關于汽車廠焊接生產線電力過負荷解決方案的需求與探討

馮崢，艾長盛

（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 404100；2.沈陽中科機械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

?

關于汽車廠焊接生產線電力過負荷解決方案的需求與探討

馮崢1，艾長盛2

（1.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 404100；2.沈陽中科機械電子工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

對汽車廠焊接生產線電力過負荷的問題進行分析與探討，綜合了時間、成本、生產進度等多方面因素，介紹了一個有效解決汽車廠焊接生產線電力過負荷問題的方案。采集焊機數據進行統計分析，一旦同時焊接的焊機超出生產線的電力容量，就采用限容的方法使多臺焊機的焊接時間錯開，避免對生產線電力系統的沖擊。綜合考慮各個因素，該方案會較好的解決電力過負荷問題。

限容；電力過負荷；焊接

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.051

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)06-147-04

引言

焊接生產線的動力能源系統在設計和改造過程中經常會遇到各種意想不到的技術難題，在現今汽車企業競爭日益加劇的時代，如何采用最有效、最經濟的辦法解決所遇到的難題是我們經常探究的領域課題。以下就介紹此領域所遇到的一項實際技術難題并針對此技術難題而提出了全套解決方案，供同業人員共享。

重慶長安鈴木汽車有限公司近期因生產線車型換代需要，在原有生產線場地引進了一套全新生產線。按年產5萬臺的設計生產綱領，原場地車型生產線需求電量為2000KVA左右，但新生產線引進后，新生產線工藝設備發生了變化，新生產線需求電量增長為 3446KVA，電力缺口達到1446KVA，從而使新生產線的生產能力無法達到年度生產 5萬臺設計綱領的要求，新生產線在投產一年當中多次因過負荷而造成焊接配電站跳閘，引起長時間停線，嚴重影響了企業的正常生產次序，急需進行有效而經濟的解決方案并付諸實施。

經細致周全的調研，我們考慮了以下幾種可行性方案如下表所示：

表 1

從上表的實際調研情況可以看出，方案三焊接新生產線采用群控限容裝置的改造解決生產線電力過負荷問題是一項較實用的解決方案，此方案有以下方面的優點：從經濟的角度看設備投資是最少的；從生產性的角度看因為是采用非生產時間段進行設備改造，因此對現場正常生產不會造成工期性停產；從供電安全管理角度看，此方案不存在交叉供電的狀態，可確保供電安全管理。因此，我們經多方論證最終采用了在新生產線上追加焊接設備的群控限容裝置做為解決新生產線電力過負荷問題的首選解決方案并付諸實施。

1、限容基本原理

限容系統需要一臺主機，用來采集總線上每臺焊機的規范序列參數，并將這些參數進行存儲，為計算限容延時做準備。

主機對每臺處于啟動狀態的焊機都調用它的規范序列參數，并形成一個實時列表（Real time table），這個列表類似一個實時動態模板，利用時間坐標，監視主焊接時間在坐標中的位置，并實時利用限容模板對照并控制允許的容量（臺數、功耗或百分數），一旦發現超限，或者可能超限，即自動在預壓時間后，壓緊時間前加入一至數個周波，以錯過主焊接的疊加超限時間。

主焊接時間疊加的超限是一個隨機概率事件，根據用戶的供電系統的配平設計，焊機的規范統計分析，工作現場的啟動頻度等多因素考慮，在瞬間主焊接時間疊加的概率不會很高，但是由于手動操作的不規律，供電網的限制，焊機數量多等因素，負載的瞬間疊加也是可能發生的，基于此，對限容系統的實時性要求是很高的，疊加負載的瞬間捕捉和預判是較難的，系統對焊機規范的數據庫調用，實時預判和實時統計，焊機控制箱總線系統的通訊可靠性都提出嚴格的要求，系統硬件的可靠性、實時性、程序的執行時間、實用性、技巧都很重要。

