（控制理论与控制工程专业论文）汽车厂涂装车间精修线控制系统开发研究.pdf

摘要 本论文涉及的科研课题来源于某汽车公司涂装分厂精修线控制系统项目， 具有很强的实用价值和经济价值。在当前国内外制造业自动化技术同新月异， 飞速发展的环境下，我们放弃了传统的控制模式，以“全集成自动化”控制模 式，以p l c 控制平台和开放的现场总线网络体系为核心，采用最新的控制器、 驱动、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、p l c 、现场分布式 i o 组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展数据采集和 控制系统。 可编程序控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 因其高可靠性和 较高的性价比，在工业控制中被广泛应用。监控组态软件也是自8 0 年代后期伴 随个人计算机的普及而迅猛发展起来的。它以其具备的实时多任务、接口开放、 使用灵活、功能多样、运行可靠等特点而具有很强的实用价值。现场总线体现 了分布、开放、互联、高可靠性的特点，代表了今后工业控制的主流，是当 前自动控制领域中倍受关注的技术之一。 文章首先介绍了涂装分厂涂装生产线工艺特点以及控制要求。并简要介绍 本控制系统需要使用的一些重点关键性技术。重点以精修线控制系统为主要研 究对象进行总体控制方案设计。详细介绍i n t e r b u s 现场总线在本系统中的应用。 以可编程控制器s i e m e n ss 7 - 4 0 0 p l c 和菲尼克斯i n t e r b u s 现场总线控制器等控 制模块为硬件平台进行硬件配置组态。以下位机开发软件s t e p 7 为软件平台进 行系统程序设计。以上位机组态软件w i n c c 6 0 为开发环境，设计出简洁，实用 性强的上位机监控画面。详细介绍了菲尼克斯i n t e r b u s 现场总线控制软件c m d 的组态开发。最后对现场调试过程作了详细的总结。 本论文主要开发智能化高，可靠性高，故障率低，性价比好的实用系统， 旨在降低涂装生产线停车几率、提高生产节拍，提高涂装车间产量。实践证明， 该系统达到了预期的控制要求，运行良好。 关键词：控制系统；p l c ；组态；现场总线；程序设计；监控 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht o p i ci n v o l v e di nt h i st h e s i sc o m e sf r o ms o m eh u l lp a i n t i n gp l a n t t r u i n gl i n ec o n t r o le l l 百n e e r i n gp r o j e c t ，i ti sv e r yg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n de c o n o m i c v a l u e i nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l yi nb o t h h e r ea n da b r o a d ，w eg i v eu pt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm o d e ，w i t ht h ec o n t r o lm o d eo f “a l li n t e g r a t i o na u t o m a t i o n ，p l ca n df i e l db u sa st h ec o r e i ta f f o r d sam u l t i p l eo r d e r , e x o t e r i c ，m o d u l a rc o n t r o ls y s t e mm a d eu pw i t hc o m p u t e r , p l ca n df of o ru s e rw h i c h a d o p t sa b r e a s to ft h et i m e sc o n t r o l l e r , d r i v e r , n e tt r u s sa n di n d u s t r i a lc o n t r 0 1 p l ci sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yf o ri t sh i g hr e l i