（电工理论与新技术专业论文）基于profibusdp汽车塑料饰件涂装车间自动化方案的研究.pdf

a b s t r a c t w i n lm ed e v e l 叩m to fc o m p u t 盯s c i e n c e ，l i c r o - c l l i p s ，n e m o r kt e c h n o l o g y 粕d i n d u s t r i a la u 锄n a t i o n ，a i l d 谢m 山ee v 昏d 锄肌d i n gn e e do ft l l ec o m b i i l a t i o nb e n e e l l e r p m e sa n dp l a i l tn e h o r k s ，f i e l db u st e c h n o l o g yp l u ss c a d ag a i n sb l o s s o mi n i n d u s t r i a la u t o m a t i o na p p l i c a d o n t h i sa r t i c l ef o c u s e so n 血ei m p l 锄e n t a t i o no fat 0 1 m a u t o m a t i o ns 0 1 u t i o ni i l c l u d i n gp r o f m u s d p o nd e “c el a y e r ，s c a d ao n s u p e r v i s i i l ga n dm 柚a g 哪e n t1 a y e ra 1 1 dc o m b i i i a t i o nb e t w e e n i n d u s t r i a la u t o m a t i o n w i t l ln c h a p t e r lp r e s e n t s 血eb a c k 鲫匪n d 粕dg o a l so ft l l i sa n i c l ea i l ds u m m a r i z e s 血e d e v e l o p m e n t0 fm ed e v e l o p i 呦to f i n d u s 雠a lc 0 i i l 】m n i l i c 撕n gn 咖0 r ki 1 1l a t ey e a r s c h a p t e r 2d e t a i l sm el a y o u to fe q u i p m e n t so f 血ep a i l l ts h o pa n dm e a r t so f p a i n d n gf b fp l a s t i cp a r t sf o ra u t o m o b i l e s ，n l e nb 五n g so u tt h er e q u i r e m e d t s0 f n 】e 砌l t o m a d o ns o l u t i o n c h a p t e r 3i i l 廿o d u c e sm eh a r d w a r es e l e c t i o n 卸d 山el o g i cd e s i g na c c o r d i i l gt 0 l e r e q u i r e m e n t so ft l l es y s t e m c h a p t e m 西v e s a i li n 仃o d u c 吐o nt o 协d u s 仃) rc o n 仃o ln e 狮o r k ，m a k e sp e r f b m 甜l c e a n a l y s i st op r o f m u s d p ；b e s i d e s ，i ti n 仃d d u c e sar e a s o n a b l ea i l d9 0 0 ds 0 1 u d o no f c o 姗u n i c a t i o na m o n gs e v e r a lp r o f u s _ d pn 咖o r k s c h a p t e r 5p r e s e n t sh o w t oc o n s 锨l c tas c a d a s y s t e mi nt t l ep a i n ts h o pf o rp l a s t i c p 碰s ，w h e r eo p ca n ds q lt e c l l i l o l o 舀e sa r ei n 廿o d u c e dt oi m p l e m e n ts u p e i 咖昏 c o n m n 舀d a t as h a r i n ga n de x c h 卸百n g s o m es o f t w a r ea r ea l s om e n t i o n e d h e r e w h i c ha r eu s e dt of u l 五s c a d ai np a j ms h o p m e a i l w h i l e ，i t 酉v e saw a yo f c o 山i n a d o nb e t w e e na u t o m a n o nn e t w o r k sa n dr rn e t w o r k n e1 a s tc h a p t e ri sab r i e fs u m m a r yo f 血ew h o l