EMS载具系统硬件设计探究与故障分析

项学良，于韶东，解品星

（上汽通用东岳汽车有限公司，山东烟台，264006）

0 引言

现代制造业随着科技的不断进步，大型整车汽车厂的主装配线也朝着智能化，模块化，信息化方向发展。主装配线在生产过程中不仅要匹配不同的速度要求，差异的工位操作高度，还要根据作业环境和周围设备达成良好的兼容性。目前自动轨道输送系统（EMS）在国内外使用广泛，其良好的特点大大提高了现场效率，改善了人机工程，提升了岗位柔性，方便功能扩展。在大型的整车装配车间，EMS输送系统里包括上百台载具小车，每台小车都搭载着独立的控制器、感应器和驱动器。在载具上集成了移动控制硬件，包括供电、配电、感应器、I/O通道、电机、驱动以及逻辑控制器。但目前多数的解决方案仍被国外厂商所主导。

1 硬件设计主框架

所研究的EMS载具小车系统，其硬件由16位单片机ST10F269Z2为主MCU,连接多个智能硬件模块，及外围电路构成。总体硬件框架如图1所示。

图1 EMS系统硬件框架

整个系统包括安全PLC BBH,主CPU控制板，升降功能板，驱动功能板，4块I/O信号处理板（其中1块是SSI编码器板），电机抱闸检测板，红外线通讯板等板卡组成。

2 主要功能模块

■2.1 安全模块BBH

安全模块是由紧凑型的内嵌的SafePLC SMX12-2及组件SMX 31R组成。首要任务是对载具安全性相关功能的检测，其中编码器接口采集驱动电机轨道读码器、电机增量编码器、升降电机绝对值编码器和增量编码器信息；数字I/O接口采集载具的四路过载及断带信号。安全PLC编程处理后，输出系统停止，过载，断带保护，驱动过速，升降过速，高度检测信号给I/O信号处理板，同时给驱动和升降板提供安全使能信号。安全模块双通道控制升降和驱动主接触器，在系统发生故障时切断安全电路，禁用所有运动，变频器停止运行并启动制动器。

■2.2 升降和驱动功能板

升降板核心是控制IPM中产生IGBT的激活电压，它是由BBH产生的24V使能电压经LM2675开关电源稳压后产生驱动电压VCC1,经开关调节器芯片CD4047和CD4050通过开关变压器处理得到IPM上下桥工作电压。如图2所示。

图2 IPM模块IGBT的激活电压

驱动板为整个系统提供24V电源和I/O工作电源，核心控制是逆变器智能模块PM75RL1A120中产生IGBT的激活电压。开关电源提供24V电源，通过板上两个串联的安全继电器K1和K2的两个常开点连接，安全继电器通过小车控制器中的安全模块激活（BBH安全模块送出的驱动使能信号）。如果出现故障，安全模块将切断两个安全继电器的24V，导致后面的开关调节器无任何电源，驱动电机停止工作。板上安全继电器动作如图3所示。

图3 安全继电器K1/K2控制示意图

板上还集成了其它系列功能，包括相位故障检查功能，电机温度监测功能，电机电流测量功能，母线电路电压监测功能等。同时还有独立供电功能，给提升电机提供180VDC的制动电压。

■2.3 SSI通讯板

SSI协议是绝对位置传感器和控制器串行接口协议，载具的读码器信号和升降绝对值编码器通过SSI协议和板上8位单片机AT89S8253进行通讯。通讯电源由DC/DC转换供给，目的是提升通讯的稳定性和抗干扰能力。SSI通讯电路图如图4所示。

图4 SSI通讯原理图

■2.4 I/O信号板

BBH安全模块输出点给I/O信号板，通过P124光电耦合隔离后，由带施密特触发器的反相缓冲器74HC14D信号放大后给单片机接口。板上单片机经过编程后输出低电平，驱动输出端的PNP三极管导通，经过P124光电耦合隔离信号后，VN340SP固态继电器输出。升降请求1、升降请求2、BBH复位输出信号，由BBH诊断编程。另外一路输出信号控制棘轮电磁阀。如图5所示。

图5 I/O信号板输入输出信号示意图

3 典型故障分析

■3.1 变频器缺相

系统缺相检测电路触发时会产生报警，内部会自复位一次，避免因为供电的瞬间波动，如果仍然缺相，则会报故障代码-22。产生原因：单片机引脚104电平触发，系统就会报警变频器缺相。工作原理：三相电压正常时，经光电耦合TLP124隔离导通后产生低电平，经74HCT04反相缓冲后，输出高电平，则系统检测正常。当某一相检测通道出现问题，例如10k电阻虚焊或者光耦损坏，光耦无法导通出现高电平，经过反相器后就会低电平报警（见图6）。

图6 缺相检测电路

■3.2 棘轮打开检测故障

吊具下降时，电磁阀要打开棘轮锁定保护，为了防止棘轮锁定被卡住，吊具要上升（约为3mm），然后再下降，如果吊具上升该段距离结束，电磁阀打开检测开关未被检测，则报警产生故障代码-63。产生原因：检测开关损坏或位置没调好；上升监控距离设置太小；电磁阀控制故障。工作原理：当系统逻辑控制允许电磁阀得电时，单片机P2.5端口输出低电平，PNP三极管导通，光电耦合后得到固态继电器VN340SP的I/O输入端信号，触发输出24V电压给电磁阀线圈（见图7）。其中元器件质量下降或固态继电器电源出现问题都将会导致输出不正常。

图7 电磁阀控制线路

■3.3 通讯故障 XXX offline(掉线)

出现XXX offline(掉线)故障时，表示对应的通讯出现中断。故障代码-91到-98分别代表驱动变频器掉线/升降变频器掉线/板1（6030）掉线/板2（6012）掉线/板3（6012）掉线/读头掉线/升降编码器掉线/地址盒FAB掉线。主CPU板作为主站，每块功能板作为从站，其中编码器板通过SSI协议和板上单片机进行数据通讯，其它板通过RS485协议和单片机进行数据通讯。如出现故障代码-93，板（6030）掉线，首先检查板6030的通讯接头是否松动脱落，再检查通讯芯片75LBC176的工作5V是否正常。接下来检查RS485 A/B差分通道是否断开，单片机给通讯芯片的使能DE/RE信号是否正常，74HC14缓冲反相器是否正常，R/D接收发送通道是否断开（见图8）。

图8 6030板单片机和通讯芯片电路图

4 总结

通过对此型号EMS载具系统硬件设计的分析研究，对系统典型故障的深入剖析，为国内汽车厂类似的EMS系统提供了很好的经验借鉴，对现场维修保养改进等项目提供技术支持。可靠的安全控制回路，多层的信号互锁，不同电源等级的分层控制，互不干扰的通信设计，也为工业电路板的维修设计提供了学习方案。