張鶴   西門子工廠自動化工程有限公司    

  陳燁  湯進   上海大眾汽車有限公司   

摘要:面對快速發(fā)展的中國轎車工業(yè)，國內(nèi)轎車制造設備工業(yè)的發(fā)展明顯不足，針對轎車涂裝流水線核心制造技術之一的高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）的技術明顯落后于國際同行水平。本文作者通過采用目前先進的西門子SIMATIC有關計算機控制、網(wǎng)絡和信息處理技術，成功開發(fā)了ESTA監(jiān)控系統(tǒng)并在現(xiàn)場投入使用，投入少、工期短，性價比高。從2004年安裝在現(xiàn)場運行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。同時廠家也擁有了自主知識產(chǎn)權。

關鍵字:  PLC     Profibus   WinCC      靜電噴涂  

一.高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）系統(tǒng)應用現(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，并重點發(fā)展轎車生產(chǎn)，大規(guī)模引進國際先進技術，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)量達到295.8萬輛。中國汽車工業(yè)中以涂裝技術為主的表面工程技術已接近或達到當前******。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靜電噴涂機（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**條采用高速旋杯自動靜電噴涂機生產(chǎn)線以來，目前一汽大眾、上海通用、東風神龍、廣州本田、北京現(xiàn)代等公司都采用了高速旋杯自動靜電噴涂機，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前共有60多套高速旋杯自動靜電噴涂機服役于汽車涂裝線。

目前國內(nèi)轎車涂裝線高速旋杯式自動靜電噴涂機成套設備技術主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大氣社等國際知名設備提供商提供。從1994年國內(nèi)從美國ABB引進**套高速旋杯式自動靜電噴涂機使用至今也已12年，系統(tǒng)采用的是80年代末技術，特別是系統(tǒng)監(jiān)控用硬件及軟件，隨著電氣設備的老化，無論從使用壽命、維修費用、備件供應等方面都對使用廠家無疑是新的挑戰(zhàn)。今后一段時期內(nèi)，國內(nèi)較早引進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先進的控制技術,對靜電噴涂機的控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)和人機界面監(jiān)控系統(tǒng)進行更新改造。這樣投入少、工期短，性價比高。

二.高速旋杯自動靜電噴涂機控制系統(tǒng)原理與網(wǎng)絡結構

高速旋杯式自動靜電噴涂機，其工作原理是將油漆通過在高速(*高每分鐘6萬轉)下轉動的旋杯，使其得到充分的霧化，并在高壓(直流10萬伏)靜電場的作用下，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。高速旋杯式自動靜電噴涂機主要包括：自動噴涂設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、仿型運動單元、流量單元、保護單元及其相應的自動控制與管理單元。我們以西門子PLC為基礎的控制系統(tǒng)，根據(jù)靜電噴涂原理，有機地控制各個單元動作，形成自動的靜電噴涂工藝過程。

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

1、設備控制層--現(xiàn)場總線

設備控制層由主控制PLC（如西門子S5、S7系列）、操作控制臺、所有控制單元（如霧化、高壓、換色、成形空氣、仿型運動、流量）及其現(xiàn)場執(zhí)行器件、傳感器件（如電磁閥、氣動單元、光電傳感器、流量計等）組成，并通過現(xiàn)場總線Profibus使之組成有機的設備控制層。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，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也方便了今后系統(tǒng)的維護。

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)的方式實現(xiàn)，連接著主控制PLC與上層HMI設備，編程設備以及相關設備。工業(yè)以太網(wǎng)卡在PLC上為CP1430接口模板,HMI設備上為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)在自動化行業(yè)中的應用是工廠自動化技術與IT技術、互連Internet技術結合的產(chǎn)物，成為未來可能的制造業(yè)電子商務技術、網(wǎng)絡制造技術雛形。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)傳輸速率高等特點以及開發(fā)應用程序周期短優(yōu)點。采用工業(yè)以太網(wǎng)方式實現(xiàn)的監(jiān)控管理層主要由主控制PLC、HMI及其編程設備組成，通過TCP/IP方式實現(xiàn)與監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)交換。同時可更方便地向上組成工廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)（FIS），順應了當前汽車行業(yè)訂單制造的發(fā)展趨勢。

三.ESTA監(jiān)控系統(tǒng)的自主開發(fā)與應用

各家設備供應商為了各自的**技術與技術保密，監(jiān)控系統(tǒng)都采用各自開發(fā)的人機界面軟件或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)場使用，結合在轎車涂裝行業(yè)應用的特殊性，應用目前較流行的人機界面組態(tài)軟件自主開發(fā)，如：InTouch、WinCC、組態(tài)王等，實現(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ESTA生產(chǎn)線的工藝和設備多年使用經(jīng)驗和理解，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)定運行。同時通過項目開發(fā)，我們廠家也擁有了有關ESTA方面自主知識產(chǎn)權。

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）、PLC（S5-155U948）和工業(yè)現(xiàn)場總線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通訊設置軟件組成。

2.監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

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)絡結構

(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。為適應不同車型的混線生產(chǎn)，系統(tǒng)根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，已經(jīng)建立了噴涂工藝數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)能夠進行所有工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的維護與管理,如圖2。可以在線或離線進行工藝參數(shù)的局部或全部修改，如轉速、流量、成形空氣、高壓值、觸發(fā)位置等，并自動記錄所有參數(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)信息的管理及設備監(jiān)控功能

位于現(xiàn)場工控機能夠?qū)υ诰€生產(chǎn)的所有產(chǎn)品及設備運行狀況進行監(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)計目前的產(chǎn)量。

能夠監(jiān)控目前9個高速旋杯的所有參數(shù)設置以及現(xiàn)場實際參數(shù)（如轉速、流量、成形空氣、高壓值、位置等），如圖4。

圖4 生產(chǎn)及設備狀態(tài)監(jiān)控

各種生產(chǎn)及設備信息的定義與設置，如車型定義、顏色定義、過電流上限、運動控制參數(shù)、手動速度等進行預先定義或設置。如圖5。能夠任意的進行每個節(jié)拍后的ESTA換色程序及步驟編程。如圖5。

圖5 生產(chǎn)設備信息定義與設置

圖6 噴杯換色步驟調(diào)整

n       系統(tǒng)自診斷、報警系統(tǒng)

系統(tǒng)有故障報警及自診斷功能。當設備在運行時，無論手動或自動控制模式，設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將顯示故障報警并提示故障產(chǎn)生的可能原因。操作者可對報警進行應答及排除故障后復位，并通過顏**分哪些報警已做了復位，哪些報警只是做了應答，并形成故障報警及修復記錄。如圖7。系統(tǒng)還具備了手動自診斷功能，如圖8。

圖7 報警文本信息

圖8 手動自診斷功能

n       用戶管理

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

四.結論

我們應用SIEMENS PLC技術、Profibus現(xiàn)場工業(yè)總線技術和WinCC工業(yè)組態(tài)軟件的SCADA技術，成功開發(fā)了該監(jiān)控系統(tǒng)，從2004年安裝在現(xiàn)場運行至今，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。該系統(tǒng)投資少、工期短，性價比高，已帶來了一定的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)采用是目前比較先進計算機控制、網(wǎng)絡和信息處理技術，在汽車涂裝行業(yè)中具有一定的先進性和代表性，具有推廣的價值。

參考文獻：

1.     西門子公司 SIMATIC HMI WinCC 使用操作手冊 V5.0  2001

2.     西門子公司 SIMATIC NET PROFIBUS 使用操作手冊     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)場總線技術及其應用  清華大學出版社1999

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