电气自动化在汽车焊装车间设备配电中的应用

荣艳超

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

0 引言

随着科学技术的不断进步，数字、互联成为推动现代社会发展的新动力，也推动制造业自动化生产水平不断提高。汽车产业作为制造业重要一员，生产的各个环节也更加自动化、智能化。汽车生产四大工艺中，焊装涉及设备工艺种类众多，机器人、冷连接、热连接、输送、工装等，不同类型设备用电需求不同，在自动化生产线，对供配电系统也提出更高的要求。以北京奔驰MFA 焊装车间工艺供配电系统为例，探讨电气自动化在保护、监测与控制方面的应用[1]。

1 焊装车间工艺配电简介

MFA 焊装车间电源由厂区电站经10 kV 电缆输送到车间内10 kV 开闭站，经变压器后到各低压配电室，根据不同线体用电需求，从低压配电室相应端口取电。根据戴姆勒标准，区域负载设计用电大于315 A，直接从配电室取电，负载设计用电小于315 A，集中从一条大容量工艺母排取电。一条工艺母排预留多个接口，通过插接箱内断路器连接到现场区域主电柜。

至此，工艺设备供电到达一个具体区域，通常，一个区域的配电结构由现场工艺设备类型决定，以一个类型全面的区域为例，从插接箱引出一组三相五线制电源线，将电输送到焊接柜H001，H001 柜内将电分为两路，一路用于分配三相380 V 焊接电，另一路将电源输送到电能分配柜H011，H011 柜作为配电主体，根据不同需求将电能分配给PLC 柜H101、24 V电柜H111、机器人、涂胶、螺柱焊、变频器等设备，焊装车间工艺设备供配电系统如图1 所示，其中，如果某个区域不涉及焊接用电，则母排直接给电能分配柜H011 供电。24 V 电柜H111 作为区域控制电分配柜，将输入的380 V 三相电转换为24 V 电，并为现场相应工艺设备提供24 V。整套供配电系统相关信号通过Profinet 网络在PLC 程序中进行监测与控制，在自动化生产条件下，实现供配电系统的电气自动化。

图1 焊装车间工艺设备供配电图

2 380 V 配电的保护、监测与控制

2.1 380 V 逐级保护

配电系统中的继电保护、熔断保护可快速切除故障线路，保证健全区域的供电[2]，在焊装车间配电系统中，每一级、每一路电源的输出，均配有相关断路器或熔断保险。

电源由低压配电室到达现场首先经过母排插接箱，内部断路器为施耐德NSX400H，脱扣器额定值为400 A，可实现三个级别保护：瞬时保护整定值Ii为4800 A；长延时电流整定值9 档可调，为0.9 到1 倍的额定值；短延时电流整定9 档可调，为1.5 到10 倍的长延时电流整定值。通过插接箱内断路器可分断从工艺母排取电的区域，确保健全区域供电。在H001 柜内，电源首先经过QB1 熔断保险，一路通过QA1 马达断路器，再经各分支保险给相应设备供焊接电，此路为PEC（Power Efficiency Control）后380 V，另一路经过QB2 保险后将电能输送到H011 柜。H011 柜进电首先经过手动开关QA1，可以人工上电断电，H011 柜作为配电主体，为其他用电设备配电，其中一路通过QA2 马达断路器，即PEC 后380 V，经各分支保险给螺柱焊、变频器等提供380 V动力电，另一路直接经各分支保险给PLC 柜H101、24 V 电柜H111、机器人等供电，380V 配电系统如图2 所示。

图2 380V 配电图

2.2 电能数据监控

在H001 柜进电口QB1 保险后，安装有一套电能数据监控装置，通过Profinet 网络将信息传递给PLC，并在Integra 界面进行显示，用于实时获取区域用电状态。

电能数据监控主体是西门子SENTRON PAC3200多功能测量仪，可进行精确电能计量，并可显示配电系统的多个测量变量，例如电压、电流、功率、有功功率、频率以及最大值、最小值和平均值。PAC3200 作为PLC 的一个站，通过Profinet 网络将采集的电流、电压反馈给PLC，通过戴姆勒标准FC4028 块，可整合到电能管理系统之中，对其进行持续监控，数据通过FC4028 的标准背景数据块进行收集和存储，当前电能参数实时显示，PAC3200 电能监如图3 所示。

图3 PAC3200 电能监控

2.3 380 V 配电控制

在MFA 焊装车间电能分配中，涉及一个电能效率控制概念，即PEC。如图1 所示，PEC 后380 V 供电指在马达断路器之后输出的380 V 电能，马达断路器指H001 柜内的QA1，H011柜内的QA2，该马达断路器除作为线路保护存在，将开闭状态信号反馈给PLC，另外，还可受PLC 控制实现接通、断开，以达到在非生产时间节约电能的目标，该马达断路器为EATON 断路器，由两部分组成；一是断路部分，主要实现保护功能；二是马达控制部分，实现PLC 远程控制通断。PLC 逻辑控制由戴姆勒标准块FC64、FC297、FC15 以及FC4027 实现，马达断路器控制如图4 所示。

图4 马达断路器控制

马达断路器通断控制信号来源有两种，程序由戴姆勒标准FC64 块及背景数据块DB 实现：一是当系统选择处于（Local）本地模式，可通过人工点击HMI 人机交互画面上电/断电按钮实现；二是当系统选择处于（Remote）远程模式，即上位机控制，可通过标准块FC64 的背景数据块DB 实现，一次性可存储8 组数据。