ea m c l e k e y w o r d s ：p l c ，p r o f m u s d p s c a d a ，o p c ，v p n ，1 k h n o l o g yo f p a i n t i n gf b rp l a s d cp a n sf b f 羽l “) m o b i l e s 浙江大学硬士学位论文 1 1 工业自动化技术概述 1 1 - 1 工业自动化技术的发展 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息 技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产 量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化 软件、硬件和系统三大部分。工业控制自动化技术作为2 0 世纪现代制造领域中 最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不 直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。 自动化系统的发展大致经历了几个阶段。模拟仪表控制系统于六七十年代占 主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰。七八十年代后，集中式 数字控制系统开始得到广泛的应用。采用单片机、p l c 、s i _ c 或微机作为控制器， 控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低 的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易于根据全局 情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制机时的选择上可以统一调度和安排； 不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性， 当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。 集散控制系统( d c s ) 于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、 分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机 下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之 间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字 控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布 式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同 厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层h i 缸如e t 、h l t 鲫e t 信息网络之间难以实现 网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、 不具可互操作性的分布式控制系统且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网 浙江大学硕士学位论文 络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。【3 7 1 与此同时，信息科学、计算机科学、电子技术的飞速发展，已使世界的每 个角落通过各种通信渠道相互联系起来，并影响着社会生活的方方面面而制造 业作为社会经济的支柱。却长期处在“信息孤岛”。现代企业的经营决策系统越 来越需要制造系统融于其中，同时自动化系统本身在硬件和功能上不断扩展的 要求，也日益受到传统模式的限制。模块化、分散控制、集中诊断、维护简单成 本降低，向上融合这些都是传统的集中式点对点控制系统面临的挑战。而在设备 层，控制层直到信息层，全面采用具备共同总线的网络系统，则可能全面满足上 述要求。这使得现场总线技术一经诞生就获得了蓬勃发展。 现场总线( f i e l d b u s ) 是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备 互连的实时控制通讯网络，遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部 分通讯协议。现场总线控制系统( f c s ) 则是用开放的现场总线控制通讯网络将 自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场 总线作为应用在工业现场的局域网，与普通的局域网相比有类似之处，但区别也 是十分显著的。 按功能比较，现场总线连接自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设 备，网线上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信息等，传 输速率低，但实时性高。简而言之，现场总线是一种实时控制网络。