a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e p r i c e r a t i o t h e c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ea l s o e n j o y s f a s t d e v e l o p m e n t d u et ot h e p o p u l a r i z a t i o no fp e r s o n a lc o m p u t e r , a n di sr e c o g n i z e do ft h ev a l u eo r i g i n a t e df r o m t h e m e r i t ss u c ha sr e a l - t i m e m u l t i t a s k i n go p e n n e s s ，f l e x i b i l i t y , v e r s a t i l i t y , a n d r e l i a b i l i t y f i e l d b u st e c h n o l o g yi sad i s t r i b u t e d ，o p e n ，i n t e r c o n n e c t i o na n dh i 曲 d e p e n d a b i l i t yt e c h n o l o g y , w h i c hr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m i ti so n eo ft h et e c h n o l o g i e sw h a th a sa t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni nt h e f i e l do fa u t o m a t i cc o n t r 0 1 f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh u l lp a i n t i n g p l a n tt r u i n gl i n et r e a t m e n ta n dr e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m i n t r o d u c i n gs o m e k e yt e c h n o l o g ys i m p l y t h e nw i mt h et r u i n gl i n ec o n t r o ls y s t e ma st h em a i nr e s e a r c h o b j e c t s ，w ed e s i g nt h eo v e r a l lp r o j e c t i n t r o d u c i n gt h ea p p l i c a t i o nw i t hi n t e r b u s f i e l db u sa m p l yi nt h i ss y s t e m w i t ht h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rs i e m e n s $ 7 - 4 0 0 a n df i e l db u sc o n t r o l l e ri b ss 74 0 0d s c i - tb e i n gah a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m c a t t yt h r o u g hh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n w i t hs i e m e n ss o f t w a r es t e p 7b e i n ga s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r me a r l yt h r o u g ht h ep r o g r a m ed e s i g n w i t hw i n c c 6 0 b e i n g as o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , d e s i g n i n g t h e c o m p a c t a n dg o o d p r a c t i c a b i l i t ym o n i t o ri n t e