汽车部件涂装生产线控制系统

汽车部件涂装生产线控制系统 唐 耘，高永强，许永攀 (天津七所高科技有限公司，天津 300409) 1工程背景 Mubea汽车部件有限公司是德国知名汽车零部件供应商Muhr& Bender KG在中国设立的全资子公司，致力于为国内外汽车制造商提供高质量蝶形弹簧、稳定杆、弹簧卡箍、皮带张紧轮、变送器轴和悬架定横拉杆等专业产品。生产设备主要从德国进口，产品主要供应中国、韩国、日本和欧洲一些国家的主流汽车厂商（大众、宝马、奔驰等），其生产严格遵照德国制造工艺标准，产品质量最佳和价格富有竞争力，领先的技术成为很多国际性技术标准的基础，高品质的产品、工艺和质量代表着最高的技术水平。 为实现提高产能、扩充市场的目标，慕贝尔公司全球设备采购在综合考察多家公司的技术、管理能力后，最终与我公司签订了2条卡箍涂装生产线。 2 工程概况 该生产线占地约40 m×10 m，完成对已进行抛丸处理后的卡箍进行2次底漆涂覆或2次面漆涂覆，同时还可以满足只进行1次底漆涂覆工艺。基本工艺流程是：上件-浸漆-甩干-自动转运-预热-固化烘干-强冷-自动转运-二次浸漆-甩干-自动转运-预热-固化烘干-强冷-下件。 主要设备和专机包括：料箱翻倒机、振动落料机、称重料斗、上下料穿梭车、下料盘翻转站、下料输送设备、下料转运车、双联浸漆离心工作站、浸漆桶、转运机械手、料篮、上下料综合转运输送工作站、烘干强冷一体设备、双层输送线、托盘、高温托盘自动高低位转运工作站、空调系统等。 3电控系统设计和实施 系统要求能实时、精确和全面在线采集各个机构、设备和工段的位置、工件及工艺等所有信息；控制中心根据设定的工艺要求和节拍，灵活迅速制定控制策略、配方参数以及逻辑联锁关系，编制科学、严谨的运算指令和算法程序，可靠发出执行命令，准确控制相应电机、气缸、风机、燃烧机等的动作，在节拍时间（160 s）内有序、高效地完成生产任务。能够基于数据库的各种现场信号、参数的采集、存储、分析进行处理和智能诊断，实现在线监控，展现设备工况、工件轨迹、参数列表、工艺曲线和报警信息等。实现基于互联网+的远程维护。 3.1 通讯网络系统 采用分散和集中相结合的方法和配置，实现多分部的独立控制和互相联动。整个控制系统分为3层：监控层、控制层和设备层。以工控机(IPC)作为监控层，可编程控制器(PLC)作为控制层，现场总线（Profibus-DP）设备作为设备层构成三级控制系统。网络系统见图1。 3.1.1 网络组成 设计采用1台西门子工业级计算机SIMATIC IPC3000 SMART作为上位机。这是一款坚固可靠的机架式工控机，19英吋标准4U机架设置，配置IntelPentium Dual Core G2010处理器，标配有2个串口COM1和COM2，并带有PCI和PCIE插槽，便于扩展其他类型的通讯接口。 西门子PROFIBUS-DP通讯卡CP5611安装于IPC3000的PCI卡槽上。 为实现对整条线运行情况监控、数据采集和记录、配方管理、故障报警、控制运行等任务，采用了人机交互界面软件：组态王KingView6.55。组态王是中国自主研发的工控软件，功能强大、运行稳定且使用方便，能与主流的1 000多种工业自动化设备通讯。 主控系统S7-300PLC是西门子可编程控制器产品之一，其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性好、抗冲击性能好，成为控制的首选解决方案。 西门子移动触摸屏177作为便携操作站可选用有线或无线方式，坚固耐用，集成故障安全功能。 