局域网用于 连接局域区域的各台计算机，网线上传输的是大批量的数字信息，如文本、声音、 图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域网是一种高速信 息网络。按实现方式比较现场总线可采用各种通讯介质。如双绞线、电力线、 光纤、无线、红外线等，实现成本低。局域网需要专用电缆，如同轴电缆、光纤 等，实现成本高。 现场总线控制系统中，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的分布 式控制体系结构。网络拓扑结构可为总线形、星形、环形等；通讯介质不受限制， 可用光纤、双绞线、电力线、无线、红外线等各种形式。应用现场总线技术形成 的现场总线控制网很容易与企业内部网和h l t e m e t 全球信息网互连，构成一个完 整的企业网络三级体系结构。 3 7 】 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 - 2 现场总线技术国内外现状 现场总线技术作为通信技术，网络技术，计算机技术，仪表智能化技术，自动 控制技术的综合产物，经过数年的竞争和妥协，最终并没有形成完美统一的标准 而是形成了各种标准共存的局面据不完全统计，目前市场上形形色色的现场总 线有2 0 0 多种，号称为开放标准的也有二、三十种，现场总线国际标准c 6 1 1 5 8 包含了十二种类型。目前市场上主要的现场总线有p n e t ，p m 肋u s ，w o r l d 巩 f o u n d a t j o nf i e l d b u s ( 包括h s e ) ，c 0 n 仃o l n e t ，h 劬u s ，s w i 心e t ，a s i ，c c 山n k 还有h a i 盯、l d n w o r k s 、m o d b u s 等。【3 6 我国在现场总线技术研究方面还处于起步阶段，大部分工作是做一些跟踪性 的研究。目前，我国已经有一些自己的现场总线产品，在工业以太网领域取得了 一定的科研成果，制定了自己现场总线协议。从应用来说，现场总线系统改造 的呼声很高，但在国内7 0 以上的制造业自动化解决方案，仍然沿用传统的控制 系统这主要有两方面的原因，一是技术，二是资金从技术来讲，现场总线技 术在网络冗余、可靠性等方面还需进一步改进与完善，现场总线系统可靠性仍需 实际应用的检验，大规模应用经验尚不足；从资金角度讲，现场总线系统价格仍 然偏高，阻碍了先进技术的推广应用；传统仪表仍大量使用，更新换代需要一定 的周期，而传统自动化控制设备的技术、应用经验则相对成熟，市场信誉相对稳 定，尽管有上面种种原因使得现场总线在国内的应用仍然处于初期阶段，然而通 信技术，网络技术，计算机技术，仪表智能化技术，自动控制技术的不断发展， 制造信息系统集成的要求，以及自动化系统自身的要求，将使得现场总线得到越 来越广泛的应用 1 1 - 3 现场总线技术总体特征 现场总线技术通过将分布于生产现场的各智能设备，按照某种拓扑结构连接 于共同的总线，节省了现场施工过程中大量的布线工作，使得后续电气维护工作 大大减少，提高了电气系统的硬件连接可靠性；智能现场设备的应用又实现了控 制功能的分散，减少的中央控制器工作强度，提高了工作的可靠性，易于实现模 块化设计和故障的排查，解除；各现场总线技术开发商都同时开发了现场总线与 以太网之间的通信连接设备，使得现场控制层方便地与监控层和管理层网络融合 3 浙江大学硕士学位论文 起来；同时控制软件技术的发展，使得编程、调试、维护、培训日益方便。现场 总线技术的优势毋庸置疑。 然而，大量智能设备连接于共同的总线，智能设备之间的通信，必然带来了 总线带宽争用的问题。在各种现场总线协议中，如何避免网络节点信息传递的冲 突，同时保证信息传递的实时性、可靠性是控制应用中关键的问题。各现场总线 协议参照根据i s o o s i 协议7 层协议结构，在数据链路层的介质访问控制子层规 定了网络节点对总线的控制方式。对于各种不同要求的应用场合，如何选取合适 的总线技术来实现，需要对现存的各种纷杂的现场技术作分析和比较。在这个领 域，国内外的许多专家作了许多的研究工作，得出了一些经验性的数据， 图1 1 中表示了目前一些主流的现场总新技术适合的应用领域。 p r o f 】旧u s 1 i j d u s i o f u s d p f o u n d a t i o n 数据宽度： 位字节数据流 图1 1 主流现场总线技术应用领域经验图 1 5 】 综合来讲，现场总线的总体特征可概括为如下几个方面： 1 ) 现场总线是自动化领域的计算机局域网，但不仅仅是一种通信技术；现 场总线还包括网络上的所有设备能够进行信息互访与互换；总线上的设备之间能 够进行互操作； 2 ) 现场总线也不是简单以智能仪表代替模拟仪表，除完成一般智能设备的 功能外，现场总线设备还必须能够进行采集数据、预处理、控制信号的输出与仪 表的自诊断； 4 警m 时 似i怎上 浙江大学硕士学位论文 3 ) 现场总线的还可将现场设备的本身信息与状态信息通知网络上其他设 备，完成控制算法，有些设备对网络还具有网络调度功能； 4 ) 多种现场总线标准并存，用户难以选择；现场总线产品价格相对较高， 在我国自主技术基础比较薄弱。 在实施自动化项目筹划阶段，需要充分研究应用实际要求，从技术、经济、 施工工期等方面，综合考虑采用何种自动化解决方案。 