r f a c e i n t r o d u c i n gt h ec o n f i g u r a t i o no fc m dw h i c hi s i n t e r b u sf i e l db u sc o n t r o ls o f t w a r ea m p l y f i n a l l y , i n t r o d u c i n gt h ef i e l dd e b u g g i n g p r o c e s sa m p l y n ，t h e l e s i sm a i n l y 叩l d e r s aa p p l i e dc o n t r o ls y s t e mw i t l l l l i g t li n t e l l i g e n t i z e ， m 曲d e p e n d 蛐b i l y ，l o wf a i l u r ep r o b a b i l i t ya n dg o 。dp e r f o r l t l 柚c 蕊e 蛐三。= t o 托d u c e p a 幽n gp r o b a b i l i t yi nh u l l p a i n t i n gp l a n t ，e n h a i l c ep r o d u c et i m e a n d e 1 1 1 1 锄c et h e 。u t p u ti nh u 1 1p a i n t i n g p l a n t p r a c t i c ep r o v e st h a tt l es y s t e l i lc o m e st oa i l k e p r d s ：c 。n t r o ls y s t e m ；p l c ；e o n f i g u r a t i 。n ；f i e l d b u s ；p r 0 跚e d e s i 髓；m 。n i t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明芳表示了谢意。 、彳 签名：尘芝墨日期：o 趟：1 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) 导师( 签名) 磷期支胛户 j 武汉理+ j ：人学硕士学位论文 1 1 项目来源 第1 章引言 项目来源于某汽车公司涂装分厂车身精修线工程项目。该项目是某汽车公 司重点项目。系统采用了各种先进的控制技术，采用了两条精修线同时作业， 大大提高了生产线进线节拍。该项目设置一套与整个工艺系统相配套的控制系 统。整个控制系统由各类传感变送器、p l c 系统、上位机、网络交换机、现场 总线、电气控制系统及相关上、下位控制和管理软件组成。本项目针对某汽车 公司涂装分厂精修线控制系统这一命题，开发智能化高，可靠性高，故障率低， 性价比好的实用系统，旨在降低涂装生产线停车几率、提高生产节拍，提高涂 装车间产量，为该公司甚至我国汽车工业的发展带来巨大的经济效益和社会效 益。 1 2 国内外技术研究现状和发展趋势 涂装对于汽车制造来讲有两个重要作用，第一是对汽车防腐蚀，第二是给 汽车增加美观1 1 1 0 大量资料表明，国内外每年因锈蚀造成的损失相当惊人。据 世界银行提供资料，1 9 9 6 年美国国民总产值为7 4 3 3 5 亿美元，因金属腐蚀损失 为2 0 0 0 亿美元，约占国民生产总值的2 7 。汽车是以钢材为主的工业制品，如 不解决腐蚀问题，将严重影响汽车的使用寿命和外观，因此汽车自问世之初， 就与涂装结下了不解之缘1 2 1 01 8 8 6 年，“汽车之父卡尔奔驰在德国斯图加特 制造第一辆汽车时，就用油漆进行防锈和装饰。1 0 0 多年过去了，现代汽车不仅 是集现代工业成就之大成的工业品，更是技术与艺术的完美结合。中国汽车工 业起步于2 0 世纪5 0 年代，近半个世纪来，伴随着中国汽车工业发展的坎坷历 程，汽车涂装从载货汽车车身涂装发展至轿车车身涂装，坚持引进、消化和开 发的道路，使中国汽车涂装技术逐步现代化d 1 。 在早期汽车制造业自动化控制系统中，涂装车间的生产线控制系统采用的 是传统的控制模式。所有分布在车间的信号靠i o 电缆连接至p l c 柜，设备的故 武汉理j l ：人学硕十学位论文 障报警信息全部通过b c d 码来显示，工人对生产线的干预仅限于启动、停止和 急停操作。根据现场生产的实际情况，该控制系统已经无法满足生产需求： l 、无法提供故障的准确检测和判断。时间对于涂装车间来讲是分秒必争， 尤其是在产量达到一定规模以后。故障产生时，维修人员需要以最快的速度发 现和解决问题，老系统必须由工人根据报警代码寻找故障地点，再根据经验分 析原因，故障停线时间因此比较长。