電氣自動化在汽車焊裝車間設備配電中的應用

榮艷超

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，數(shù)字、互聯(lián)成為推動現(xiàn)代社會發(fā)展的新動力，也推動制造業(yè)自動化生產(chǎn)水平不斷提高。汽車產(chǎn)業(yè)作為制造業(yè)重要一員，生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)也更加自動化、智能化。汽車生產(chǎn)四大工藝中，焊裝涉及設備工藝種類眾多，機器人、冷連接、熱連接、輸送、工裝等，不同類型設備用電需求不同，在自動化生產(chǎn)線，對供配電系統(tǒng)也提出更高的要求。以北京奔馳MFA 焊裝車間工藝供配電系統(tǒng)為例，探討電氣自動化在保護、監(jiān)測與控制方面的應用[1]。

1 焊裝車間工藝配電簡介

MFA 焊裝車間電源由廠區(qū)電站經(jīng)10 kV 電纜輸送到車間內(nèi)10 kV 開閉站，經(jīng)變壓器后到各低壓配電室，根據(jù)不同線體用電需求，從低壓配電室相應端口取電。根據(jù)戴姆勒標準，區(qū)域負載設計用電大于315 A，直接從配電室取電，負載設計用電小于315 A，集中從一條大容量工藝母排取電。一條工藝母排預留多個接口，通過插接箱內(nèi)斷路器連接到現(xiàn)場區(qū)域主電柜。

至此，工藝設備供電到達一個具體區(qū)域，通常，一個區(qū)域的配電結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場工藝設備類型決定，以一個類型全面的區(qū)域為例，從插接箱引出一組三相五線制電源線，將電輸送到焊接柜H001，H001 柜內(nèi)將電分為兩路，一路用于分配三相380 V 焊接電，另一路將電源輸送到電能分配柜H011，H011 柜作為配電主體，根據(jù)不同需求將電能分配給PLC 柜H101、24 V電柜H111、機器人、涂膠、螺柱焊、變頻器等設備，焊裝車間工藝設備供配電系統(tǒng)如圖1 所示，其中，如果某個區(qū)域不涉及焊接用電，則母排直接給電能分配柜H011 供電。24 V 電柜H111 作為區(qū)域控制電分配柜，將輸入的380 V 三相電轉(zhuǎn)換為24 V 電，并為現(xiàn)場相應工藝設備提供24 V。整套供配電系統(tǒng)相關信號通過Profinet 網(wǎng)絡在PLC 程序中進行監(jiān)測與控制，在自動化生產(chǎn)條件下，實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的電氣自動化。

圖1 焊裝車間工藝設備供配電圖

2 380 V 配電的保護、監(jiān)測與控制

2.1 380 V 逐級保護

配電系統(tǒng)中的繼電保護、熔斷保護可快速切除故障線路，保證健全區(qū)域的供電[2]，在焊裝車間配電系統(tǒng)中，每一級、每一路電源的輸出，均配有相關斷路器或熔斷保險。

電源由低壓配電室到達現(xiàn)場首先經(jīng)過母排插接箱，內(nèi)部斷路器為施耐德NSX400H，脫扣器額定值為400 A，可實現(xiàn)三個級別保護：瞬時保護整定值Ii為4800 A；長延時電流整定值9 檔可調(diào)，為0.9 到1 倍的額定值；短延時電流整定9 檔可調(diào)，為1.5 到10 倍的長延時電流整定值。通過插接箱內(nèi)斷路器可分斷從工藝母排取電的區(qū)域，確保健全區(qū)域供電。在H001 柜內(nèi)，電源首先經(jīng)過QB1 熔斷保險，一路通過QA1 馬達斷路器，再經(jīng)各分支保險給相應設備供焊接電，此路為PEC（Power Efficiency Control）后380 V，另一路經(jīng)過QB2 保險后將電能輸送到H011 柜。H011 柜進電首先經(jīng)過手動開關QA1，可以人工上電斷電，H011 柜作為配電主體，為其他用電設備配電，其中一路通過QA2 馬達斷路器，即PEC 后380 V，經(jīng)各分支保險給螺柱焊、變頻器等提供380 V動力電，另一路直接經(jīng)各分支保險給PLC 柜H101、24 V 電柜H111、機器人等供電，380V 配電系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 380V 配電圖

2.2 電能數(shù)據(jù)監(jiān)控

在H001 柜進電口QB1 保險后，安裝有一套電能數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置，通過Profinet 網(wǎng)絡將信息傳遞給PLC，并在Integra 界面進行顯示，用于實時獲取區(qū)域用電狀態(tài)。

