无线通信技术在汽车制造业的应用

路 垚，韩兆进，刘润东，左 柯

（一汽解放青岛汽车有限公司，山东青岛 266200）

0 引言

一汽解放青岛汽车有限公司（以下简称“青汽厂”）是解放商用车重要的生产基地，设计产能10 万辆，承载了解放轻、中、重型全系列产品的制造任务。青汽厂产品种类多，生产线采用高柔性设计方案。

目前无线通信技术日趋成熟，不断应用到汽车制造领域，利用无线通信传输信号与工业自动化控制系统深度结合的方式，能够实现生产现场的简洁化，并且能提高工厂的柔性化水平。

1 转挂系统介绍

自2018 年以来，商用车市场持续火爆，青汽厂产能不断提升、产品不断更新，对装备提出高可靠性、高自动化、高柔性、高智能性的要求。涂装车间现有空中输送系统3 套，移行输送系统38 套，为车间内往复运动机械化输送类装备。上述装备原有动力与信号传输方式已无法满足实际需求，急需进行升级改造。

3 套转挂系统分为PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）转挂系统、焊涂转挂系统、涂总转挂系统（表1）。其中，PVC 转挂系统用于车底涂料喷涂工序的输送及驾驶室从底漆滑橇到面漆滑橇的转换，焊涂转挂系统用于驾驶室从焊装滑橇到涂装底漆滑橇的转换；涂总转挂系统用于驾驶室从面漆滑橇到总装内饰滑橇的转换。

表1 3 套转挂系统的主要参数及说明

2 转挂系统现存问题

（1）转挂系统采用九段式滑触线进行动力电供应和信号传输，仅在上件和下件工位可以完成抱臂合拢、打开操作。通过滑触线间隔区间段，可以实现抱臂6 点数开和定位，其中包含打开到位和合拢极限，即仅可自动完成4 种车型的转挂工作。无法满足多品种驾驶室自动转挂的需求，需人工干预操作，极大地影响了生产效率和产品质量。

（2）转挂系统无精确停止定位装置，仅在工艺工位，依靠空中接近开关实现停止定位。且无法查看到转挂小车的实时位置和携带驾驶室的车型信息。

（3）九段式滑触线与集电器长期保持滑动摩擦，集电器碳刷磨损严重，滑触线表面存在大量碳粉，频繁出现信号误触发情况。

3 转挂系统解决方案

应用无线以太网漏波电缆无线通信技术，实现信号的无线传输

3.1 方案介绍

采用无线以太网控制方式，系统框架图如图1 所示。

图1 系统框架

（1）主控柜采用西门子319PLC 控制，通过以太网口与菲尼克斯PROFINET 交换机相连，与无线发射模块直接通信。主要处理主站与小车从站、工艺工位数据交换和生产线上其他数据采集与监控。触摸屏可以实时显示小车的工艺状态、位置等信息，并在故障时操作相应的小车，保证系统稳定运行。

（2）小车从站选用智能型PLC，通过接入PROFINET 网络，作为主控柜PLC 的智能从站，实现主—从通信。小车上PLC 主要控制小车的行走、吊具的开合等。车载PLC 直接与随车的无线接收模块通信，无线接收模块与无线发射模块通过5G 的漏波电缆通信，从而实现车载PLC 和主控PLC 的通信（图2）。

图2 主控系统网络硬件

（3）考虑到目前2.4G的普遍性，为了防止信号干扰，此次改造中的无线发射和接收模块都采用菲尼克斯的5G 通信模块WL5100。发射端的5G 通信模块直接连接到漏波电缆上，接收端的5G 通信模块天线直接跟随小车行走在漏波电缆附近，确保无线信号的强度。

3.2 条形码定位应用情况

（1）小车行走通过劳易测BPS 348i SM 100 条码定位系统进行控制，读码器为PROFINET 接口，定位精度达到±0.15 mm。

（2）采用条形码方式定位后，小车可以实时的判断自己的位置及其他小车的位置，能够更加精确的控制行走及定位。

（3）在读写区域内有一个条形码被读到就可以确定小车的位置信息，大大增加了定位的稳定性与准确性（图3）。

图3 条形码结构

3.3 漏波电缆技术介绍

（1）漏波电缆从外观上面来看是一种电缆，它可以将无线信号延伸到所铺设的位置，应用时将漏波电缆沿无线设备运动的轨迹铺设，如沿小车行进的轨道铺设，同时将漏波电缆通过馈线与无线模块相连，这样无线模块就通过漏波电缆将无线信号传送到小车行进的轨道周围。行进的小车上面安装信号接收端，信号接收端和信号发射端的漏波电缆之间是没有障碍物的存在的（图4）。

图4 漏波电缆与接收器

（2）由于距离非常近，空中衰减很小，接收的信号强度就会很好，无线的传输也就非常稳定，在规定的9～13 cm 接收足够强的无线信号，同时不会干扰和被干扰。

（3）在空中自行小车线的应用上，多种钢结构阻挡的车间等需要进行无线通信的场合，采用漏波电缆会比采用普通天线有更稳定的无线传输，同时由于无线传输稳定了，数据包的不良率会降低，减少了不必要的数据重传，无线也就会有更加快速的响应速度（图5）。

图5 读码器、条形码和接收器

（4）抱臂打开、合拢定位方式。目前车间抱臂打开、合拢依靠行程开关控制，当车型增加时已没有位置安装相应的开关。考虑到此情况，此次改造采用激光测距仪来控制小车抱臂的开合位置，可以打破多种车型宽度数量限制，定位精度在±2 mm内。抱臂打开与合拢极限超程位选用行程开关限制。

