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西門子SIMATIC轎車涂裝線自動靜電噴涂機系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

信息來源:西門子備件中心      發(fā)布時間:2018-01-30 09:29:03      點擊次數(shù):0
 西門子SIMATIC控制技術(shù)在轎車涂裝線高速旋杯自動靜電噴涂機系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
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(shè)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(shù)之一的高速旋杯自動靜電噴涂機(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的西門子SIMATIC有關(guān)計算機控制、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(quán)。
關(guān)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(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,并重點發(fā)展轎車生產(chǎn),大規(guī)模引進國際先進技術(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)已接近或達到當(dāng)前國際先進水平。需特別指出的是,中涂和面漆的涂裝是車身涂裝中最為重要的環(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)展最快的,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年上海大眾引進第一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(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(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引進第一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(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、維修費用、備件供應(yīng)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(shù),對靜電噴涂機的控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)
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(最高每分鐘6萬轉(zhuǎn))下轉(zhuǎn)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(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、仿型運動單元、流量單元、保護單元及其相應(yīng)的自動控制與管理單元。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(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。以下兩種實現(xiàn)方案:
1、設(shè)備控制層--現(xiàn)場總線
設(shè)備控制層由主控制PLC(如西門子S5、S7系列)、操作控制臺、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(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,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(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)在自動化行業(yè)中的應(yīng)用是工廠自動化技術(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)傳輸速率高等特點以及開發(fā)應(yīng)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(shè)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(yīng)了當(dāng)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(yīng)用
各家設(shè)備供應(yīng)商為了各自的專利技術(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(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(shè)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(guān)ESTA方面自主知識產(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(S5-155U 948)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 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)拓撲結(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
(1)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,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(zhuǎn)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)場工控機能夠?qū)υ诰€生產(chǎn)的所有產(chǎn)品及設(shè)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(shè)置以及現(xiàn)場實際參數(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、運動控制參數(shù)、手動速度等進行預(yù)先定義或設(shè)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、報警系統(tǒng)
系統(tǒng)有故障報警及自診斷功能。當(dāng)設(shè)備在運行時,無論手動或自動控制模式,設(shè)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(yīng)答及排除故障后復(fù)位,并通過顏色區(qū)分哪些報警已做了復(fù)位,哪些報警只是做了應(yīng)答,并形成故障報警及修復(fù)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
(4)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),但不可以進行修改。除非他被賦予足夠的權(quán)限,通過輸入個人密碼確認后,才能進行相應(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(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(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
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