分布式IO ET200是现场数据采集和控制模块。采集各子系统的传感器信号，上传至主PLC；接收PLC发出的控制指令，驱动各执行机构。 工业以太网将涂装设备和车间办公室相连，实现车间级、工厂级和互联网的连接，进行远程监控。 3.1.2 通讯协议 组态王6.55通过板卡CP5611与S7300 PLC之间可采用的通讯方式有MPI、Profibus-DP、Profibus-S7等多种协议。本项目择优选用Profibus-S7通讯方式，Profibus-S7通讯兼具了MPI的设置简单和Profibus-DP的高速率、多子站的优点。 3.1.3 通讯参数设置 1）在STEP7中对设备和模块进行组态：安装、联网并设置属性和地址； 2）分配DP主从站地址、编号，定义数据交换区域和数据类型； 3）采用MPI通讯方式将PLC的硬件配置下载到PLC中； 4）组态王中定义设备通讯、地址和数据词典：根据定义向导建立西门子S7 300系列的Profibus-S7协议。 3.2 控制软件设计 本项目用到变频技术、PID/比例调节技术、传感检测技术、多驱动同步控制技术、PLC和上位联网控制、信息处理技术、现场总线及数据库管理技术等。其中PLC承担了最核心的工作，因此PLC的编程方法和技巧非常重要。 该线所有专机联动关系复杂，各机构必须严格遵照生产工艺按步序和节拍运行。如果动作顺序和节拍稍有错乱或衔接不顺畅，就会出现产品混料（汽车厂不允许不同型号产品混在一起）和废料。基于顺控模式，采用了Graph语言进行PLC编程。 顺序功能图(简称SFC)是IEC标准编程语言，用于编制复杂的顺控程序，结构清晰、条理清晰和逻辑性强。采用S7GRAPH编程方法，可以转换成PLC可执行程序，清楚快速地组织和编写顺序控制程序，通过将控制任务分解为若干步及转换条件命令，实现全局、单页或单步显示、联锁控制和监视条件的图形视界。 3.3 上位监控系统设计 设备的启停、参数设置/修改、故障报警/复位、设备运行状况、曲线及信息管理、发布都在组态王KingView6.55上实现。 生产工艺信息如关键参数：投料量、投料速度、浸漆时间、浸漆速度、甩漆时间、甩漆速度等可根据要求由授权管理员进行修改、设置。对全线设备运行进行监控；实现数据的整理归档和存储，报警信息集中管控，定位准确，实现柔性化生产。 4 技术重点 整套生产线包含多种专机的快速、连续和多维立体空间运行；设计本着科学、先进和简捷的原则，采用有效检测手段（拉线编码器、超声波传感器、激光测距仪、开度仪等）、严密的控制方法，实现了德方严苛的工艺节拍紧凑、定位精度高和和自动化、智能化的要求。 4.1 安全功能 4.1.1 紧急停止 设备周边设置多个急停按钮开关，接入安全控制回路，当发现人员有危险或设备异常时按下最近的急停按钮。故障和危险处理后，解除急停按钮，并复位安全控制回路，设备具备启动条件。 4.1.2 安全门锁 为防止人员在设备运行时进入，每个门口都安装电磁门锁。门锁信号接入安全控制回路。所有的电磁门锁都锁闭是设备开始运行的前提条件，门锁打开，设备停止；安全门锁闭，并复位安全控制回路，设备可以继续运行。 4.1.3 安全栅 防爆区域内的传感器：离心机夹具打开/关闭到位、漆桶底位/低位/甩漆/浸漆位、减速、吊带张紧位等信号首先进入安全栅，保证防爆区域内外的信号隔离；防爆区域内采用本安型传感器，防爆区域外采用安全栅将防爆区域内的信号采集到PLC，提高安全程度。 4.1.4 操作权限管理 设备运行时涉及到很多关键的参数和功能按键，这些功能只允许特定人员进行操作，因此不同的工艺参数设定和特殊按钮操作设定有不同的权限，特定人员凭用户名和密码可进行相应操作，防止人为误操作，影响设备工作和产品质量。 