每一臺接入總線的焊機在啟動焊接的壓緊時間開始時，都要向總線主機發送焊接請求，總線主機需要計算出以下內容：

(1)計算出哪些焊機的焊接時間會疊加在一起；

(2)計算出疊加后的焊接功率是否超出該生產線焊機總電源的限制容量；

（3）計算出焊接時間疊加在一起有多長時間；

（4）計算出哪幾臺焊機需要延遲焊接、延遲幾個周波。

以10臺焊機在一個總線上為例（這10臺焊機都接入電源的AB相），如果AB相的容量經過計算只能容納其中3臺焊機同時焊接，即這3臺焊機的焊接時間可以疊加在一起。

經過總線主機的監控，發現接下來的焊接會有4臺焊機同時焊接，如下圖所示：

圖 1 主焊接時間疊加示例

如圖1所示，A、B、C、D這四臺焊機的焊接時間在兩虛線之內的部分將在同一時間段進行，假定兩虛線間的時間為2個周波。這樣就超出了電源的容量，那么將C焊機的焊接時間延遲2個周波，這樣就避免了焊接功率超出電源容量而造成總電源空開跳閘，從而保護了生產線的電源。

另外需要說明的是，每臺焊機焊接電流的大小是不一樣的，也就是說功率是不一樣的，嚴格來說，限容是根據焊接功率來計算的，而根據焊接的臺數進行計算是一個估計的算法。根據臺數來進行計算的好處是計算過程相對于按實際功率計算簡單了一些，響應速度快了一些。以上只是舉一個簡單通俗的例子對限容的方法進行一個簡單的闡述。

2、CAN總線

每臺焊機的規范序列參數，需要被采集到一臺主機上，并進行存儲和計算。而采用一對一的通信方式將使物理連接過于繁雜，通信線纜過多，給施工帶來麻煩，同時成本也較高且不方便維護。這種情況采用現場總線的方式傳輸數據則更加合適。

目前使用較多的現場總線系統有很多，例如工業以太網（Industrial Ethernet）、ModBus、ProfiBus、DeviceNet、CAN總線、RS485、RS422等，工業以太網固然性能優越，但是組網部件較多，其組網成本也較高。根據具體需要，CAN總線組網方便成本較低，通信速率完全滿足要求，而CAN總線通信特點也適合限容控制。

CAN（Controller Area Network）總線即控制器局域網絡。由于其高性能、高可靠性、以及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。國外已有許多大公司的產品采用了這一技術。CAN總線最初是由德國的BOSCH公司為汽車監測、控制系統而設計的，而現在已經發展為一種現場總線技術，廣泛應用在工業局域網等場合。1993年CAN成為國際標準ISO11898（高速應用）和ISO11519（低速應用）。CAN的規范從CAN1.2規范（標準格式）發展為兼容CAN1.2規范的CAN2.0規范，目前應用的CAN器件大多符合CAN2.0規范。

CAN總線是一種串行數據通信協議，其通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。CAN總線有如下特點：

（1）可以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動的向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活。

（2）網絡上的節點（信息）可分成不同的優先級，可以滿足不同的實時要求。

（3）采用非破壞性位仲裁總線結構機制，當兩個節點同時向網絡上傳送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響的繼續傳輸數據。

（4）可以點對點、一點對多點以及全局廣播幾種傳送方式接收數據。

（5）直接通信距離最遠可達10km（速率5Kbps以下）。

（6）通信速率最高可達1mb/s（此時距離最長40m）。

（7）同一總線上，節點數實際可達110個。

（8）采用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個。

（9）每幀信息都有CRC校驗以及其他檢錯措施，數據出錯率極低。

（10）通信介質可采用雙絞線，同軸電纜和光纖，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。

（11）節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。

3、CAN總線系統結構

重慶長安鈴木汽車301焊接生產線共182臺焊機需要實施限容，采用一臺總線主機即可?？偩€主機可采用一體式工控機，如果需要放置在車間某個位置而不是辦公室里面，則可以訂做一個小型的機柜，將總線主機安裝在機柜里，方便監控，對總線主機進行安裝和保護，防塵防水。

通訊線采用線徑1.0以上的優質屏蔽雙絞線，根據現場情況實施布線，如果通訊線需要布設在經常有人踩踏的位置，則需要穿鐵管對雙絞線進行保護，如果布設的位置相對隱蔽，少有人踩踏和接觸則可以穿蛇皮管或者不穿管，屏蔽雙絞線的屏蔽層必須單點接地，以釋放外界對通信線路的電磁干擾。使通信出錯率降低。

