張鶴   西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司    

  陳燁  湯進(jìn)   上海大眾汽車有限公司   

摘要:面對(duì)快速發(fā)展的中國轎車工業(yè)，國內(nèi)轎車制造設(shè)備工業(yè)的發(fā)展明顯不足，針對(duì)轎車涂裝流水線核心制造技術(shù)之一的高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)（ESTA）的技術(shù)明顯落后于國際同行水平。本文作者通過采用目前先進(jìn)的西門子SIMATIC有關(guān)計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)和信息處理技術(shù)，成功開發(fā)了ESTA監(jiān)控系統(tǒng)并在現(xiàn)場(chǎng)投入使用，投入少、工期短，性價(jià)比高。從2004年安裝在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。同時(shí)廠家也擁有了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

關(guān)鍵字:  PLC     Profibus   WinCC      靜電噴涂  

一.高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)（ESTA）系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

近十五年，中國汽車工業(yè)迅速發(fā)展，自1992年汽車產(chǎn)量突破一百萬輛之后，一直保持著較高的增長速度，并重點(diǎn)發(fā)展轎車生產(chǎn)，大規(guī)模引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，興建了包括上海大眾在內(nèi)的一批現(xiàn)代化轎車生產(chǎn)基地。2005年轎車產(chǎn)量達(dá)到295.8萬輛。中國汽車工業(yè)中以涂裝技術(shù)為主的表面工程技術(shù)已接近或達(dá)到當(dāng)前******。需特別指出的是，中涂和面漆的涂裝是車身涂裝中*為重要的環(huán)節(jié)，它將直接影響汽車的裝飾性、耐候性和外觀，其涂料品種和涂裝技術(shù)也是汽車涂裝工藝中發(fā)展*快的，歷來受汽車廠家的重視。中涂和面漆涂裝普遍采用高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)（ESTA），以提高漆膜外觀質(zhì)量和油漆利用率。自1994年上海大眾引進(jìn)**條采用高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)生產(chǎn)線以來，目前一汽大眾、上海通用、東風(fēng)神龍、廣州本田、北京現(xiàn)代等公司都采用了高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前共有60多套高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)服役于汽車涂裝線。

目前國內(nèi)轎車涂裝線高速旋杯式自動(dòng)靜電噴涂機(jī)成套設(shè)備技術(shù)主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大氣社等國際知名設(shè)備提供商提供。從1994年國內(nèi)從美國ABB引進(jìn)**套高速旋杯式自動(dòng)靜電噴涂機(jī)使用至今也已12年，系統(tǒng)采用的是80年代末技術(shù)，特別是系統(tǒng)監(jiān)控用硬件及軟件，隨著電氣設(shè)備的老化，無論從使用壽命、維修費(fèi)用、備件供應(yīng)等方面都對(duì)使用廠家無疑是新的挑戰(zhàn)。今后一段時(shí)期內(nèi)，國內(nèi)較早引進(jìn)ESTA生產(chǎn)線的廠家都將面臨這些問題。如采用全新投入，一方面投資費(fèi)用高，另一方面更新改造周期長，都是不能接受的。因此，我們采用西門子SIMATIC先進(jìn)的控制技術(shù),對(duì)靜電噴涂機(jī)的控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。這樣投入少、工期短，性價(jià)比高。

二.高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)控制系統(tǒng)原理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

高速旋杯式自動(dòng)靜電噴涂機(jī)，其工作原理是將油漆通過在高速(*高每分鐘6萬轉(zhuǎn))下轉(zhuǎn)動(dòng)的旋杯，使其得到充分的霧化，并在高壓(直流10萬伏)靜電場(chǎng)的作用下，使帶電荷的油漆微粒被均勻地吸附到工件表面，形成光亮、平滑牢固的漆面。高速旋杯式自動(dòng)靜電噴涂機(jī)主要包括：自動(dòng)噴涂設(shè)備中的核心部件高速旋杯霧化單元、高壓單元、換色單元、成形空氣單元、仿型運(yùn)動(dòng)單元、流量單元、保護(hù)單元及其相應(yīng)的自動(dòng)控制與管理單元。我們以西門子PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，根據(jù)靜電噴涂原理，有機(jī)地控制各個(gè)單元?jiǎng)幼?，形成自?dòng)的靜電噴涂工藝過程。

