动力总成制造的控制系统

作者：罗克韦尔自动化公司汽车行业卓越中心 叶俊

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 在汽车动力系统的生产制造方面，罗克韦尔自动化为通用、福特、德尔福等汽车制造商和配套商提供了成熟的控制系统解决方案。本文旨在与读者分享罗克韦尔自动化在该领域所取得的成果，并期待为中国的动力制造业提供借鉴。 动力总成制造控制系统解决方案 罗克韦尔自动化与Bosch Rexroth共同推出的动力总成安装和测试系统由典型的罗克韦尔自动化集成架构系统构建，标准工业以太网EtherNet/IP作为底层数据与上位机和上层系统的传输介质。现场总线采用罗克韦尔自动化开发的开放式现场总线 DeviceNet。PLC采用罗克韦尔自动化最新的ControlLogix平台的处理器，人机界面使用支持Ethernet/IP的PanelView Plus，现场I/O根据防护等级分别可以选用1791 Compact Block、Flex I/O（IP20）或者ArmorPoint、ArmorBlock（IP67）等。运动控制采用罗克韦尔自动化ControlLogix Sercos模块和Kinetix 6000伺服驱动1326-AB伺服马达、传动系统为罗克韦尔自动化PowerFlex变频器。 动力总成安装和测试系统 在内嵌了运动控制的ControlLogix5500处理器家族中，每个处理器可以定义的轴多达32个。由于在同一个机架内可以插入多个处理器，ControlLogix对多轴的控制变得尤其容易；Sercos模块和Kinetix伺服驱动之间采用光纤环网连接，提高了信号的传输速度，降低了采用传统伺服所造成的信号噪声，与传统伺服系统所采用的大量硬接线相比，光纤传输减少了接线，提高了由于接线错误所造成的潜在故障和维修时面对大量接线的困扰；PF变频器的在线更换功能（ADR）使得维护变得更加方便——只需要将新的变频器装入，Logix控制器即会自动识别并将配置信息下载至新的变频器中；对于上层信息传输，标准的CIP数据格式可以使数据不需任何编程即可直接被上位软件采用；人机界面的可移植性使HMI的画面可以轻易地被监控计算机和手持式MobileView采用，真正实现了ViewAnyWare所倡导的随时随地查看生产状况的目标；Andon系统使整个生产线对故障、质量、物料的呼叫与响应变得更加有序和高效；另外，在后台运行的软件Historian工作可以详尽地记录生产的每个细节，为质量追溯提供了详尽的报告。 由于采用了罗克韦尔产品线上最先进的成果，该系统所实现的集成化与易用性打破了以往系统的限制，真正实现了数据的无缝传输。这些软件、硬件和它们之间有机的组合构成了生产执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的功能实现。 打破了生产的瓶颈传动设备 克莱斯勒位于Kenosha的发动机工厂生产着2.5L和4.0L的用于切诺基、大切诺基、吉普牧马人和一些Dodge Dakotas的发动机。KEP的研磨线对铸造的凸轮轴、活塞、连接杆以及特定大小和形状的机轴进行加工。 当Kenosha发动机工厂的研磨线逐渐老化，生产线的宕机变得越来越频繁，生产的瓶颈开始在这条生产线上逐渐显现。如果KEP的生产线上的某个机器停机，或者仅仅是生产速度下降就会造成装配和零件生产链的中断。这便造成了生产中的瓶颈。 由于采用非延续性的零件，使得对这些设备的维修、故障排查和维护也变得困难。KEP的电子电气工程师认为，当四条生产线中加工机轴生产线的驱动发生故障，将导致其他三条生产线变成瓶颈，降低生产水平。 而让这条过程改道，不停止其他生产是一个挑战。 现在，艾伦——布拉德利的1336PLUS驱动系统正控制着零件的研磨，改善着系统的稳定性和产品质量。 1336PLUS控制和监控着马达电流，这提供一个更真实的电流输出值，同时更真实地反映了电机扭距的信号。电机扭距加速度越大，对零件的工作就越容易控制，使得质量标准更高。 在该工厂的50马力（1马力＝735.5Ｗ）艾伦-布拉德利1336Plus驱动现在控制着磨砂轮的速度，这是该过程中最严格的因素。