當控制箱需要進行維修而搬離原位時，通訊線可以進行對接，以避免總線后端的控制箱掉網。

在通訊線過長或者現場電磁環境惡劣信號傳輸時干擾特別強烈的情況下，則需要加中繼器，有條件的話，最好選用有源中繼器，因為有源中繼器不僅能夠對原信號進行放大處理，而且不會影響信號傳輸的速度，而無源的中繼器會對傳輸速度有一定的影響。需要根據具體情況安裝中繼器。CAN總線限容系統圖如圖2：

圖2　CAN總線限容系統結構

一條CAN總線節點數實際最多可達110個，由于節點數過多會影響數據的傳輸速度，導致總線的響應速度降低，而限容控制對響應速度要求較高，所以我們設計為每一個CAN總線最多可掛載100個CAN總線節點，使系統響應速度在3ms以內，每個焊機控制箱為一個節點。更具生產線的布局特點，應該使每一條總線上的節點數量盡量相差不多，以發揮總線的最大能力。

CAN總線的節點應以手拉手的連接方式布線，實驗證明“星形連接”、“樹形連接”、“菊花鏈式連接”在節點數很少時可以使用，當節點數較多時，總線數據傳輸速度會大大降低，出錯率升高。

生產線布局平面圖如圖3所示：

圖3　焊接車間301線焊機群控平面布局圖

由平面布局圖可看出，301線共182臺焊機需要實施限容，采用一臺總線主機即可，可以做兩條或者三條CAN總線，根據圖2可看出以后如果需要新增焊機，也可以接入系統，容量綽綽有余。

4、系統實現

總線主機上需要運行一個組態軟件，用來監控和處理限容相關事務，當某臺焊機的規范序列參數被改動后，該焊機控制箱要主動上傳改動后的數據，總線主機接收并存儲，以為計算限容方案做準備，組態軟件界面如圖4所示，每臺焊機都有對應的編號，用不同的顏色表示出焊機的各種狀態：在線、離線、焊接、空閑、限容、相序、報警等。還可以通過總線主機上傳和下傳焊機的規范序列參數，在這里不做詳述。

每一臺在線的焊機都間隔一段時間向主機發送“聯網心跳”，主機以此監控焊機的狀態，當焊機需要進行焊接時，必須向總線主機發出焊接請求，總線主機根據當前總線上焊機的工作狀況向焊機發出是否需要延時和延時時間長短的信息，焊機根據此信息來做出下一步動作。

圖4　CAN總線組態界面

5、結論

CAN總線類似的產品我們已經使用過，在這里主要目的是實現限容控制，對供電系統進行保護，有了之前CAN總線的經驗，這次的限容系統必將實現限容的要求。根據目前的模擬實驗來看，效果良好，運行穩定。

[1] 趙鳳斌等. 電阻焊 CAN總線控制系統 2000 沈陽新松機器人公司.

[2] 胡德安,張偉,陳益平.基于 CAN總線的車身點焊監控系統設計【TP】.南昌航空大學：航空制造工程學院,南昌330063.

Requirements and discussion of power over load solution for welding production line of automobile factory

Feng Zheng1, Ai Changsheng2
( 1.Chongqing changan suzuki automobile Co. Ltd, Chongqing 404100; 2.Shenyang CS Mechatronics engineering Co. Ltd, LiaoNing ShengYang 110000 )

This paper analyzes and discusses the problem of electric power over load in the welding production line of automobile factory, and introduces the time, cost, production schedule and other factors, and introduces an effective method to solve the problem of electric power over load. The welder collected data for statistical analysis, at the same time, once the welding welder beyond the power capacity of the production line, using the method of capacity make a plurality of the welding time staggered to avoid the impact of power system production line. Comprehensive consideration of various factors, The scheme can solve the problem of power over load.

Limit capacity; Power over load; Welding

馮崢，就職于重慶長安鈴木汽車有限公司。

U466

A

1671-7988（2016）06-147-04