1 2 项目背景及立项意义 1 2 1 项目背景 1 2 1 1 现代制造业的发展 现代制造企业面临着日益激烈的市场竞争，企业的生存和发展在于不断提高 产品质量和服务水平，不断降低生产成本，提高市场反应能力，这使得企业资源 规划层面，越来越需要制造执行层的数据支持。尽管许多制造型企业都采用了 e r p 系统，然而以以太网局域网为技术支撑的企业制造执行系统( m e s ) 作为 e r p 与现场层的中问管理层，难以与自成体系的现场控制层融合，这使得制造链 中的生产、物流环节与企业财务管理、供应链管理、商务、市场管理脱节。难以 实施e r p 管理的效果。造成制造成本的提升，市场反应速度的减低，管理的不 确定度加大。相应的，车间层的生产计划经常需要变更，为符合生产线自身运行 规律，只能通过加大库存容量来弥补计划的不确定性，提升了物流仓储成本，从 而造成整个企业的运营成本的提高。 以现场总线为设备层控制网络，以太网作为车间生产监控层的网络体系结 构，使得设备层的生产数据能够实时地被m e s 层查看，进行现场调度，和计划 制定，并及时向e r p 层提供生产现场信息，是符合现代制造业自身发展要求的 自动化解决方案。 l2 1 2 本项目立项背景 近年来，我国的汽车工业发展速度不断加快，2 0 0 0 年突破2 0 0 万辆用了8 年，从2 0 0 万辆突破3 0 0 万辆仅用了两年，2 0 0 3 年我国汽车产量完成了4 0 0 万 辆。由此可见我国汽车市场，尤其是轿车市场的消费潜力十分巨大，而且已逐步 由最大的潜在市场转变为极具吸引力的现实市场。汽车塑料饰件作为汽车重要的 浙江大学硕士学位论文 零部件和易耗品，正随着汽车工业强劲增长，同时维修市场也随着汽车保有量的 增长而不断扩大。东北地区目前总产量在4 1 7 万辆以上，将继珠江三角洲、长 江三角洲和环渤海地区之后经济高速发展的“第四极”，汽车工业将得到很大的发 展空间。同时，汽车塑料外饰件尤其是彩色保险杠具有单位价值低、体积大、外 观易磨损、运输成本高等特点，这决定了其销售的地域性。 汽车塑料饰件的涂装车间从自动化程度来分有手动、半自动、全自动三种。 通常根据产品的年产量、产品遵循的质量标准来选择生产线的工艺过程和自动化 程度。对于半自动化生产线，通常喷漆机器人与人工手补喷漆结合，机器人系统 与输送链系统通信即可，生产工艺设备和辅助设备则脱离开；全自动生产线的部 分工序( 如火焰处理) 及所有喷漆过程，均由机器人完成，并且要求机器人系统、 输送链系统、过程设备系统相互协作，形成全自动的生产线。同时可以采用监控 和数据管理系统，实现生产过程高度的透明性。本论文讨论的方案基于对全自动 汽车饰件涂装车间的升级改造。涂装车间的涂装设备、输送链设备均选用专业涂 装设备供应商德国e i s d 州a n n 的设备，喷漆机器人选择a b b 的高压静电喷涂 机器人；原系统中，输送链系统和机器人系统、过程系统各自形成独立的自动化 系统，相互之间的安全互锁通过硬件实现；生产运行状况通过人机界面及安置在 多个区域的报警灯和报警喇叭提醒操作员；工人们需要在车间不断的巡视和点 检，及时解除系统故障。此新项目是基于原自动化涂装车间自动化系统的进一步 升级改造，在设备控制级采用了现场总线技术( 西门子p r o f m u s d p ) ，以总 线和分布式工，o 连接现场智能设备；设备监控级采用以太网监控计算机的s c a d a 系统。操作员可以在中控室人机界面上，监视整个生产线的状况，在线修改控制 参数，查询故障记录，打印报表等多项工作；涉及到自动化系统改造的内容包括：1 将一些重要的辅助设备并入车间生产设备网络，包括废气处理系统、废水处理系 统；2 实现远程监控。自动化方案中采用西门子p r o f m u s d p 总线作为底层设 备通信网络，监控画面增加了的辅助设备运行情况，生产监控更加完善，控制功 能分配更加明确；整个工程自2 0 0 5 年6 月设备安装开始，至2 0 0 5 年1 1 月2 1 日顺利实现了生产线运转。 本项目中的自动化改造，继原项目的现场总线技术改造后，进一步进行了全 自动化系统的优化，提高了生产安全性，降低了人力成本，生产过程更加环保； 浙江大学硕士学位论文 同时节约了项目实施工期；采用虚拟专用通道，借助因特网实现了远程诊断和技 术支持。论文中讨论的自动化网络实藏方案，在沈阳名华模塑科技有限公司涂装 车间得到了成功的应用，为企业带来了效益。 1 2 2 立项意义 1 2 2 1 汽车塑料外饰件涂装车问的控制棱心问置 颜色是个性的表达，人们在对汽车性能、外型提出了更高的要求的同时， 汽车的颜色也在不断增加。对于汽车塑料外饰件喷漆车间而言，这意味着：需用 最小的缺陷容忍度来取得最大的灵活性。专业化的设计，精确的控制，是产生完 美彩色塑料外饰件产品的保证。 涂装车间作为应用工程设计领域内高度专业化的应用，需要集成而灵活的网 络连接。分布问题是喷漆车间自动化方案的关键。输送链系统、过程系统以及与 喷漆机器人的协作，要求设备控带0 层网络连接，既要保证系统内部的端对端数据 交换，也要保证整个过程中达到极高的协同作用。本项目中，采用p r o f m u s d p 作为设备底层网络，生产现场装置的每个部分均作为一个自主性模块，具有其自 己的机械和电气系统和控制智能，通过自己的c p u ( 如s i m a t i c e t 2 0 0 b ) 并借 助于大量分布式节点连成网络，经p m 助u s _ d p 和e t i l e r n e t 集成入整个自动化 系统中。