该驱动器的无传感器矢量控制特征提供了更大的加速度以及对冲击负载响应的改善。 在研磨机上的老式交流驱动器是一个电流源变频器，它不能实现加速控制及对电机电流和电压的控制与监控。由于1336PLUS驱动可以控制电压、频率和扭距，KEP现在能监控各种参数，如扭距以及每个零件研磨掉了多少，帮助KEP更好地控制砂轮进给到零件的速度，使得表面更加好。另外，在1336PLUS驱动器上的人机接口模块也使得简单的编程和柔性的操作变得更加容易。 “定速＝更好的质量”——保持机轴加工的平整光滑，其关键就是要保持一个定常的表面速度，这由砂轮的直径决定。对于KEP这样使用磨砂轮的情况，其挑战在于由于磨砂轮的直径逐渐减低，必须随时改变转速。 每生产100～300个零件，磨砂轮就已被积累的碎片或是能使砂轮表面损坏的污染物刮去最顶上的砂层，同时也有可能使零件研磨不完全。当表面的材料被逐渐磨损，砂轮的直径便会缩减。来自研磨机的反馈传递器记录了直径的缩减量，并把这个数据通过一个编码器输出到可编程控制器。 控制器会计算出基于新的直径的砂轮转速，并输出一个模拟信号至驱动器以指示如何调整砂轮转速。 1336PLUS速度控制的能力可以在砂轮直径缩减时严格地增加磨砂轮的速度。特别值得一提的是，在整个周期的末端，当砂轮直径已经严重降低，1336PLUS驱动器允许电机速度渐进增加，甚至超过额定速度。在几次磨损后，就应当更换砂轮了。 集成到KEP工厂中的1336PLUS驱动改善了系统的稳定性，帮助KEP实现了它每天生产约775支主轴每周生产7天的目标。新的驱动也提供了改善的功能，符合对研磨速度的精确控制，确保了更高质量主轴的生产。 帮助富士重工排除人员伤害及其损失 当富士重工在20世纪90年代中期迈向国际化的道路中，他们发现需要花费大量的时间用于遵循国际标准化组织（ISO）和国际电工协会（IEC）列出的各种指导方针。 日本政府发布了自己的机器安全标准——日本工业标准（JIS），同时，富士重工业株式会社也在进行着自己的计划：在它位于大泉町的发动机工厂实施了一套全日本最全面的汽车制造安全方案。 大泉町工厂的设备在一开始设计时就考虑到了人员的安全，现有的安全设备都不是防止篡改的，操作人员能够通过为系统设旁路来保证生产线运行。当然，实际上这便造成了潜在的人员损伤和停线。另外，现有的安全系统不是为生产线停顿设计的。每次系统触发生产线的停止，某些生产中的材料便被损坏并不再可用。 正如许多制造生产线一样，大泉町发动机工厂的过程处理和运送系统是完全自动化的。因此，在正常生产时，工人一般是不允许进入非安全区域的。尽管如此，在例行检查中，操作人员也需要直接在具有潜在危险的设备上工作。此时，任何突然的、非预期的机器动作将会导致严重的人员伤害。客户需要一个在新的生产线上设置一个安全解决方案，以确保当人员进入任何防护区时对设备进行悬置，因而达到保护工人的目的。 罗克韦尔自动化提供了全方位的解决方案，其重要的特征就是一系列由Allen-Bradley Guardmaster安全互锁开关实现的安全防护。与托盘交叉的地方有3个光幕，另外还有30个能源锁安全开关、30个限位开关、150个接触器开关和270个激励器也被安装在生产线的不同段。遵循ISO标准的安全指示的完全安全设备是系统的另一个特征，除非电源关断，否则开关将一直锁住护栏，并确保机器在防护栏开放的情况下始终保持在断电状态。完全的防篡改手段使得对Guardmaster的操作不能被人为地取消。 使用安全开关完美地实现了安全环境，该方案被认为是一个巨大的成功，并在大泉町被广泛推广。事实上，当安装了安全解决方案后，时间损失和人员伤害已经被事实消除了，这不仅节省了富士重工业潜在的用于人员补偿和生产损失的数百万美元，而且直接提升了员工对安全的士气和态度。 确保安全和维持生产，两个矛盾的因素，已经在事实上形成了同步。通过即将建立的ISO 12100，群马主工厂的上层管理人员已经考虑在位于矢岛的新车型的车身生产线上使用一个类似的安全解决方案。(end)

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