電能數(shù)據(jù)監(jiān)控主體是西門子SENTRON PAC3200多功能測量儀，可進行精確電能計量，并可顯示配電系統(tǒng)的多個測量變量，例如電壓、電流、功率、有功功率、頻率以及最大值、最小值和平均值。PAC3200 作為PLC 的一個站，通過Profinet 網(wǎng)絡將采集的電流、電壓反饋給PLC，通過戴姆勒標準FC4028 塊，可整合到電能管理系統(tǒng)之中，對其進行持續(xù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)通過FC4028 的標準背景數(shù)據(jù)塊進行收集和存儲，當前電能參數(shù)實時顯示，PAC3200 電能監(jiān)如圖3 所示。

圖3 PAC3200 電能監(jiān)控

2.3 380 V 配電控制

在MFA 焊裝車間電能分配中，涉及一個電能效率控制概念，即PEC。如圖1 所示，PEC 后380 V 供電指在馬達斷路器之后輸出的380 V 電能，馬達斷路器指H001 柜內(nèi)的QA1，H011柜內(nèi)的QA2，該馬達斷路器除作為線路保護存在，將開閉狀態(tài)信號反饋給PLC，另外，還可受PLC 控制實現(xiàn)接通、斷開，以達到在非生產(chǎn)時間節(jié)約電能的目標，該馬達斷路器為EATON 斷路器，由兩部分組成；一是斷路部分，主要實現(xiàn)保護功能；二是馬達控制部分，實現(xiàn)PLC 遠程控制通斷。PLC 邏輯控制由戴姆勒標準塊FC64、FC297、FC15 以及FC4027 實現(xiàn)，馬達斷路器控制如圖4 所示。

圖4 馬達斷路器控制

馬達斷路器通斷控制信號來源有兩種，程序由戴姆勒標準FC64 塊及背景數(shù)據(jù)塊DB 實現(xiàn)：一是當系統(tǒng)選擇處于（Local）本地模式，可通過人工點擊HMI 人機交互畫面上電/斷電按鈕實現(xiàn)；二是當系統(tǒng)選擇處于（Remote）遠程模式，即上位機控制，可通過標準塊FC64 的背景數(shù)據(jù)塊DB 實現(xiàn)，一次性可存儲8 組數(shù)據(jù)。

FC297 塊用于實現(xiàn)PEC 通斷功能的邏輯控制，該控制以線體處于停止且不在運行程序段為前提，即循環(huán)停止到達。當FC297 發(fā)出控制電壓On/Off 信號后，F(xiàn)C15 接收并控制一個常閉輔助接觸器以及上電/斷電信號指示燈。結(jié)合輔助FC4027 塊，實現(xiàn)馬達斷路器的通斷控制，在沒有生產(chǎn)的情況下，可遠程控制起到保護和節(jié)能的功能。

3 24 V 控制電的保護、監(jiān)測與控制

3.1 24 V 控制電的應用

正常條件下，車間內(nèi)設備是在PLC 網(wǎng)絡系統(tǒng)中實現(xiàn)控制與反饋的，即設備的通信不能斷，除了380 V 用電外，會單獨供給24 V 控制電，確保為實現(xiàn)節(jié)能斷焊接電和動力驅(qū)動電時，設備維持基本運行且不會中斷PLC 通信，如焊接柜，在馬達斷路器關斷后，設備網(wǎng)絡連接正常。除機器人、焊接系統(tǒng)、變頻驅(qū)動系統(tǒng)等，現(xiàn)場有很多設備不需要380 V 焊接電以及動力驅(qū)動電，只提供24 V 電即可，如工裝閥島、安全門鎖等。

24 V 電由區(qū)域電柜H111 分配，如圖1 所示，24 V 電柜H111 電源來自H011 電柜主開關后380 V，經(jīng)柜內(nèi)變壓器將380 V 轉(zhuǎn)為24 V，為區(qū)域內(nèi)設備提供所有24 V 電，柜內(nèi)通過一組LOCC BOX 實現(xiàn)電源的分配、保護與監(jiān)控，H111 柜內(nèi)24V 及LOCC BOX 結(jié)構(gòu)如圖5 所示，一組LOCC BOX 包含LOCC BOX 節(jié)點保險和供電單元，Gateway 網(wǎng)關以及附屬零件組成，一組最多可安裝84 個LOCC BOX 節(jié)點保險，每一個節(jié)點保險提供一路獨立24 V 電，供電單元為 LOCC BOX 節(jié)點保險提供電源，網(wǎng)關用于分配和傳遞數(shù)據(jù)，包含USB 接口和Profinet 接口。

圖5 H111 柜內(nèi)24V 及LOCC BOX 結(jié)構(gòu)