尤其是在p l c 本身发生故障时，往往会浪 费更多的时间。 2 、检修困难。涂装车间的信号多，而且分布面积很广，桥架里的电缆敷设 很拥挤，加之时间比较长，线号已经模糊不清，维修工人需要更换电缆、电气 元件等需要耗费很大的工作量。 3 、无法为工厂资源管理信息系统( m i 冲i i ) 提供快速、准确的生产信息。 车间的零部件物流无法根据实际的生产进度进行合理的调度。 随着国内外汽车制造业自动化技术的日新月异的发展，越来越多的汽车厂 的自动化生产线控制系统采用了现场总线网络技术。现场总线技术为这个系统 提供了一个完整的解决方案。在过去的十多年里，随着生产车间自动化和过程 自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍。其原因之一 是：现场总线系统实现了数字和模拟输入输出模块、智能信号装置和过程调节 装置与可编程逻辑控制器( p l c ) 和p c 之间的数据传输，把i o 通道分散到实 际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费 用大大地节省。其原因之二是：标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许 用户选用不同制造商生产的分散i o 装置和现场设备。 现场总线系统的结构是透明和开放的。只有这样，工程师们才可能从市场 上大量可供应的现场设备和部件中选择最佳的产品组成他们自己的系统。现场 总线满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求。一方面它覆盖了传感器 执行器领域的通信需求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特 别在“分散i o ”领域，由于有大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用。 同时该总线系统又提供了丰富的设备诊断信息，操作员可以直接通过监控计算 机了解整个车间系统设备的健壮性，为故障的判断提供直截了当的辅助手段， 大大减少了故障的排除时间。 目前，现有的大部分现场总线利用了现有的国家标准和国际标准。其协议 以国际i s o ( 国际标准组织) 标准o s i ( 开放系统互连) 参考模型为基础。i s o o s i 武汉理t 大学硕十学位论文 通信标准模型由7 层组织，并分成两类。类是面向用户的第5 层到第7 层， 另一类是面向网络的第1 层到第4 层。第1 层到第4 层描述数据从一个地方传 输到另一个地方，而第5 层到第7 层给用户提供适当的方式去访问网络系统。 我们根据国内外类似系统的运行管理情况以及在该行业中的实际经验，依 照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠、简单实用、先进( 十年不落 后) 的原则，充分发挥自动化产品的技术优势，以p l c 控制平台和开放的现场 总线网络体系为核心，采用最新的控制器、驱动、网络架构及工控软件产品为 用户提供了一个由计算机、p l c 、现场分布式i o 组成的多级的、开放的、模块 化的、实时多任务的集散型可扩展数据采集和控制系统。 该系统采用集成工业现场总线、控制总线和1 0 0 1 0 0 0 m 高速以太网组成的 混合三层体系结构，既支持基于浏览器的b s 结构体系，也支持c s 结构体系。 整个涂装车间的输入输出信息形式多样( 包括图像、图形、文字、语音、 数字等多媒体形式) ，信息量大，对系统功能要求高。控制监视任务不仅仅限于 单机的检测和控制问题，而且还实现了对整个车间的监控、故障诊断、物流优 化、生产预报和调度。以p l c 和计算机为核心的信息处理机制完成对综合信息 的管理、生产过程的计划、调度、监视与自动化控制。 这就是所谓的“全集成自动化”，“全集成自动化”就是在生产自动化过程中， 提高效率，降低成本的全面解决方案。在“全集成自动化”中，p l c 结合p c 解决 方案，自动化计算机，人机界面系统，运动控制，以及分布式i o 等。其数据管 理，通信，组态和编程三者有一致的数据库和通信协议等，形成一个整体。这 种三重一致的集成扩展到整个自动化领域。目前，国内外的汽车制造业乃至整 个制造业自动化控制技术都向着这种“全集成自动化”发展。 目前，我国汽车工业涂装生产技术的发展较国外先进技术在不断缩小，但 仍有十年左右的差距，使用总线控制技术，以太网控制技术在国内汽车厂使用 的仍然不够充分，所以我们瞄准国内外技术前沿，抢占技术制高点，开发采用 了各种先进的控制技术的涂装生产线，其稳定和高效的运行必将带来重要商机， 对于促进汽车行业的发展、引导汽车工业生产线高端自动化控制的发展都具有 深远的意义。 