；車身在位光電傳感器對(duì)車身位置進(jìn)行檢查確認(rèn)；升降機(jī)下降到安全區(qū)域后，吊臂關(guān)閉，打開(kāi)吊具夾緊結(jié)構(gòu)放行空吊具，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

閉鎖站：通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，撥動(dòng)吊具定位銷上的偏心輪旋轉(zhuǎn)，使工件固定到吊具上的一種方法。配有吊具定位、升降機(jī)構(gòu)或吊具升降運(yùn)行、閉鎖機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)（合并檢查功能）。

閉鎖檢查站：主要是檢查吊具是否正確且牢固地固定住工件的檢查機(jī)構(gòu)，配有吊具定位、升降機(jī)構(gòu)。

驅(qū)動(dòng)控制：行走、升降；通過(guò)發(fā)送行走和升降高度變化等的命令，控制吊具的行走和升降功能。

開(kāi)鎖站：工件在下線之前需要將前鎖定的吊具支點(diǎn)解鎖，一配有吊具定位、升降機(jī)構(gòu)或吊具升降運(yùn)行、開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)。

下線工位：同樣采用升降機(jī)轉(zhuǎn)接站。

道岔控制：道岔驅(qū)動(dòng)控制方式一般可以采用接觸器、現(xiàn)場(chǎng)變頻器、道岔控制器等，道岔一般分為 2 位置道岔、3 位置道岔、上線道岔、下線道岔等。

2.5? 吊具的診斷和維修控制

PE 檢測(cè)是采用分段 PE 滑觸線通過(guò)電流監(jiān)控繼電器對(duì)吊具上 PE 線路進(jìn)行通斷檢測(cè)。

碳刷檢測(cè)：碳刷檢測(cè)一般采用壓力開(kāi)關(guān)安裝到滑觸線維修區(qū)入口前，當(dāng)碳刷磨損嚴(yán)重，吊具經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)反饋碳刷磨損故障信息。

抱閘測(cè)試：具備提升功能的吊具需要定期做抱閘測(cè)試以保證抱閘的有效性，給吊具發(fā)送抱閘測(cè)試命令即可，吊具完成抱閘測(cè)試后反饋抱閘測(cè)試通過(guò)或者故障等狀態(tài)信息。

吊具維修檢查站：主要對(duì)吊具定位裝置和車身定位銷的相對(duì)距離的調(diào)試，對(duì)吊具支點(diǎn)，結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性的檢測(cè)檢查和調(diào)試。

3? 吊具控制系統(tǒng)的組成與功能

段控制器是吊具控制系統(tǒng)的控制核心。吊具控制器是每臺(tái)吊具的核心，段控制器和吊具控制器共同組成了電動(dòng)單軌系統(tǒng)的靈魂，其在人力和機(jī)器有效性和安全性方面起到了至關(guān)重要的作用。吊具控制系統(tǒng)主要包括安全控制器、段控制器等。

3.1? 段控制器

整個(gè)生產(chǎn)線被分成 3 個(gè)連續(xù)的控制區(qū)域，每個(gè)區(qū)域配備了一臺(tái)段控制器，生產(chǎn)過(guò)程中，吊具會(huì)駛?cè)牒婉偝隹刂贫?，?dāng)?shù)蹙哌M(jìn)入當(dāng)前段時(shí)，吊具會(huì)注冊(cè)吊具號(hào)到當(dāng)前段控制器，此時(shí)，會(huì)接收當(dāng)前段控制器的控制指令，當(dāng)?shù)蹙唠x開(kāi)本控制區(qū)域時(shí)，吊具會(huì)注銷吊具號(hào)，從而去往下一個(gè)段控制區(qū)域，此區(qū)域段控制器對(duì)其不再發(fā)送控制命令，其將會(huì)接收下一個(gè)段控制器的命令。

3.2? 安全控制器

固定端的安全控制單元與吊具上的安全控制單元通過(guò)安全以太網(wǎng)及波導(dǎo)進(jìn)行通訊，發(fā)送安全控制指令來(lái)控制吊具的安全啟停。

3.3? 吊具構(gòu)成

（1）取電控制。采用集電器，通過(guò)碳刷從滑觸線取電的方式，增加相應(yīng)航空插頭固定板，采用維修隔離開(kāi)關(guān)控制單個(gè)吊具供電的通斷。