出于安全考慮，對于一組24 V 用電，包含一路不受控24 V 電US1 和一路受控24 V電US2。不受控24 V 電直接由LOCC BOX 節(jié)點供給，不受邏輯控制；受控24 V 電受現(xiàn)場狀態(tài)及安全條件等影響，經(jīng)PLC 程序運算后，由ET200S 安全模塊輸出，ET200S 安全模塊供電由LOCC BOX 節(jié)點提供。區(qū)分不受控24 V 和受控24 V 是為了確保安全，即PLC 安全邏輯條件不滿足，則無安全24 V 電US2，在只有24 V電US1 時，用電設備通信正常，但負載不執(zhí)行相應動作，保證現(xiàn)場工作人員安全。

3.2 過載短路保護

每個LOCC BOX 節(jié)點保險有一個LED 指示燈和一個手動開/關按鈕，另外，LOCC BOX 節(jié)點保險有兩個獨立可調(diào)節(jié)旋鈕，一個用于電流調(diào)節(jié)，電流值1～10 A可調(diào)，每次調(diào)整1 A，為該節(jié)點保險的設定額定電流；另一個用于反應特性調(diào)節(jié)，即對電流變化做出反應的速度，5 檔可調(diào)。

每個節(jié)點保險具有獨立的過載短路保護功能，當LED 指示燈綠色常亮，表示打開，正常輸出電能；當LED 指示燈紅色常亮，表示關閉；當指示燈綠色閃爍，表示該支路過載；當指示燈紅色1 Hz 慢速閃爍，表示該支路過電流短路；當指示燈紅色5 Hz快速閃爍，表示節(jié)點保險模塊故障。當其中一路出現(xiàn)過載、短路或系統(tǒng)故障時，該路報警，電能輸出中斷，其余各支路正常，保證健全支路的設備供電。

3.3 監(jiān)測與控制

LOCC BOX 各節(jié)點狀態(tài)可通過網(wǎng)關模塊實現(xiàn)監(jiān)測與控制，網(wǎng)關包含USB 和Profinet 兩種接口，LOCC BOX 監(jiān)測與控制如圖6 所示，通過USB 接口可連接安裝LOCC Pads 軟件的電腦，對LOCC BOX 做初始操作和配置，并實時監(jiān)控狀態(tài)；通過Profinet 接口連接到可編程PLC，結(jié)合戴姆勒標準塊FC4036 實現(xiàn)LOCC BOX 節(jié)點監(jiān)測與控制。

圖6 LOCC BOX 監(jiān)測與控制

通過網(wǎng)關Profinet 接口連接PLC，可對LOCC BOX 監(jiān)測和控制。PLC 程序中戴姆勒標準塊FC4036 處理各節(jié)點保險信息，最多可一次處理48 個，并通過FC16 可擴展。第一，通過FC4036 可監(jiān)控各保險狀態(tài)，單個保險關斷或者跳閘后有相應報警信息；第二，在當前沒有過載和短路情況下，瞬時跳閘的保險可通過PLC 的復位信號重新開啟；第三，每個保險有一個狀態(tài)字和一個模式字，用戶可通過PLC 開啟和關閉一個保險。

也可以使用網(wǎng)關USB 接口連接電腦，通過軟件LOCC Pads 實現(xiàn)整體模塊監(jiān)測與控制。軟件可顯示所有節(jié)點保險，另外節(jié)點的設置狀態(tài)、工作狀態(tài)、特性狀態(tài)、累加計時狀態(tài)，以及當前的實時電流和電壓均可進行顯示，通過相應的On/Off 按鈕可遠程打開和關斷任意一個節(jié)點保險。

4 結(jié)束語

從MFA 焊裝車間實際應用情況看，在工藝設備供配電系統(tǒng)中，通過電氣自動化技術(shù)實現(xiàn)保護、監(jiān)測、控制的功能，這些依賴于高級傳感和測量元器件、廣泛的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)以及專業(yè)的管理軟件，體現(xiàn)科技進步提升制造車間的自動化[3]。

現(xiàn)階段的監(jiān)測、控制是部分程度的自動化，隨著技術(shù)的革新，對現(xiàn)場配電實現(xiàn)全面的監(jiān)控、自動化操作，并可在服務器上顯示與操控，不僅可以提高效率，降低人工巡視檢查成本，而且對于設備的管理和維修維護帶來很大方便。

應用與技術(shù)創(chuàng)新相輔相成，科學技術(shù)進步推動制造業(yè)自動化、智能化飛速發(fā)展，同時，通過實踐及反饋，技術(shù)改革創(chuàng)新需求也對新科技、新技術(shù)的探索提供強大的推動力，增強對于智能供配電的探索。