武汉理：1 ：人学硕+ 学位论文 1 3 论文研究主要内容 论文以某汽车公司涂装分厂精修线项目为背景，以精修线工艺的控制要求 为依据，介绍了控制系统的软硬件设计、开发和调试情况。具体内容如下： 第1 章：介绍项目来源、汽车厂涂装工艺控制系统的国内外技术研究现状 以及发展趋势。 第2 章：系统工艺分析及重点关键技术概述。主要讨论了精修线控制系统 的工艺控制要求，以及所采取的关键，创新技术。 第3 章：叙述精修线控制系统的总体设计及硬件集成情况。首先介绍了精 修线系统控制要求。然后介绍了该精修线控制系统的总体组成，包括上位监控、 下位p l c 以及电气控制等。结合精修线工艺，对控制系统进行了总体方案的设 计。接着详细论述了p l c 控制系统中的上位监控系统和下位p l c 硬件模块的配 置和性能情况。对i n t e r b u s 在本系统的应用情况也进行了说明。最后完成了对 该精修线控制系统下位p l c 系统和上位监控系统的组态。 第4 章：叙述了控制系统的软件开发。首先对s 7 3 0 0 4 0 0 系列p l c 工作过 程和特点进行了详细的叙述。然后重点以精修线控制系统为主要研究对象，以 下位开发软件s t e p 7 和组态软件w i n c c 6 0 为开发环境，论述了系统下位机p l c 程序的总体设计，精修线控制系统主要控制程序的开发过程；系统上位机监控 系统界面的总体设计和主要部分界面的开发过程，最后对报警记录管理进行了 分析。 第5 章：对现场调试进行了回顾总结。 以上所述为论文研究的主要内容。目前，该汽车公司涂装分厂的精修线工 程项目已经完成，并投入了生产，目前运行良好。该工程的成功完成，为我国 汽车厂涂装返修线控制系统奠定了一定的基础，也为将来设计类似的工程项目 提供了一些思路。 武汉理j ：人学硕十学位论文 第2 章系统分析及重点关键技术概述 2 1 汽车涂装工艺介绍 2 0 世纪8 0 年代末期之前，汽车涂装曾经是汽车制造过程中产生三废排放最 多的环节之一，从2 0 世纪9 0 年代开始，欧美等国家的汽车工业纷纷推广环保、 节能的涂装新材料、新工艺、新设备，以适应苛刻的环保法规、不断提高质量、 降低成本。1 5 年后的今天，汽车涂装不仅在减少涂装公害方面实现了跨越，在 降低涂装成本、提高涂装质量等方面发展也很快，某些新的技术概念已经开始 了工业化应用，汽车涂装技术多元化的时代已经到来“1 。最近几年我国汽车产 销量已经跃居世界前几位，国际几大汽车集团在我国的生产规模迅速扩大，本 土汽车产业也呈现跳跃式的发展，在合资汽车生产的拉动下，主流厂家的汽车 涂装水平已经跻身国际先进行列。 车身涂装历来是汽车涂装的代表，由于汽车车身结构复杂多变、装饰性要 求高，所以其涂装工艺最复杂。经过多年的发展，公认的典型涂装工艺，如图 2 - 1 所示，可以很好地满足金属车身的要求。 图2 - 1典型的车身涂装工艺示意图 在汽车涂装工艺发展过程中，把1 9 8 6 年以前归为以往工艺、1 9 8 6 年以后归 为现代工艺h 1 。这是因为，1 9 8 6 年前后我国汽车行业在引进、消化、吸收国外 先进的涂装技术方面做了大量的工作，涂装技术有了长足的发展，也大大缩短 了与先进涂装技术的差距。 下面我们就几种主要工艺做一下简单介绍： 1 、漆前预处理和底漆 武汉理j 1 ：人学硕十学位论文 1 9 5 6 年前，中国汽车维修涂装处于手工除锈、手工刷涂阶段；1 9 5 6 年，一 汽从前苏联引进的工业化载货车车身涂装生产线建成投产，其工艺水平和涂装 用材略高于当时前苏联的水平，在国内的涂装方面也算是最高水平。 1 9 6 6 1 9 8 5 年，随着科技进步，国内科技人员开发并采用阳极电泳涂装以及氨基 面漆、“湿碰湿 喷涂面漆工艺、表面活性剂清洗、红外辐射烘干和静电涂装等 汽车技术，在2 0 世纪7 0 年代后期建成了集国内车、身涂装技术之大成的二汽 车身涂装生产线，标志了中国汽车涂装已全面进人阳极电泳阶段8 1 。 尽管此时的汽车涂装与过去相比已经有了很大的发展，但是预处理大多没 有设置磷化工序，工序数也只有4 5 道。处理方式多是喷淋，脱脂处理剂为三 碱类。现代涂装线的预处理工艺1 0 0 有磷化工序，欧美都有钝化工序，日本较 少有钝化工序，工序数一般为十几道 7 1 0 处理方式多是喷淋结合的方式，处理 剂为专业化公司生、产的脱脂、表调、磷化、钝化各类处理剂。 为了不污染电泳槽液，往往在预处理出口设置了去离子水喷沈且要控制滴 液的电导率指标。所有这些都是为了提高预处理质量，保证工件清洗干净、有 良好的附着力和防腐蚀性。 从阳极电泳过渡到阴极电泳也不过是上世纪8 0 年代的事情，目前所有的汽 车车身无一例外地采用了阴极电泳工艺。