这种方式，以智能部件为基础的自动化可在装置的整个寿命周期内保证 最大的灵活性和生产率，为快速计划和试运行提供便利；模块的即插即用特性使 系统得以灵活扩展。 生产过程越复杂，对在人机界面( h m d 处的灵活性和透明性的要求就越 高。对于喷漆车间中高度灵敏的过程来说，产品质量过程监控必须基于强有力 的自动化解决方案再加上生产过程的高度的可视化和可操纵性。通过采用 p r o f m u s d p + 以太网监控层的通信方案，利用统一的p l c 编程平台和专业的 人机界面软件构成集成自动化系统，可以取得喷漆过程的最大透明性和可重复 性： 通过集成的控制和对所有与过程相关的数据的归档一包括温度、频率、 湿度等，为产品的质曩控制过程提供数据支持。 1 2 2 2 本项目立项意义 汽车塑料外饰件涂装车间自动化解决方案，是集离散控制、过程控制、管理 监控为一体的综合方案。工艺的复杂性，设备的分散性和系统高度的协作性，决 7 浙江大学硕士学位论文 定了自动化解决方案设计考虑的复杂程度。 系统中采用了p r o f m u s d p 这一开放的现场总线技术，每个单主站网络 通过总线将相关设备连接起来，实现设备之间端对端实时通信和互操作；各个网 段之间通过网络耦合器连接起来，实现不同功能系统之间的通信和协作；单一的 编程软件平台西门子s 75 3 ，使得系统的编程、维护更加简单，程序的可读性更 强；同时，利用西门子p l c 的以太网通信模块，各设备层主站在监控层通过以 太网联系起来；形象的人机界面画面、丰富的人机交互功能，使得系统的透明性 和可控性大大增强。同时为远程监控和管理层的数据访问提供了方便的接口，利 用n 技术取代租用专用信道，实现了远程控制和技术支持。 对汽车塑料饰件涂装车间整个自动化解决方案的研究，尤其是对 p r o f m u s d p 现场总线技术的性能分析和应用研究，对于p l c 技术、现场总线 技术及管控一体s c a d a 系统在中大型系统的应用有一定的借鉴和指导意义。本 论文中作者提出的网络通信改造方案，为生产线的操作提供了便利、提高了生产 过程的安全性、环保性，并有利于项目的实施，节约了时间和成本，为企业带来 效益。本论文中介绍的内容，对于推动我国现场总线技术在更大范围的应用以及 自动化应用技术方面的研究提供了典型的案例，其中p r o f m u s d p 现场总线的 性能分析部分，对该现场总线的应用提供了选择依据。 浙江大学硕士学位论文 2 涂装车间设备分布及塑料涂装工艺流程 2 1 涂装车间设备 2 1 1 设备简介 汽车塑料外饰件涂装车间的设备按其功能可以分成两大块，一部分是系统设 备，另一部分是涂装设备。系统设备是指按照汽车塑料外饰件涂装行业标准的各 个工艺流程阶段的处理设备及油漆喷房系统，主要包括各处理箱体、配套的水、 电、气、汽能源供应辅助设备、输送链系统、风循环系统、水循环系统、废水处 理系统、废气处理系统、消防系统。在本项目中采用的是德国e i s e n m q n 公 司的塑料外饰件涂装系统设备，消防系统由上海天德消防公司实施。涂装设各是 指向塑料工件表面喷涂油漆的设备，主要包括喷涂机器人、输调漆系统。本项目 中采用a b b 公司喷涂机器人和名信公司的输调漆系统。 2 2 2 设备的排布 涂装车间系统设备按工艺处理过程分三层排布，每层占地约7 0 0 0 平米。1 4 台机器人安装在火焰处理间和油漆喷涂间内。输调漆系统包括调漆间和输漆管 道，输漆管道自调漆间的输漆设备及管道接入油漆喷涂间，与喷漆机器人连接。 图2 1 涂装车间设备布置图l e v e l0 0 0 0 3 5 】 9 浙江大学硕士学位论文 横轴 g h g _ h h _ j h 一j h j h _ j h _ j j - k j k j k k 一l k j k 一l i 广m m 圳 m _ n m | - n m _ n m _ n m n 表2 1 涂装车间设备简介l e v e lo o o o 纵轴设备名称备注 5 一1 2 1 2 - 一1 8 5 _ 6 9 1 0 1 阻一1 2 1 2 _ 一1 6 1 6 - 一1 8 2 _ 6 1 3 - 一1 4 1 5 一1 6 5 8 1 阻一1 3 1 6 _ 一1 8 2 4 牛1 0 1 m 1 1 1 1 1 3 1 3 1 4 1 4 _ 一1 5 1 5 一1 6 下件工段输送链 上件工段输送链 目检3 输送链 升降机 吹千区 预处理工段 输送链和升降机 清漆冷却区域 底漆烘箱循环风机 底漆冷却循环风机 清漆喷房水幕系统 色漆喷房水幕系统 底漆喷房水幕系统 废气处理系统 中央输调漆系统 消防系统 循环水系统蓄水槽 漆渣处理设备 废水处理系统 去离子水生产设备 运行方向1 4 0 0 到8 0 0 0 自动和手动 运行方向o o o o 到1 4 0 0 图2 2 涂装车间设备布置图l e v e l4 0 0 0 【3 5 1 0 社。2 3 4 5 6 7 8 9 加他b h坫掩均加甜 浙江大学硕士学位论文 表2 2 涂装车间设备简介l e v e l 4 0 0 0 纵轴设备名称备注 1 7 1 8 升降机运行方向8 0 0 0 到4 0 0 0 清漆流平区 清漆烘箱燃烧室 脱水机 底漆冷却区 底漆流平区 火焰处理喷房 清漆流平循环风机 清漆流平区 清漆喷房 色漆流平区 色漆流平循环风机 色漆喷房 目检2 区域 连接室 底漆流平区 底漆流平区 底漆喷房 火焰喷房 连接室 管路连到8 0 0 0 脱水区 南半部分设备 北半部分设备 色漆流平区南侧 图2 3 涂装车间设备布置图1e _ v e l8 0 0 0 【3 5 】 表2 3 涂装车间设备简介l e v e l8 0 0 0 西半部分设备 东半部分设各 南半部分设备 北半部分设备 猫汹“”汹 1 i i l 1 黼h h h h h 污。