FC297 块用于实现PEC 通断功能的逻辑控制，该控制以线体处于停止且不在运行程序段为前提，即循环停止到达。当FC297 发出控制电压On/Off 信号后，FC15 接收并控制一个常闭辅助接触器以及上电/断电信号指示灯。结合辅助FC4027 块，实现马达断路器的通断控制，在没有生产的情况下，可远程控制起到保护和节能的功能。

3 24 V 控制电的保护、监测与控制

3.1 24 V 控制电的应用

正常条件下，车间内设备是在PLC 网络系统中实现控制与反馈的，即设备的通信不能断，除了380 V 用电外，会单独供给24 V 控制电，确保为实现节能断焊接电和动力驱动电时，设备维持基本运行且不会中断PLC 通信，如焊接柜，在马达断路器关断后，设备网络连接正常。除机器人、焊接系统、变频驱动系统等，现场有很多设备不需要380 V 焊接电以及动力驱动电，只提供24 V 电即可，如工装阀岛、安全门锁等。

24 V 电由区域电柜H111 分配，如图1 所示，24 V 电柜H111 电源来自H011 电柜主开关后380 V，经柜内变压器将380 V 转为24 V，为区域内设备提供所有24 V 电，柜内通过一组LOCC BOX 实现电源的分配、保护与监控，H111 柜内24V 及LOCC BOX 结构如图5 所示，一组LOCC BOX 包含LOCC BOX 节点保险和供电单元，Gateway 网关以及附属零件组成，一组最多可安装84 个LOCC BOX 节点保险，每一个节点保险提供一路独立24 V 电，供电单元为 LOCC BOX 节点保险提供电源，网关用于分配和传递数据，包含USB 接口和Profinet 接口。

图5 H111 柜内24V 及LOCC BOX 结构

出于安全考虑，对于一组24 V 用电，包含一路不受控24 V 电US1 和一路受控24 V电US2。不受控24 V 电直接由LOCC BOX 节点供给，不受逻辑控制；受控24 V 电受现场状态及安全条件等影响，经PLC 程序运算后，由ET200S 安全模块输出，ET200S 安全模块供电由LOCC BOX 节点提供。区分不受控24 V 和受控24 V 是为了确保安全，即PLC 安全逻辑条件不满足，则无安全24 V 电US2，在只有24 V电US1 时，用电设备通信正常，但负载不执行相应动作，保证现场工作人员安全。

3.2 过载短路保护

每个LOCC BOX 节点保险有一个LED 指示灯和一个手动开/关按钮，另外，LOCC BOX 节点保险有两个独立可调节旋钮，一个用于电流调节，电流值1～10 A可调，每次调整1 A，为该节点保险的设定额定电流；另一个用于反应特性调节，即对电流变化做出反应的速度，5 档可调。

每个节点保险具有独立的过载短路保护功能，当LED 指示灯绿色常亮，表示打开，正常输出电能；当LED 指示灯红色常亮，表示关闭；当指示灯绿色闪烁，表示该支路过载；当指示灯红色1 Hz 慢速闪烁，表示该支路过电流短路；当指示灯红色5 Hz快速闪烁，表示节点保险模块故障。当其中一路出现过载、短路或系统故障时，该路报警，电能输出中断，其余各支路正常，保证健全支路的设备供电。

3.3 监测与控制

LOCC BOX 各节点状态可通过网关模块实现监测与控制，网关包含USB 和Profinet 两种接口，LOCC BOX 监测与控制如图6 所示，通过USB 接口可连接安装LOCC Pads 软件的电脑，对LOCC BOX 做初始操作和配置，并实时监控状态；通过Profinet 接口连接到可编程PLC，结合戴姆勒标准块FC4036 实现LOCC BOX 节点监测与控制。

图6 LOCC BOX 监测与控制

通过网关Profinet 接口连接PLC，可对LOCC BOX 监测和控制。PLC 程序中戴姆勒标准块FC4036 处理各节点保险信息，最多可一次处理48 个，并通过FC16 可扩展。第一，通过FC4036 可监控各保险状态，单个保险关断或者跳闸后有相应报警信息；第二，在当前没有过载和短路情况下，瞬时跳闸的保险可通过PLC 的复位信号重新开启；第三，每个保险有一个状态字和一个模式字，用户可通过PLC 开启和关闭一个保险。

也可以使用网关USB 接口连接电脑，通过软件LOCC Pads 实现整体模块监测与控制。软件可显示所有节点保险，另外节点的设置状态、工作状态、特性状态、累加计时状态，以及当前的实时电流和电压均可进行显示，通过相应的On/Off 按钮可远程打开和关断任意一个节点保险。

4 结束语

从MFA 焊装车间实际应用情况看，在工艺设备供配电系统中，通过电气自动化技术实现保护、监测、控制的功能，这些依赖于高级传感和测量元器件、广泛的网络通信系统以及专业的管理软件，体现科技进步提升制造车间的自动化[3]。

现阶段的监测、控制是部分程度的自动化，随着技术的革新，对现场配电实现全面的监控、自动化操作，并可在服务器上显示与操控，不仅可以提高效率，降低人工巡视检查成本，而且对于设备的管理和维修维护带来很大方便。

应用与技术创新相辅相成，科学技术进步推动制造业自动化、智能化飞速发展，同时，通过实践及反馈，技术改革创新需求也对新科技、新技术的探索提供强大的推动力，增强对于智能供配电的探索。