（2）吊具通訊。采用波導(dǎo)通訊，在波導(dǎo)曹背部安裝無(wú)線電波發(fā)射信號(hào)天線，將西門(mén)子基站發(fā)射出的無(wú)線電波發(fā)送至波導(dǎo)槽內(nèi)部，同時(shí)在波導(dǎo)槽兩端增加反射器用以減少電磁波損耗，達(dá)到增強(qiáng)信號(hào)的作用。在吊具的首末端配備波導(dǎo)接收天線，采用相應(yīng)固定支架，使其能在波導(dǎo)槽中自由滑動(dòng)，保證始終能夠穩(wěn)定接收到無(wú)線控制電波。無(wú)接觸波導(dǎo)通訊示意圖如圖 2。

（3）吊具定位。吊具通過(guò)安全條碼掃描傳感器，讀取貼在軌道上的安全二維碼信息，反饋給安全控制器進(jìn)行定位。安全功能包括限定安全位置、限定安全速度、限定安全行走方向。

（4）行走驅(qū)動(dòng)。行走驅(qū)動(dòng)采用 SEW 電機(jī)，角接形式，配備熱敏電阻，采用 4kw 現(xiàn)場(chǎng)變頻器，同樣為 SEW 品牌。

（5）升降驅(qū)動(dòng)。行走驅(qū)動(dòng)采用 SEW雙電機(jī)，星接形式，配備熱敏電阻和制動(dòng)電阻，采用 1 臺(tái) 15kW 現(xiàn)場(chǎng)變頻器控制 2 臺(tái)升降電機(jī)，同樣為 SEW 品牌。

（6）吊具控制器。移動(dòng)端的安全控制單元與吊具上固定端的安全控制單元通過(guò)安全以太網(wǎng)以及波導(dǎo)進(jìn)行通訊，發(fā)送安全控制指令來(lái)控制吊具的安全啟動(dòng)和停止。

移動(dòng)端的安全控制單元是每個(gè)吊具的控制**，也可以說(shuō)是單個(gè)吊具的大腦，用來(lái)接收調(diào)度指令，收集行走位置信息，升降高度信息，通過(guò)控制升降和行走變頻器，控制升降和行走電機(jī)，完成調(diào)度的指令，是一個(gè)完全聽(tīng)從上級(jí)指揮的前方獨(dú)立指揮部。

3.4? 道岔控制

道岔控制我們可以理解成空中的火車軌道道岔，可見(jiàn)其安全性穩(wěn)定性的重要。道岔不到位時(shí)，控制器將禁止小車在道岔附近區(qū)域內(nèi)動(dòng)作；小車在道岔時(shí)，道岔安全使能被安全 PLC 切斷，道岔禁止驅(qū)動(dòng)。

4? 重載電動(dòng)單軌的應(yīng)用場(chǎng)景及研究意義

采用重載電動(dòng)單軌系統(tǒng)，即使是大型和重型貨物也能更快、更安全、更有效地從 A 運(yùn)輸?shù)?B——即使在不同樓層或不同建筑物之間也可實(shí)現(xiàn)。

本文通過(guò)對(duì)重載電動(dòng)單軌控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)單軌吊具控制系統(tǒng)基于 PLC 作為調(diào)度控制系統(tǒng)是目前的主流，對(duì)每個(gè)吊具控制器進(jìn)行調(diào)度控制。實(shí)現(xiàn)貨物快速、高效、柔性搬運(yùn)。在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，但同時(shí)大多數(shù)控制系統(tǒng)，無(wú)論是調(diào)度控制系統(tǒng)還是吊具控制系統(tǒng)、控制器以及驅(qū)動(dòng)器、通訊設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備均需要采用進(jìn)口品牌產(chǎn)品。雖然我國(guó)工業(yè)化已經(jīng)擴(kuò)展到國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)各行各業(yè)，也已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化中后期，但單從工業(yè)控制技術(shù)產(chǎn)品這個(gè)方面，我國(guó)距離工業(yè)現(xiàn)代化的道路還很長(zhǎng)，需要我們從應(yīng)用研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、深入、提升努力能夠達(dá)到自主開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的水平，從而真正步入各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化水平。