ESTA的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般可分為2層，即設(shè)備控制層和監(jiān)控管理層。以下兩種實(shí)現(xiàn)方案：

1、設(shè)備控制層--現(xiàn)場(chǎng)總線

設(shè)備控制層由主控制PLC（如西門子S5、S7系列）、操作控制臺(tái)、所有控制單元（如霧化、高壓、換色、成形空氣、仿型運(yùn)動(dòng)、流量）及其現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器件、傳感器件（如電磁閥、氣動(dòng)單元、光電傳感器、流量計(jì)等）組成，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus使之組成有機(jī)的設(shè)備控制層。所有分布式I/O產(chǎn)品都按一定的控制范圍安裝于分布式I/O控制箱內(nèi)，盡可能減少硬件布線及故障點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也方便了今后系統(tǒng)的維護(hù)。

2、監(jiān)控管理層現(xiàn)--工業(yè)以太網(wǎng)

監(jiān)控管理層采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，連接著主控制PLC與上層HMI設(shè)備，編程設(shè)備以及相關(guān)設(shè)備。工業(yè)以太網(wǎng)卡在PLC上為CP1430接口模板,HMI設(shè)備上為CP1613接口模板。WinCC工業(yè)組態(tài)軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)與主控PLC交換數(shù)據(jù)。工業(yè)以太網(wǎng)在自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用是工廠自動(dòng)化技術(shù)與IT技術(shù)、互連Internet技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，成為未來可能的制造業(yè)電子商務(wù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制造技術(shù)雛形。本方案中采用工業(yè)以太網(wǎng)充分考慮到了其具有的協(xié)議通用性、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)以及開發(fā)應(yīng)用程序周期短優(yōu)點(diǎn)。采用工業(yè)以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控管理層主要由主控制PLC、HMI及其編程設(shè)備組成，通過TCP/IP方式實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)可更方便地向上組成工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)（FIS），順應(yīng)了當(dāng)前汽車行業(yè)訂單制造的發(fā)展趨勢(shì)。

三.ESTA監(jiān)控系統(tǒng)的自主開發(fā)與應(yīng)用

各家設(shè)備供應(yīng)商為了各自的**技術(shù)與技術(shù)保密，監(jiān)控系統(tǒng)都采用各自開發(fā)的人機(jī)界面軟件或SCADA系統(tǒng)。如早期的ABB直接用C語言開發(fā)DOS環(huán)境下的界面軟件，DUERR的ECO RC2(Keba)系統(tǒng)。本文作者通過現(xiàn)場(chǎng)使用，結(jié)合在轎車涂裝行業(yè)應(yīng)用的特殊性，應(yīng)用目前較流行的人機(jī)界面組態(tài)軟件自主開發(fā)，如：InTouch、WinCC、組態(tài)王等，實(shí)現(xiàn)HMI監(jiān)控功能。本次就采用了西門子WinCC工業(yè)組態(tài)軟件，根據(jù)我們對(duì)ESTA生產(chǎn)線的工藝和設(shè)備多年使用經(jīng)驗(yàn)和理解，成功開發(fā)了ESTA監(jiān)控系統(tǒng)，并順利地投入在生產(chǎn)中使用，至今一直穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)通過項(xiàng)目開發(fā)，我們廠家也擁有了有關(guān)ESTA方面自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

1.監(jiān)控系統(tǒng)的硬件及軟件配置

系統(tǒng)硬件主要由西門子面板式IPC PC 670（500 MHz Intel Pentium CPU、15"TFT顯示器、薄膜鍵盤、集成鼠標(biāo)）、PLC（S5-155U948）和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus（CP1430、CP1613、IM308/318）三大部分組成。

系統(tǒng)軟件主要由操作系統(tǒng)Microsoft Windows 2000Professional、SIMATIC WinCC V5.1工業(yè)組態(tài)軟件、Step 5編程軟件及COM5431通訊設(shè)置軟件組成。

