本項目建立于“工業(yè) 4.0”概念的國際大流行的背景下，同時也是處于國家“十三五”規(guī)劃期間，實施制造強國戰(zhàn)略，推進健康中國的建設(shè)環(huán)境。本文結(jié)合項目實際應(yīng)用，針對 HEMS 在汽車自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用進行詳細的介紹，闡明重載電動單軌輸送系統(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)計方案和具體功能。重載電動單軌系統(tǒng)，電動輸送機在單軌系統(tǒng)上行駛，同時帶載能力達到或超過 10000kg。單獨的驅(qū)動器，可在軌道系統(tǒng)內(nèi)跨道岔和轉(zhuǎn)換站行駛。電能和信號通過滑觸線或無線傳輸。根據(jù)具體的任務(wù)，同時可以實現(xiàn)如拾取、提升或降下重物等功能。期間，整個設(shè)備內(nèi)的單軌輸送機必須自動完成其工作。在系統(tǒng)設(shè)計之初，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)備運行的安全性。

1? 電動單軌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動單軌系統(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)，簡單說明其主要功能就是負責提供生產(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)的運行狀態(tài)，實時反饋生產(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，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 進行控制；國內(nèi)普遍流行的 PLC 品牌如西門子、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)是每臺設(shè)備的核心。吊具控制系統(tǒng)主要由吊具上的移動控制單元 - 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 3 相 5 線制動力電纜連接到調(diào)度系統(tǒng)電源柜。

（2）能源的分配。由于生產(chǎn)線長度較長，一般會達到 600m 左右，同時對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，所以對滑觸線進行分割成若干小段，分別供電，這樣檢修方便，同時也不用擔心某處故障引起整個滑觸線損壞。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，同時需要向下增加一層接觸器用來單獨控制，前后不同供電區(qū)、急停區(qū)任意區(qū)域觸發(fā)安全；均需斷開隔離段供電。

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

（4）供電回路設(shè)計。首先，需要獲取吊具能源消耗信息：上電電流、啟動電流、額定電流、爬坡電流等。滿足單個供電段停滿吊具時的用電需求，根據(jù)工位長度、吊具尺寸及吊具間距計算單個回路（一般國內(nèi)*大電流為 40A）軌道的長度，進而計算滑觸線供電回路數(shù)量，從而對滑觸線按計算好的長度進行分段切割，分別供電。根據(jù)轉(zhuǎn)接站驅(qū)動設(shè)備及空調(diào)插座照明等用電設(shè)備功率計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能源的安全管控，達到在需要緊急停車時能夠快速切斷動力電源，從而使設(shè)備能夠當斷則斷，緊急停止，達到保護人員安全的目的。根據(jù)供電回路設(shè)計方案以及系統(tǒng)平臺制定對應(yīng)安全策略。重點安全區(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)，匯總計算管理，下發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，例如，當輪胎擰緊工位，設(shè)置輪胎安裝、螺絲擰緊、機械手歸位等工作任務(wù)，當?shù)蹙叩轿粫r，系統(tǒng)會反饋目前工件信息，生產(chǎn)控制系統(tǒng)對任務(wù)狀態(tài)進行監(jiān)控，當任務(wù)完成時，對系統(tǒng)發(fā)送放行命令，如任務(wù)超時，吊具停止的同時將工位未完成的任務(wù)狀態(tài)顯示到線邊的生產(chǎn)信息顯示大屏進行提示，基于此，信息進行計算工位工作任務(wù)完成情況及工作效率，對整個線體的監(jiān)控進行數(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，從而可以有針對性地調(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、風擋玻璃、車門等，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種進行信號交互。

2.4? 調(diào)度控制系統(tǒng)的傳輸控制

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

上線工位：采用升降機轉(zhuǎn)接站，同時配有讀寫站，用于對工件信息的讀取和傳輸。通過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，升降機通過橫移電機調(diào)整托臂寬度以適應(yīng)不同型號的工件，當?shù)蹙咛幱谵D(zhuǎn)接升降機后，伸出電機驅(qū)動托臂準備接收工件。當升降機接車一切準備就緒后會上升抬高車身，使車身脫離吊具，此時，會有 2 臺電機對吊具的吊臂打開裝置驅(qū)動，使在升降機下行過程中順暢無干涉；此時，需要相應(yīng)數(shù)量的吊臂打開和關(guān)閉到位檢查光電傳感器，對吊具位置進行檢查確認；車身在位光電傳感器對車身位置進行檢查確認；升降機下降到安全區(qū)域后，吊臂關(guān)閉，打開吊具夾緊結(jié)構(gòu)放行空吊具，進行下一個循環(huán)。