阴极电泳工艺的工作原理和阳极电泳 非常相似，但质量却比阳极电泳好很多。 阴极电泳漆材料的发展主要体现在提高泳透力、降低颜基比、保护边角、 不含有害金属、降低烘干温度和烘干减量等方面。有报道，采用逆过程电泳工 艺即先喷粉末涂料再进行内表电泳的做法以此减少v o c 排放，提高内表泳透质 量。近年，据很多有关双层电泳的报道，成功地拚弃中涂工序同样也是为降低 v o c 排放。p p g 公司已有双层电泳的产品。 2 、喷漆工艺 这里介绍的喷漆工艺包含了中涂和面漆的喷涂。 油漆材料 随着改革开放，世界著名的油漆厂商纷纷前来中国或独资或合资建厂，为 国内汽车工业提供了优质的汽车油漆材料尤其是轿车油漆材料。这大大缩小了 国内与国外在油漆材料应用上的差距。近年来，由于国内外竞争旧益加剧，环 境保护法规越来越严厉，汽车厂和油漆制造商的注意力主要放在减少v o c 排放、 降低成本上。这才不断推出高固体分中涂清漆、水性中涂、粉末中涂、水性 武汉理：人学硕十学位论文 底色漆、粉末罩光清漆等新品种、新工艺。此外，也有报道中涂底色漆清 漆三喷一烘干的材料和工艺。 施工工艺 早期的工艺是一喷，一烘干，后来油漆材料的改进可以部分做到“湿碰湿 施工。现在又有了包含中涂的三喷一烘的尝试。 过去主要是手工喷涂，喷涂工具是手工喷枪。由于手工喷枪的漆雾大、油 漆浪费多，喷漆设备制造商就推出了静电喷枪。但是，喷漆质量仅靠喷漆工和 一把喷枪是不能稳定的。对于大量流水作业汽车厂来说，每年几十万辆汽车完 全靠人工来完成喷漆任务是很难想象的事情。在汽车制造厂家的要求下，设备 供应商推出了往复式喷涂机、圆盘喷涂机代替工人完成部分喷涂任务。现在， 国内各大汽车厂使用最多的是高速旋杯自动喷涂机。 施工设备 施工设备包含喷漆室、喷涂装置、输调漆设备和清理设备，由于油漆材料 从液态漆变为粉末漆，所以又出现了喷粉室和粉末喷涂机、粉术回收系统。 3 、烘干工艺 烘干对于涂装来讲：是非常重要的一道工序。目前，工业涂装中从液体油 漆变成固体漆膜离不开烘干设备，它对漆膜的质量、生产成本、生产效率有着 直接的影响。轿车等高装饰性涂装的烘干炉设计时，应根据烘干的零件和当地 能源、资源，合理选择能源和烘干炉结构形式。投产的炉子应具备：测定的烘 干曲线稳定，零件温度均匀；内壁平滑易于清理，能源利用率高，保温性好， 凝结物少；废气处理合理，热能回收利用。 目前，国内漆膜固化设备的热源主要为电和燃气及油，以热风对流循环的 加热方式为主。大多数燃气烘干炉的焚烧炉具有废气处理及热能综合利用功能。 国内有的汽车厂家如一汽大众汽车有限公司，使用桥式烘干炉或门字型烘干炉 减少了热量损失，并利用烘干炉下部作为车身贮存区，节约了厂房面积。 近年来，高红外快速固化技术在电泳涂装和粉末涂装中的成功应用，引起 了人们的重视。所谓高红外即快速提供高能量、高密度、全波段强力红外辐射， 能瞬间提供大能量的热源。锦州红外技术应用研究所等单位应用高红外技术开 发了涂膜固化设备，成功地改造了一汽吉林轻型车厂的电泳烘干炉，使烘干时 间缩短了一半，运输链速度提高了1 倍，产量翻了一番，充分显示出高红外技 术的高效、节能、节省投资的特点。此外，除利用各种能源的加热烘干类型外， 武汉理。l ：入学硕士学位论文 相继出现紫外光固化、电子束固化等新的技术，并成功运用到工业生、产中。 对于烘干来讲，技术的进步更多的是指环保节能、保证烘干的内在质量和 外观质量、降低生产成本。例如，加厚保温层，采用好的阻热和保温材料，废 气返回焚烧利用，采用门字形、桥式烘干炉减少热量外泄。 炉体设计制造时分段密封到现场安装，炉内壁缝全焊接光滑。生产时配备 清理人员。设计要考虑凝结物气雾和滴落破坏漆膜外观，保证烘干质量及生产 效率。采用高红外加对流技术保证升温段湿漆膜快速表干，炉内循环气流与加 热气流用高温交换器隔离，采用多级精密过滤。炉内输送链精密自动润滑防止 磨屑污染漆膜。 2 1 1 涂装车间生产线工艺 下面以某汽车公司涂装车间为例介绍汽车厂涂装车间生产线工艺： 该汽车公司涂装车间总投资约为1 5 亿元人民币，设计生产能力为双班年 产8 万台套，生产节拍为3 1 9 分钟台。生产线为柔性设计，能够适应多车型、 多品种混流生产。整个生产线工艺流程布置紧凑流畅、先进合理，选用了国内 外先进的汽车涂装专业生产设备和设施，机械化、自动化程度高，是目前国内 性价比较高的柔性化专业汽车涂装生产线之一。 车间厂房由美国巴特勒公司制作安装，采用轻钢结构、全面封闭、强制性 通风换气、自然光照及局部人工照明的采光方式。厂房面积约1 8 万平方米， 净空高度1 2 米，主辅房双层结构( 夹层为钢平台结构) ，主房布置工艺流程线， 辅房安置辅助设施及贮存生产辅料，并在主要出入通道设置了风淋洁净室，以 利于维护现场工作环境，保持现场的洁净度。 