2.監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)采用Profibus－DP和工業(yè)以太網(wǎng)方案。見圖1。

圖1 ESTA控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(Profibus－DP和工業(yè)以太網(wǎng)方案方案)

3.監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

n       工藝及設(shè)備參數(shù)的管理

不同車型，不同顏色，噴涂工藝參數(shù)也不同。為適應(yīng)不同車型的混線生產(chǎn)，系統(tǒng)根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)建立了噴涂工藝數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)能夠進(jìn)行所有工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)與管理,如圖2?？梢栽诰€或離線進(jìn)行工藝參數(shù)的局部或全部修改，如轉(zhuǎn)速、流量、成形空氣、高壓值、觸發(fā)位置等，并自動(dòng)記錄所有參數(shù)修改記錄，保證所有的產(chǎn)品工藝參數(shù)的可追溯性。如圖3。

圖2工藝及設(shè)備參數(shù)的管理

圖3 工藝參數(shù)調(diào)整

n       生產(chǎn)信息的管理及設(shè)備監(jiān)控功能

位于現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)能夠?qū)υ诰€生產(chǎn)的所有產(chǎn)品及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。通過該系統(tǒng)可以顯示目前所有在制品狀況以及在制品的目前位置，統(tǒng)計(jì)目前的產(chǎn)量。

能夠監(jiān)控目前9個(gè)高速旋杯的所有參數(shù)設(shè)置以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、流量、成形空氣、高壓值、位置等），如圖4。

圖4 生產(chǎn)及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

各種生產(chǎn)及設(shè)備信息的定義與設(shè)置，如車型定義、顏色定義、過電流上限、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)、手動(dòng)速度等進(jìn)行預(yù)先定義或設(shè)置。如圖5。能夠任意的進(jìn)行每個(gè)節(jié)拍后的ESTA換色程序及步驟編程。如圖5。

圖5 生產(chǎn)設(shè)備信息定義與設(shè)置

圖6 噴杯換色步驟調(diào)整

n       系統(tǒng)自診斷、報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)有故障報(bào)警及自診斷功能。當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，無論手動(dòng)或自動(dòng)控制模式，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將顯示故障報(bào)警并提示故障產(chǎn)生的可能原因。操作者可對(duì)報(bào)警進(jìn)行應(yīng)答及排除故障后復(fù)位，并通過顏**分哪些報(bào)警已做了復(fù)位，哪些報(bào)警只是做了應(yīng)答，并形成故障報(bào)警及修復(fù)記錄。如圖7。系統(tǒng)還具備了手動(dòng)自診斷功能，如圖8。

圖7 報(bào)警文本信息

圖8 手動(dòng)自診斷功能

n       用戶管理

根據(jù)管理人員操作人員的權(quán)限可以通過預(yù)先對(duì)用戶設(shè)置定義并管理。所有的操作者可以瀏覽目前使用的工藝參數(shù)、生產(chǎn)及設(shè)備狀態(tài)，但不可以進(jìn)行修改。除非他被賦予足夠的權(quán)限，通過輸入個(gè)人密碼確認(rèn)后，才能進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的修改。所有的修改也將形成歷史修改記錄，以備追溯。

四.結(jié)論

我們應(yīng)用SIEMENS PLC技術(shù)、Profibus現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)和WinCC工業(yè)組態(tài)軟件的SCADA技術(shù)，成功開發(fā)了該監(jiān)控系統(tǒng)，從2004年安裝在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。該系統(tǒng)投資少、工期短，性價(jià)比高，已帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)采用是目前比較先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)和信息處理技術(shù)，在汽車涂裝行業(yè)中具有一定的先進(jìn)性和代表性，具有推廣的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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2.     西門子公司 SIMATIC NET PROFIBUS 使用操作手冊(cè)     2001

3.     張鶴等 汽車油漆車間中控室中央控制系統(tǒng) 汽車制造業(yè) 2003.2

4.     楊憲惠主編 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用  清華大學(xué)出版社1999

5.     王錫春編著 汽車涂裝工藝技術(shù)  化學(xué)工業(yè)出版社    2005