2 o 4 5 6 ，o 9 m 屹b h塔m螺坶 浙江大学硕士学位论文 横轴 j _ k j _ 一k k l k l k 一l m _ n m n m _ n m _ n 2 2 涂装工艺简介 设备名称备注 脱水区 清漆烘箱 底漆烘箱 清漆喷房静压室 色漆喷房静压室 底漆喷房静压室 清漆喷房循环风机组 色漆喷房循环风机组 新鲜风循环风机组 底漆喷房循环风机组 2 2 1 产品遵循的行业标准 本涂装车间自动化流水线生产的产品，主要是高级轿车的保险杠、防擦条等 外饰件及仪表盘等内饰件，执行标准为汽车行业的通用标准i s o 厂r s l 6 9 4 9 。 另外，还需执行不同汽车厂的特殊要求。以s g m ( 上海通用) 为例：产品的质 量外观遵循g m 4 3 4 8 标准；a p o p s 试验遵循g m “9 7 m 标准；胶带附着力试验 遵循g m 9 0 7 1 p 标准；耐潮湿试验遵循g m 4 4 6 5 p 标准；耐汽油试验遵循g m 9 5 0 1 p 标准；油漆件材料的表面准备要求按照通用9 9 8 4 8 0 1 标准操作等。 整个系统的工艺设计需全面满足上述对产品的各种外观质量要求。 2 2 2 工艺流程简介 工艺流程见图1 4 所示。 根据产品的行业标准，汽车外饰件的涂装工艺流程总共由2 9 道工序组成。 输送链带着工件从上件区开始，经过各工艺处理设备，直至下件区，这之间的 2 1 道工序相关的设备及输送链本身是p 【c 系统的控制对象。 待喷涂的工件被固定在输送链上的滑橇支架上；在上件 订i 中，输入该工 件的产品代码、程序代码、颜色代码，这些信息存入链条控制系统p l c 中；链 条和升降机将载有工件的滑橇传送至预处理工段。预处理旨在洗去塑件上灰尘、 轴舶4坩趣m瑚蠢m舶坩 删“卜扛h仁卜i，lj仁 ，； 口可 ， 糕l 2 3 4 5 6 7 8 9 加 浙江大学硕士学位论文 油污等异物，保证油漆涂层与塑件表面具有良好的附着力。它主要由链条、1 个 箱体、5 个循环水槽及相关喷淋管路和循环泵构成。此段需控制水温、清洗时间 及机械作用力。 清洗干净的工件进入吹干区，吹风除去大部分水分。吹干工序需控制风速和 风量。升降机将吹干后的工件送入8 m 标高的脱水干燥室，彻底干燥工件表面。 此段需控制干燥室的温度和工件停留时间。工件自升降机下降至4 m 标高，进入 火焰处理间。处理间入口处链道上读码器读出此滑橇号码，并将信号传送给链条 浙江大学硕士学位论文 控制系统。链条系统p l c 将上件处录入的该滑橇上工件的数据( 产品代码) 发 送给机器人控制系统p l c ，火焰机器人执行相应工件表面火焰处理程序。火焰处 理是将1 0 0 0 一2 0 0 0 摄氏度天然气火焰快速地扫过工件表面，使塑料表层分子局部 氧化，改善塑件表面润湿性和附着力，以待喷涂。 在底漆喷房和色漆喷房前，各有一套高压电离风装置，去除塑件表面的静电， 避免灰尘吸附。其原理是5 0 0 0 一7 0 0 0 伏特的负高压，通过发生装置前端的电极放 射电晕，使经过电极处的压缩空气离子化，吹到保险杠的表面，中和电荷，去除 灰尘。工件经高压电离除尘后，进入底漆喷房喷涂底漆。喷房入口处读码器读出 此滑橇的号码，并将信号传送给链条控制系统。链条系统p l c 将上件处录入的 该滑橇上工件的数据( 产品代码、程序代码) 发送给机器人控制系统p l c ，底漆 喷涂机器人执行相应程序，在工件表面均匀喷涂底漆。在喷漆过程中，根据传感 器测到滑橇到达的位置，2 台底漆机器人按照设定的先后次序对产品喷涂底漆。 同时需严格控制链速及温度、湿度、风速等喷房环境指标，并确保风循环、水循 环系统的正常运行。之后进入流平间，流平主要作用是使喷涂在保险杠表面的油 漆更加趋向于合理的分布状态，使涂膜干燥后更加平滑。流平阶段需控制流平时 间，流平间温度和风速。色漆和清漆的流平与此相同。 升降机带着工件上升至8 m 标高，进入底漆烘箱。烘烤旨在将油漆涂层内的 溶剂挥发掉，使工件表面形成一层涂膜。此工序需控制烘烤时间、烘箱温度、风 速。清漆烘箱与此相同。 接着，链条和升降机将产品送入4 m 标高冷却区，风冷工件表面至常温。此 区需控制冷却风温度、风速和冷却时间。冷却后的工件进入底漆检查室，检验员 目检底漆喷涂质量，若发现不合格品，则按下n o to k 按钮，p l c 将控制该滑 橇上工件不执行后续色漆和清漆喷涂。 合格品经过电离除尘后进入色漆喷房。同样地，色漆喷房入口处读码器读出 此滑橇的号码，并将信号传送给链条控制系统。链条系统p l c 将上件处录入的 该滑橇上工件的数据( 产品代码、颜色代码、程序代码) 发送给机器人控制系统 p l c ，色漆喷涂机器人执行相应程序，在工件表面喷涂色漆。在喷漆过程中，根 据传感器测到滑橇到达的位置，6 台色漆机器人按照设定的先后次序来对产品喷 涂相应颜色的油漆。环境要求与底漆涂装时相同。 1 4 浙江大学硕士学位论文 经色漆流平后，工件进入清漆喷房，进行最后一道油漆喷涂。清漆喷房入口 处读码器读出此滑橇的号码，并将信号传送给链条控制系统。链条系统p l c 将 上件处录入的该滑橇上工件的数据( 产品代码、程序代码) 发送给机器人控制系 统p l c ，清漆喷涂机器人执行相应程序，在工件表面喷涂清漆。