隨著控制系統技術水平的不斷發展和提高，各種新技術、新產品也不斷應用到汽車生產線的建造上來。在這樣的背景下，我們同通用北美的專家一起全面優化了公司西部工廠和東部工廠的控制系統，推出了最新的硬件設計標準GCCH-1，軟件設計標準GCCS-1，制造安裝標準GCCB-1和安全設計規范GDHS。上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司的涂裝生產線輸送控制系統，正是在嚴格遵守這些最新設計標準的基礎上建造而成的。

設計目標及要求

青島涂裝生產線是按照40JPH（每小時生產車體數）設計，年產30萬輛，多種車型混線生產的高柔性、快節奏生產線系統。為了建成一個完整、先進的汽車涂裝生產線輸送控制系統，系統的設計在遵循最新的控制系統標準的同時，還必須嚴格按照以下要求進行：

1. 安全性，系統既要符合國家的相關標準，又必須遵守GDHS的安全性設計，所有的安全元器件必須遵守國際標準SIL3\CAT4（安全完整性等級）等級，所有的安全信號采用冗余控制技術，以保證設備及人身安全；

2. 挖掘系統低成本的底線，體現高價值的控制系統；

3. 全面保證系統設備的高可靠性和穩定性；

4. 最小化周期時間（從設備的最初設計、采購、安裝調試到系統正常運作）；

5. 系統的運行以及采用的材料，要確保不影響汽車產品本身質量；

6. 對環境的影響達到最小化，節約能源；

7. 對設備的操作和維修符合人機工程，故障的診斷和處理簡潔、快速等。

系統的獨創性設計

1. 輸送控制系統組成

輸送設備控制系統作為涂裝車間控制的核心，在國內汽車廠首次融合了工藝設備控制系統、暗燈控制系統（現場請求幫助）、車體自動跟蹤系統AVI以及上位監控系統PMC共五大系統于一體，共同采用同一套安全PLC處理器進行控制。

輸送控制系統主要用于控制車間內部的輸送設備，貫穿整個生產線的始終。涂裝車間的輸送設備主要由前處理、電泳線的積放鏈、工藝區域的皮帶線，烘房區域的地面反向積放鏈IMC，噴房區域的雙鏈，以及其他類型的設備，如滾床、安全門、移行機、升降機及叉式移栽機等組成。整個涂裝車間輸送控制系統共分為13個控制區，每個控制區主要由一套電源分配柜PDP、主控制柜MCP和其他一些遠程控制柜體組成。PDP柜由主隔離開關、安全I/O和接觸器等組成，主要為該控制區提供380VAC和220VAC電源。MCP柜內包含PLC、交換機以及直流源模塊等，為該控制區提供所有的總線和控制24VDC電源。一個典型的控制區域布置如圖1所示。

圖1  涂裝電泳存儲區PDP、MCP和HMI的現場布置

2. 網絡架構的安全性、創新性設計

系統的總體網絡架構采用分散式兩層網絡，即工業以太網EtherNet/IP和DeviceNet安全網絡。其中，工業以太網網絡采用星型拓撲結構，通過與赫思曼的MS20可網管式交換機相互連接進行實時通信，負責收集生產相關數據，故障報警信息，PLC與HMI操作站的數據傳輸，以及不同PLC之間的聯鎖信號通信等。DeviceNet安全網絡用于現場設備層的控制，控制的設備包括變頻器、安全I/O、安全門、暗燈顯示板及條碼掃描槍等。車間工業以太網Ethernet/IP布置如圖2所示。

圖2  車間工業以太網EtherNet/IP布置

EtherNet/IP網絡通信基于UDP/IP（用戶數據報協議/互聯網絡協議）標準以太網和開放性的應用協議——通用工業協議CIP。在輸送控制系統中，EtherNet/IP主要用于PLC到PLC的對等網絡通信，利用這個通信實現實時I/O控制和顯式報文的通信。關鍵信息包的實時交換必須建立在生產者/消費者模式上，同時生產者在網絡上存在著多個潛在消費者。

EtherNet/IP 的顯式報文通信主要用于PLC到機器人，PLC到其他的工藝控制器以及機器人到自身的控制柜的聯鎖信號傳輸，其通信路徑如圖3所示。

圖3  EtherNet/IP 中實時I/O控制和顯式報文的通信路徑

DeviceNet安全總線作為首次在國內汽車制造公司使用的底層設備控制網絡技術，與傳統的DeviceNet網絡的主要區別是更安全、傳輸速率更快，同時，滿足國際安全標準SIL3/CAT4等級。