閉鎖站：通過電機驅(qū)動，撥動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、升降機構(gòu)或吊具升降運行、閉鎖機構(gòu)、伸縮機構(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構(gòu)，配有吊具定位、升降機構(gòu)。

驅(qū)動控制：行走、升降；通過發(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。

開鎖站：工件在下線之前需要將前鎖定的吊具支點解鎖，一配有吊具定位、升降機構(gòu)或吊具升降運行、開鎖機構(gòu)。

下線工位：同樣采用升降機轉(zhuǎn)接站。

道岔控制：道岔驅(qū)動控制方式一般可以采用接觸器、現(xiàn)場變頻器、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 檢測是采用分段 PE 滑觸線通過電流監(jiān)控繼電器對吊具上 PE 線路進行通斷檢測。

碳刷檢測：碳刷檢測一般采用壓力開關(guān)安裝到滑觸線維修區(qū)入口前，當碳刷磨損嚴重，吊具經(jīng)過時會反饋碳刷磨損故障信息。

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

吊具維修檢查站：主要對吊具定位裝置和車身定位銷的相對距離的調(diào)試，對吊具支點，結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性的檢測檢查和調(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。吊具控制器是每臺吊具的核心，段控制器和吊具控制器共同組成了電動單軌系統(tǒng)的靈魂，其在人力和機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

整個生產(chǎn)線被分成 3 個連續(xù)的控制區(qū)域，每個區(qū)域配備了一臺段控制器，生產(chǎn)過程中，吊具會駛?cè)牒婉偝隹刂贫?，當?shù)蹙哌M入當前段時，吊具會注冊吊具號到當前段控制器，此時，會接收當前段控制器的控制指令，當?shù)蹙唠x開本控制區(qū)域時，吊具會注銷吊具號，從而去往下一個段控制區(qū)域，此區(qū)域段控制器對其不再發(fā)送控制命令，其將會接收下一個段控制器的命令。

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安全以太網(wǎng)及波導(dǎo)進行通訊，發(fā)送安全控制指令來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，采用維修隔離開關(guān)控制單個吊具供電的通斷。

（2）吊具通訊。采用波導(dǎo)通訊，在波導(dǎo)曹背部安裝無線電波發(fā)射信號天線，將西門子基站發(fā)射出的無線電波發(fā)送至波導(dǎo)槽內(nèi)部，同時在波導(dǎo)槽兩端增加反射器用以減少電磁波損耗，達到增強信號的作用。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，保證始終能夠穩(wěn)定接收到無線控制電波。無接觸波導(dǎo)通訊示意圖如圖 2。

（3）吊具定位。吊具通過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。行走驅(qū)動采用 SEW 電機，角接形式，配備熱敏電阻，采用 4kw 現(xiàn)場變頻器，同樣為 SEW 品牌。

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

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

移動端的安全控制單元是每個吊具的控制**，也可以說是單個吊具的大腦，用來接收調(diào)度指令，收集行走位置信息，升降高度信息，通過控制升降和行走變頻器，控制升降和行走電機，完成調(diào)度的指令，是一個完全聽從上級指揮的前方獨立指揮部。

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，可見其安全性穩(wěn)定性的重要。道岔不到位時，控制器將禁止小車在道岔附近區(qū)域內(nèi)動作；小車在道岔時，道岔安全使能被安全 PLC 切斷，道岔禁止驅(qū)動。

4? 重載電動單軌的應(yīng)用場景及研究意義

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

本文通過對重載電動單軌控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，電動單軌吊具控制系統(tǒng)基于 PLC 作為調(diào)度控制系統(tǒng)是目前的主流，對每個吊具控制器進行調(diào)度控制。實現(xiàn)貨物快速、高效、柔性搬運。在我國工業(yè)生產(chǎn)各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，但同時大多數(shù)控制系統(tǒng)，無論是調(diào)度控制系統(tǒng)還是吊具控制系統(tǒng)、控制器以及驅(qū)動器、通訊設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備均需要采用進口品牌產(chǎn)品。雖然我國工業(yè)化已經(jīng)擴展到國內(nèi)范圍內(nèi)各行各業(yè)，也已經(jīng)進入工業(yè)化中后期，但單從工業(yè)控制技術(shù)產(chǎn)品這個方面，我國距離工業(yè)現(xiàn)代化的道路還很長，需要我們從應(yīng)用研究領(lǐng)域不斷擴展、深入、提升努力能夠達到自主開發(fā)生產(chǎn)的水平，從而真正步入各行各業(yè)，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化水平。