4 滑触线分段控制和无线以太网控制的比较

原有转挂小车均采用滑触线来实现数据信息交换和动力供电，本次改造为了克服传统滑线数据信息交互量受限、系统可靠性低及电气安装复杂等缺点，采用当前主流的无线以太网通信技术。

4.1 信息交互无限量

通过无线以太网通信模块的发射/接收数据包进行信息交互，系统可以任意地增加所需要的控制信号，信息交互量不在受到限制。主控PLC 可以将任意多的车型传递给空中自行小车、主控PLC 可以给空中自行小车多种速度，使小车行走起来更平稳，增加小车的使用寿命。空中自行小车可以将自身更多的故障传递给主控PLC，从而便于更精确的查找问题。主控PLC 和空中小车构成了一个闭环系统，可以实现比传统滑触线控制更多的功能。图6 为主控系统触摸屏，可实现小车位置实时监控、小车参数即时设置。

图6 主控系统触摸屏

4.2 系统可靠性高

无线以太网控制方式取消了用于信号控制的滑触线，仅留4 极为空中小车提供电源。滑线和碳刷的减少，避免了小车由于抓取工件上下抖动和碳刷接触不良造成的信号丢失，以及碳刷长期与滑触线摩擦，碳粉滞留在滑线分段处或者滑线上造成信号误传输。采用无线以太网控制方式信息交互通过无线以太网模块进行交互，无需通过滑触线和继电器经由电缆和主控PLC 信息交互，大大减少系统的故障点，从而提高系统的可靠性。

4.3 电气安装简单

取消了用于信号交互的滑线，减少了大量的控制电缆安装，以及滑线的分段处理。无线通信方式只需要沿轨道布置一根漏波电缆即可，数据信息通过安装在自行小车上的无线以太网接收模块和通过漏波电缆连接的无线以太网发射模块进行交互。无线以太网控制方式减少了自行小车随车电控柜和主控柜大量的中间继电器和IO（Input/Output，输入/输出）模块的使用，使安装、接线和维护简单化。

4.4 维护方便

采用无线以太网通信技术作为信息交互方式的控制系统，控制信号的电缆比传统滑线信息交互方式减少了约90%，故障点大大减少，使系统的硬件连接更加简单。小车故障可以实时反馈给主控PLC，便于快速的处理和解决。小车的动作由自己独立控制，可以在主控柜触摸屏上设置相应小车的控制按钮，当小车出现故障时可以方便地将故障小车放置到维修段。

4.5 经济效益

对于由控制系统构成的生产线而言，系统稳定性越高生产线的停线率越低，经济效益越高。采用滑线控制的方式，故障主要集中在碳刷、滑线和继电器等方面，通过无线以太网控制方式后，这方面的故障率大大降低，继电器故障为零。

5 移行输送系统现存问题

涂装车间共有38 台移行机，移行机的电源线和信号线全部布置在电缆拖链中，每个移行机有4 根电源线，11 根信号线，移行机形成平均长度15 m。拖链中的电缆在连续使用4年后，经统计有18 台移行机电缆磨损严重，开始频繁出现因电缆线皮磨破导致移行机故障，拖链内的线缆大部分已经到使用寿命。

6 移行输送系统解决方案

（1）采用菲尼克斯电气的整体无线蓝牙通信模块CBL-ATK-JFWXCN01（1089615）作为信号无线传输装置。原移行机上接近开关信号线通过防护箱内接线端子连接到无线I/O 模块的数字量输入端，该信号可通过无线传输到地面防护箱的无线I/O 模块。

（2）配置两个IP65 防护等级的箱体，其中一个防护箱安装在移行机移动设备上，另外一个防护箱安装在地面原有IP67 IO 模块旁并以数字量输出的方式输出（图7）。

图7 设备连接示意

7 移行输送系统信号有线与无线传输比较

（1）无线通信可靠稳定传输I/O 信号，解决了因电缆磨损导致的信号丢失问题，并且还具有安装维护简单方便的特性，便于后期维护。

（2）每个模块上均有LED（Light Emitting Diode，发光二极管）指示灯诊断无线连接质量和状态。

（3）每个模块具有16 路开关量输入输出以及2 通道模拟量输入输出0～10 V 或4～20 mA，可与移行机上的传感器和地面原有的IO 模块直接连接，无需编程。

（4）数据的双向传送扫描周期小于10 ms，满足高频率应用场合。

（5）无线模块具备强防干扰能力，相互之间不会干扰，能够在车间现场稳定运行，不受环境干扰，保证数据传输稳定。

（6）所有IO 信号及电源线通过防护箱外部的快速接口进行连接，接口形式为M12 A CODE 接头，方便后期信号的增减。

（7）无需任何软件组态，通电即可完成通信配对，其运行时也不需任何许可证。

8 结束语

无线以太网漏波电缆通信与蓝牙通信在转挂系统与移行输送系统的应用，为其他运动型装备的信号传输提供了可借鉴的无线化解决方案。通过在涂装车间应用无线通信技术，减少了信号传输介质的使用，为打造绿色、环保、节约型车间提供了装备基础。信号的稳定传输，既提高了车间的设备可动率，为车间高质量按时完成生产任务提供了保障，又可打破传输信号数量的限制，提高车间装备的自动化水平与混线生产能力。

通过应用无线通信技术，为打造敏捷型、高柔型和智能型工厂奠定了装备基础；通过采用高自动化、高信息化的先进措施，打造超级工厂、智能工厂，为推进“中国制造2025”做出行业典范。