DeviceNet安全網絡是指在總線網絡中涉及到安全的數據由安全I/O收集，通過DeviceNet安全協議傳輸到安全PLC中，它可以和普通網絡數據同時傳輸，共用同一條DeviceNet總線電纜，其安全性主要體現在：

（1）在安全協議里，總線網絡會給每個信息包貼上時間郵戳，對各個網絡和節點分配惟一的網絡安全序列號，對傳輸過來的數據進行多方面求證，大大提高了數據傳輸的安全性和可靠性。

（2）對網絡上傳輸的數據進行優先級劃分，安全類型的數據在網絡上具有更高的傳輸優先級，能夠確保其數據及時、準確地傳輸到安全PLC處理器。

（3）網絡數據的傳輸速率設置由以前的125kbps提高到250kbps及以上，確保網絡速度更快，縮短了1倍的控制周期。

（4）現場的安全IO模塊自身具有一套自我檢測程序，不斷地發送測試脈沖和雙通道一致性檢測，能夠及時收集設備的數據，并發現模塊的異常狀態。

（5）安全PLC處理器由兩個不同的控制器模塊組成，主模塊負責處理普通的邏輯程序和安全的數據，另外一個輔助處理器模塊只處理與安全相關的數據。兩個控制器在同時執行任務的過程中不斷相互比較，當發現不一致時會報警，終止程序的執行。如此雙冗余的安全數據處理機制，保證了現場人身、設備的安全。

（6）調試完成后的安全程序和網絡都可以進行密碼式管理，確保程序和網絡不會被惡意篡改。

安全IO、DeviceNet安全網絡和安全PLC處理器的同時使用，確保了數據在原始采集、傳輸通信和控制器處理整個過程中的安全性，創新性地解決了常規設備和安全設備不能同時在一個設備網絡上運行的難題，使整個系統更加簡潔，便于維護。DeviceNet安全網絡的使用，還增大了系統的控制范圍（2～3倍），建造同樣的涂裝生產線輸送控制系統由原來的35套PLC減少到現在的13套，大大降低了系統的建造成本。圖4顯示了一段典型的DeviceNet安全總線下所帶的設備。

圖4  一段典型的DeviceNet總線所帶的網絡設備

3. 電源的安全、獨特性設計

根據系統的安全性和便捷性設計，控制系統的電源分為兩種類型：一種為沒有經過電源分配柜PDP的主隔離開關，直接連接至“熱變壓器”輸入端，然后轉化成220VAC電源，我們稱之為“熱電”，主要給PLC背板、以太網交換機、暗燈顯示板和HMI等設備供電。另一種為經過主隔離開關的電源，由“控制變壓器”轉換成220VAC供電給MCP，再由直流電源模塊轉化成24VDC，我們稱之為“控制電源”，主要給總線、現場IO、傳感器和繼電器、接觸器等控制元器件供電。“熱電”的特別設計保證了PLC中的相關數據不會被清除，報警信息和操作日志能被及時記錄，在維修和故障處理過程中更加方便。

在電源安全性設計中，PDP柜體上的主隔離開關作為該控制區惟一能量鎖定點，當有人需要到現場作業時，維修員必須先關掉PDP上的主隔離開關，并且掛上安全鎖，做好能量鎖定。按照設計要求，所有裸露的380VAC和220VAC危險點必須加上聚乙烯樹脂透明玻璃罩，且在上面鉆上小孔以便檢測使用，消除一切安全隱患，有效預防由于人員不小心觸碰而導致的嚴重后果。輸送控制系統的整體架構設計如圖5所示。

圖5  系統的整體架構設計

按照電纜的設計，現場主要使用兩種電纜：動力電纜和控制電纜。電纜全部采用快速接插件方式，按照總線式結構布線，使施工更快速，布線更整齊簡潔。動力電纜設計為4芯，分別為3根三相線和1根接地線。控制電纜率先大膽采用總線和24VDC控制線結合為1根9芯電纜，在解決了其相互干擾的問題后，大大簡化了系統的復雜度，且運行穩定可靠，維修維護方便。電纜的接插件設計不僅為項目的施工省掉了大量電工，還節約了至少20%的安裝時間。整個工廠控制系統柜內的電線電纜采用統一顏色標準，不同顏色代表不同的電壓等級，起到安全警示的作用，同時方便現場維護、維修（見圖6）。

圖6  控制柜內電線電纜的顏色標準

4. 系統的其他新穎設計

在系統網絡和電源架構采用創新性設計的同時，許多其他設計也是別出心裁：

（1） 硬件設計首次采用Eplan P8繪圖軟件制圖，該軟件采用數據庫結構和面向對象數據模型OODM設計，可提供許多自動化功能，省掉了