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 西門(mén)子SIMATIC控制技術(shù)在轎車(chē)涂裝線(xiàn)高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
張鶴 西門(mén)子工廠(chǎng)自動(dòng)化工程有限公司
陳燁 湯進(jìn) 上海大眾汽車(chē)有限公司
摘要:面對(duì)快速發(fā)展的中國(guó)轎車(chē)工業(yè)，國(guó)內(nèi)轎車(chē)制造設(shè)備工業(yè)的發(fā)展明顯不足，針對(duì)轎車(chē)涂裝流水線(xiàn)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(guó)際同行水平。本文作者通過(guò)采用目前先進(jìn)的西門(mén)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(kāi)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?xún)r(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(chǎng)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(guó)汽車(chē)工業(yè)迅速發(fā)展，自1992年汽車(chē)產(chǎn)量突破一百萬(wàn)輛之后，一直保持著較高的增長(zhǎng)速度，并重點(diǎn)發(fā)展轎車(chē)生產(chǎn)，大規(guī)模引進(jìn)國(guó)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(chē)生產(chǎn)基地。2005年轎車(chē)產(chǎn)量達(dá)到295.8萬(wàn)輛。中國(guó)汽車(chē)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)前國(guó)際先進(jìn)水平。需特別指出的是，中涂和面漆的涂裝是車(chē)身涂裝中最為重要的環(huán)節(jié)，它將直接影響汽車(chē)的裝飾性、耐候性和外觀(guān)，其涂料品種和涂裝技術(shù)也是汽車(chē)涂裝工藝中發(fā)展最快的，歷來(lái)受汽車(chē)廠(chǎng)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(guān)質(zhì)量和油漆利用率。自1994年上海大眾引進(jìn)第一條采用高速旋杯自動(dòng)靜電噴涂機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)以來(lái)，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(chē)涂裝線(xiàn)。
目前國(guó)內(nèi)轎車(chē)涂裝線(xiàn)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(guó)際知名設(shè)備提供商提供。從1994年國(guó)內(nèi)從美國(guó)ABB引進(jìn)第一套高速旋杯式自動(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(wú)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(chǎng)家無(wú)疑是新的挑戰(zhàn)。今后一段時(shí)期內(nèi)，國(guó)內(nèi)較早引進(jìn)ESTA生產(chǎn)線(xiàn)的廠(chǎng)家都將面臨這些問(wèn)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(zhǎng)，都是不能接受的。因此，我們采用西門(mén)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?xún)r(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(guò)在高速(最高每分鐘6萬(wàn)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(wàn)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?jiǎn)卧?、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(mén)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(guò)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(xiàn)
設(shè)備控制層由主控制PLC（如西門(mén)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(chǎng)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(lái)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(kāi)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(guò)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(chǎng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)（FIS），順應(yīng)了當(dāng)前汽車(chē)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用
各家設(shè)備供應(yīng)商為了各自的專(zhuān)利技術(shù)與技術(shù)保密，監(jiān)控系統(tǒng)都采用各自開(kāi)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(yǔ)言開(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用，結(jié)合在轎車(chē)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(kāi)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(mén)子WinCC工業(yè)組態(tài)軟件，根據(jù)我們對(duì)ESTA生產(chǎn)線(xiàn)的工藝和設(shè)備多年使用經(jīng)驗(yàn)和理解，成功開(kāi)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(guò)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，我們廠(chǎng)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(mén)子面板式IPC PC 670（500 MHz Intel Pentium CPU、15"TFT顯示器、薄膜鍵盤(pán)、集成鼠標(biāo)）、PLC（S5-155U 948）和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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 2000 Professional、SIMATIC WinCC V 5.1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(jiàn)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
（1）工藝及設(shè)備參數(shù)的管理
不同車(chē)型，不同顏色，噴涂工藝參數(shù)也不同。為適應(yīng)不同車(chē)型的混線(xiàn)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(kù)。系統(tǒng)能夠進(jìn)行所有工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)與管理,如圖2?？梢栽诰€(xiàn)或離線(xiàn)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2。


圖2工藝及設(shè)備參數(shù)的管理


圖3 工藝參數(shù)調(diào)整
（2）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€(xiàn)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(guò)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(chē)型定義、顏色定義、過(guò)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6。


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
（3）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(wú)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(guò)顏色區(qū)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
（4）用戶(hù)管理
根據(jù)管理人員操作人員的權(quán)限可以通過(guò)預(yù)先對(duì)用戶(hù)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(guò)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(xiàn)技術(shù)和WinCC工業(yè)組態(tài)軟件的SCADA技術(shù)，成功開(kāi)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?xún)r(jià)比高，已帶來(lái)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(chē)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。
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5. 王錫春編著 汽車(chē)涂裝工藝技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社 2005