4.2 核心工艺实现 本系统设计2套涂层程序（单涂和双涂）和1套自动换篮子程序。 4.2.1 单涂程序 单涂：只涂1遍油漆。设计路线是：生料依次进入穿梭机1的1#料篮，机械手从穿梭机1取篮子后交替放入两个离心机内，在离心机内涂过油漆后进入烘箱，烘干后倒入下料穿梭机，由下料穿梭机送入成品料箱，离开生产线。 4.2.2 双涂程序 双涂：涂2遍油漆，在每个离心机内各涂1次油漆。路线是：生料进入穿梭机1的1#料篮，机械手将1#料篮取走，放入离心机1内进行涂漆，在离心机1内完成后进入烘箱，烘干后被倒入穿梭机1的2#料篮；机械手取走2#篮子放入离心机2内进行涂漆，涂完后进入烘箱，烘干后倒入下料穿梭机，由下料穿梭机倒入成品料箱，离开生产线。 4.2.3 自动换篮子程序 改变涂层颜色时，需要更换油漆桶和相应颜色的料篮，每个料篮重40 kg，人工操作费时费力。系统设计了一套自动更换料篮的程序。当系统检测到新输入的工件型号代码中代表颜色的代码和原来的不同时就开始执行换篮子程序：首先更换穿梭机1#位置的两个篮子和离心机1的漆桶。当新颜色的工件做完一遍涂层并烘干、准备做第二遍涂层时开始更换穿梭机2#位置的篮子和离心机2的漆桶。 下面以更换1#位置篮子为例说明换篮子动作是如何执行的：当新型号工件进入震动落料机时，程序检测篮子颜色和新工件颜色是否相同，当颜色不同时开始执行换篮子程序。机械手将篮子放入离心机1内，自离心机1缩回，开始执行换篮子程序段（原本是应该上升到料篮翻转站将倒空的篮子取到穿梭机1的1#位的），在3个料篮仓的九个位置查找目标颜色的篮子，查到后机械手将该篮子取出来放到穿梭机1的1#位，然后上升到料篮翻转站，将倒空的篮子取下，放到刚才取出篮子的料篮仓位置。然后机械手回到初始位置，至此换篮子动作执行完毕。程序回到涂层程序继续执行，当把新换的篮子装完料送入离心机1内时，机械手停在离心机1门口，等待更换漆桶完成信号。漆桶更换完成后，程序继续运行。当下一个循环执行到换篮子程序时，开始更换第2个料篮，动作执行顺序和跟换第1个一样。 4.3 信息管理 4.3.1 产品信息 当工件进入震动落料机后，扫码枪将工件订单输入到控制系统内，系统会自动生成一个工件编码；当工件进入称重料斗时会生成一组伴随工件直到下料的数据，包括工件编码、订单号、重量、涂层数等。这组数据随着工件依次进入下一工位。 4.3.2 温度曲线归档 由于温度对涂层的影响比较大，对温度进行了实时监控，并把温度数据归档保存一段时间，便于分析产品质量问题。工控机上编制“趋势曲线”控件。 4.3.3 涂层工艺参数管理 由于工件型号众多，工艺参数亦有所差别。对于不同的工件设定有不同的投料量、浸漆时间、浸漆速度、甩漆时间、甩漆速度等工艺参数。由于设备加速到160 s后，油漆工艺参数（烘干时间）还未确定，在每个循环结束延时10 s入下一个循环（相当于每个循环要170 s）如果参数调整好之后可以通过工控机上的“取消10 s延时”按钮取消延时。 5 结语 该设备已经运行了接近2年时间，达到了预期整体生产节拍的要求；专机设备结构牢固，长期高温环境下运行可靠，各活动部件运转灵活，设备可实现单涂、双涂工艺的切换，满足了不同规格型号产品共线柔性生产的需求。设备自动化、智能化程度和利用率高，极大地减轻了工人劳动强度。 该项目正是现代制造装备的一种典型应用，展示了最先进的技术和产品。技术和创新永无止境，希望能再接再励，努力进取，共同践行“中国制造2025”。