在喷漆过程中， 根据传感器测到滑橇到达的位置，4 台清漆机器人按照设定的先后次序喷涂产 品。环境控制要求与底漆喷房相同。 接下来进行清漆流平。之后升降机和输送链将工件送入8 m 标高的清漆烘箱 烘烤，在工件表面最后形成干燥的漆膜。烘烤完成的工件从升降机下来到0 m 的 清漆冷却区，冷却至常温后，随输送链到下件区，等待下件检验和后续的人工处 理、产品分流工序。 本系统中每次最多可放置2 5 0 个滑橇，从上件直至下件整个工艺处理周期大 约需要4 5 小时。以生产汽车保险杠为主要产品，年产能达3 0 万套。 2 3 系统的自动化升级改造 2 3 1 原自动化系统存在的问厦 1 采用焚烧炉通过燃烧处理含有溶剂的有毒气体；智能化程度低，能耗高， 操作员无法监控焚烧炉内部工作状况，致使有害气体可能燃烧不充分，无法满足 日益严格的环保要求。 2 废水处理设备职能化程度低，设备操作需要操作员经常检查，决定泵的起 停、监测污水排放的酸碱值、重金属含量等重要指标，时间长达5 6 小时，操作 麻烦，难以达到更高的环保要求。 3 输送链系统、机器人系统和过程系统均使用p r o f m u s d p 现场总线作为 底层的设备通信网络，但是由于网络相互之间没有建立通信连接，仅通过硬件方 式实现安全互锁和同步，并利用报警喇叭来提醒操作维护人员现场出现故障。给 现场操作带来不便。 4 监控计算机上输送链系统和过程系统分属两个项目，输送链的每层链条又 独立成小项目，只能分别查看每个子系统的运行情况，生产操作监控不便；画面 不完善，无法提供丰富的故障信息。 5 一旦准备启动系统，链条和过程系统单独操作，人工检查过程设备是否生 浙江大学硕士学位论文 产条件具备，然后启动链条系统，尽管两个系统单独都是自动控制的，但是整个 车间的操作没有实现全自动化。 6 现场支持依赖程度高，技术力量共享性差，费用高。 2 3 2 新的系统改造任务 l 采用新型智能环保的废气处理设备取代焚烧炉，并融入过程控制系统。 2 采用新型的智能废水处理装置，并融入过程控制系统。 3 将过程系统、输送链系统和机器人系统联系起来，实现涂装车间的全自动 化。 4 整个车间的运行状况生成于一个监控项目，可以方便浏览包括链条、过程、 机器人系统的运行状况，查询故障信息；在全自动生产模式下，一旦过程设备具 备生产条件，链条系统自动开始运行。 5 实现远程访问车间系统，远程监控和故障诊断，以共享技术力量，降低成 本。 新系统的改造任务中123 任务可以归结为解决网络互联问题，4 是数据监 控管理问题，5 是系统的向上融合问题。在本论文中，作者将继第三章单元控制 逻辑设计后，在第4 章网络连接方案、第五章数据监控管理和远程连接部分，对 上述问题提出解决方案。 浙江大学硕士学位论文 3 1p l c 系统简介 3 涂装车间的控制 世界上第一台可编程序控制器( p l c ) 产生于1 9 6 9 年，由当时美国数字设 备公司( d e c ) 为美国通用汽车公司( g m ) 研制开发并成功应用于汽车生产线 上，被人们称为可编程序逻辑控制器( p m g 均m m a b l el d g i cc o i 啪1 l e r ) ，简称p l c 。 在二十世纪七十年代，随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理器和微计算 机，并应用于p l c 中，使箕具各了逻辑控制、运算、数据分析、处理以及传输 等功能。美国电气制造商协会删a ( n a d o n a le 1 e c t r i c a lm 趾u 梳t i l 姒s a s s o d a n o n ) 于1 9 8 0 年将其命名为可编程序控制器( p r o 擎a m m a b l ec o n 伽e r ) ， 简称p c 。为与个人计算机( p 蹦沁n a lc o r n p u t e r ) 相区别，也使用其早期名称p i _ c 。 国际电工技术委员会c ( k 锄l a t i o n a le l e c d t o c h i l i c a lc 0 1 n 】【n i s s i o n ) 分别于 1 9 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年1 月颁布了p l c 的第一稿和第二稿标准。以后p l c 开始 向小型化、高速度、高性能、高可靠性方面发展，并形成多种系列产品，编程语 言也不断丰富，使其在二十世纪年代八十年代以来的工业控制领域中占据着主导 地位。 尽管工业控制技术的不断发展，各种控制模式晟终走上融合，但各种控制系 统都有自己的应用特点和适用范围，都是针对不同控制环境和技术要求而选定不 同的控制系统为主。【3 7 作为最终用户，希望选用顺应当前发展潮流、系统投入、运行成本低，可靠 性高、管理维护容易、结构简单、易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。 采用p l c 作为现场设备层控制中心，应用现场总线技术将各分散的现场设备连 接起来，实现功能控制和功能单元的协作，无疑是经济、可靠的解决方案。 在单台设备的自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程自动化方面， p l c 在其中充当着重要作用。一般具有以下特点：( 1 ) 编程简单，它是面向用户 的设备。( 2 ) 控制系统构成简单，通用性强。( 3 ) 抗干扰能力强，可靠性高。( 4 ) 体积小，维护方便。( 5 ) 缩短了设计、旌工、投产调试的周期。( 6 ) 功能齐全。 ( 7 ) 具有良好的性价比。 计算机和信息技术的飞速发展，不断成倍扩大的功能和成倍降低的价格，使 浙江大学硕士学位论文 可编程控制器( p l c ) 、通讯联网技术、过程控制软件都获得了长足进步，为工 业自动化控制注入前所未有的生机和活力。尤其是现场总线技术的发展，将传统 的p l c 控制系统融合进来，形成现场设备层完全分布式网络，实现了模块化、 分散控制、集中诊断、向上融合的现场总线工业控制系统，为p l c 的发展和应 用开辟了广阔的空间。 3 7 】 在实际应用中，是以p l c 为控制核心组成电气控制系统，实现对生产过程 的控制。p l c 系统包括中央处理单元( c p u ) 、输入输出单元( 加单元) 、电源、 特殊功能模块、通讯模块、连接设备等。按照结构形成，p l c 分为整体式和模块 式两种；按照输入输出( ) 点数分为小、中和大型，可灵活应用于多种场合。 其构成的控制系统可靠性高、通用性强、编程简单( 常用编程语言有梯形图、语 句表、逻辑符号图、顺序功能图和高级语言等) 、体积小、安装维护灵活简便。 p l c 系统采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。循 环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。整个过程分为内部处理、通信、输入处理、 执行程序、输出处理几部分； 设计一个p l c 控制系统，首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等， 并明确动作逻辑关系；然后根据系统功能要求( 包括输入、输出信号数量的多少、 性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等) 选择p l c 型号及各种附加 配置，并有规则、有目的地分配输入、输出点；再根据控制及流程要求，对应输 入、输出开发相应应用程序，同时连接p l c 与外部设备连线；最后，将编制完 成的程序写入p l c 中，模拟工况运行，进行调试及修改。在模拟调试成功后， 接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止。 根据上述设计步骤来设计本系统。我们在选择处理器时，应考虑以下三个方 面：( 1 ) l 要求，即控制过程需要多少帕；( 2 ) 内存要求，即控制过程需要多少 内存；( 3 ) 通信要求，需要何种通信口。 3 7 】 3 2 系统硬件选型 涂装车间的p l c 系统主要控制涂装系统设备的运行，包括两大部分，输送 链p l c 系统和过程控制p l c 系统。输送链系统主要控制工件按工艺流程输送到 各工段，并控制各工艺段工件处理时间；过程控制系统主要控制各工段的工艺参 浙江大学硕士学位论文 数，提供合适的工艺处理条件和工艺处理过程。 3 2 1 处理器的选择 3 2 1 1 输送链系统处理静选蜂 输送链由各工艺段链条、连接段链条、6 个转盘、7 个升降台、2 个传送台、 及置于输送链上的2 5 0 个滑橇组成。输送链马达、变频器、行程开关、编码器、 传感器、执行器、变送器、读码器、 玎咀设备、中央处理器和帕模块、马达驱 动模块构成了输送链p l c 系统。电气控制系统与机械系统共同作用，控制链条 的运行。 每段链条均需控制链条的起停、保持既定转速；不同生产节拍工艺段之间的 缓冲链还需控制气动阻挡器动作，来阻挡或继续滑橇的传递；转盘需控制转台转 向、高低速转换、转台起停和转台传送链起停、转速；传送台需控制链条起停、 转速、传送台升降；升降机需控制升降方向、高低速度转换、升降位置、升降机 水平支架输送链起停和转速。 整个输送链系统输入开关量5 9 0 个、输出开关量2 5 0 个，马达驱动单元3 0 个，中央处理器内存需求量估算法：离散o 点1 0 + 模拟量帕点2 5 + 特殊 模块1 0 0 = 总的指令字。根据这种方法可求出此中央处理器内存总需求估算值 = ( 5 9 0 + 2 5 0 ) 4 l o + 3 0 4 1 0 0 = 1 1 4 0 0 指令字。考虑上述内存要求以及整个自动化系 统的通信要求( 内容详见第四章涂装车间网络) ，输送链系统采用西门子 s 7 4 1 6 2 d p 中央处理器。s 74 1 6 2 d p 是高级系列的c p u ，设计针对复杂、大型、 控制要求高的系统。它的程序内存大，处理速度快，带有o 8 m 字节的程序存储 单元和1 6 m 字节的数据存储单元，最高处理速度达0 8 1 1 秒脂令字，c p u 集成 了两个d p 端口，通讯速率可达1 2 m b p s ，每个c p u 可以带1 5 7 个从站节点。 3 2 1 2 过程控制系统处理嚣选蜂 回顾第二章关于涂装工艺流程的介绍，参见图1 4 。过程控制系统控制各工 艺段参数，为产品的涂装提供合适的处理环境、控制某些工艺处理过程及辅助设 备的运行。整个过程控制系统包括三个独立子系统，分别是涂装工艺设备p i c 系统、废水处理p i _ c 系统、废气处理p i c 系统。 从通信要求来说，过程设备工艺复杂，设备分布范围广泛，多采用远程智能 i ，0 模块实现数据的采集和控制。且从过程系统i ，o 点数和处理要求来看，涂装 1 9 浙江大学硕士学位论文 工艺设备