车间工艺生产线主要由前处理电泳线、密封底涂线、中涂线、面涂线、精 修线及其烘干系统组成。全线工件输送系统采用空中悬挂和地面滑橇相结合的 机械化输送方式，运行平稳、快速便捷；机械化控制系统采用p l c 可控编程， 根据生产工艺的实际要求编程控制实行现场总线中心监控，分区自动实现 转接运行。现场作业人员仅为1 1 0 人。 涂装车间的前处理电泳生产线的设计沿用当今汽车涂装先进工艺一悬挂积 放输送、“c 型吊具悬挂、连续带电入槽等；全线槽体、室体均采用不锈钢材 料结构制作安装；脱脂除油、磷化除渣、悬液分离、电泳过滤以及超滤和阳极 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 等附属设施均引进同本三进、美国h y w a r d 等世界知名的品牌设备。电泳涂料选 用了r 本立邦公司的p o w e r n i c s1 2 0 mf 产品环保( 无铅) 、低温( 1 6 0 ) 、 厚膜( 平均约2 5 p ) ，经试产检测，效果良好。 密封底涂线全长约1 6 0 米( 含烘干及转换工位) ，设立2 0 个工位，最高节 拍可达2 5 分钟台，远远满足目前的实际产能和今后提升产能的需求。输胶设 备选用美国g r a c o 公司的压盘式柱塞泵输胶系统，可实现自动切换、稳压调置、 不间断补给、连续供料等功能，确保了生产衔接性和持续性。 中面涂线全长分别约为1 4 0 米和1 8 0 米，分别设有打磨段、擦净段、手工 喷涂段、自动喷涂段、流平段及烘干段等。该线设计参照了目前世界上最先进 的德国d u r r 公司的喷涂室的设计理念通风系统采用了动静压室结构，保证 了风量、风速、风压的可调性和稳定性，充分满足工艺的要求；水循环系统采 用了文丘里结构，可以充分的收集漆雾废气和降低噪音，以达环保要求。 中涂生产线全线总共配置了1 2 台a b b 公司( 挪威机器人本体，日本机器人 控制系统) 生产的自动喷涂机器人( 中涂4 台，面涂8 台) ，经调试检测，该设 备调控方便、仿形准确、运行平稳、喷涂效果良好、质量稳定，最高喷涂作业 节拍可达2 8 分钟台；输调漆系统设有8 色面漆、3 色中涂、2 种清漆即1 套 溶剂等共1 3 套循环系统，采用美国g r a c o 公司液压两线制循环结构，液压动力 可明显降低油漆循环的脉动和泵体的运行噪音，稳定压力，减小油漆循环时的 剪切破坏力而造成的色差失光等各种缺陷；同时配以韩国新杜公司的管中管油 漆恒温系统，保证了油漆黏度的稳定性与可控性，以利于稳定喷涂流量，促以 提高喷涂质量。 精修线设有两条并联的工艺线，最高节拍可达2 分钟台，以此充分保证了 全线产能提升的潜力，并在其周围分别设置了3 条大、小修补线和返修储存区， 充分保证了发生意外质量事故时全线的仍畅通无阻。 全线各烘干系统的设计参照了德国d u r r 公司的设计理念和参数，烘道室体 均采用了桥式结构( 密封底涂炉除外) ，充分保证了炉温的均匀性和稳定性，提 高了热能的效益性；供热装置国内首家引进了加拿大科迈科公司的产品，选用 美国麦克森公司的燃烧器和控制系统，目前经测试各烘干系统运行良好稳定， 温度曲线平滑持续，完全满足目前工艺产能的要求，并可满足今后提高产能的 要求。其次，为了保护环境，炉体的废气处理引进了加拿大科迈科公司的蓄能 式废气焚烧系统( r t o ) ，经试产测试完全符合国家环保的各项要求。 武汉理i j 人学硕十学位论文 此外，全线配置了污水处理系统和二氧化碳灭火系统等相应的公用配套系 统，保证了生产线运行的环保性和安全性。 2 1 2 系统工艺控制要求 本文设计的是某汽车公司涂装车间精修线控制系统。精修线属于该汽车公 司涂装车间返修生产线b o 区重要组成部分，对整个涂装车间成品车质量把关起 着至关重要的的作用，设有两条并联的工艺线，最高节拍可达4 0 辆小时，以 此充分保证了全线产能提升的潜力，并在其周围分别设置了3 条大、小修补线 和返修储存区，充分保证了发生意外质量事故时全线的仍畅通无阻。整个工业 流程如图2 2 所示。 艘匕 l= 矧 铝 白 粼：l 嘲_ - 峨奠 - 瑚 _ i 麒m 激 铝臼 躲! l - 峭-嘲啪_ 冀鼬 h 一黝 铀e 厂 激：l 州_ ll _ i 糟 嘲_ 冀 蚺 一_ l l鬣 盼。 娴 西 图脚k图刚吩k 围脚k 图刚 ：- 獭l 删蝴- 削嘲- 哪 脚圉k 籼圉k 鼬目k 触目 ，! i 目刚kk圉脚国籼岭 粼： l u _ m ll嗍一曩蝴i 一薅一嘲 目剁kk。k 国糊 盼 胛 图2 - 2 精修线系统工艺流程图 如图所示，车身可由三路进入精修等待区，进入方式为自动等待和自动进 入，如前方有车，则自动等待，无车则自动前进，按照神龙公司维修及工艺人 员要求，三路可同时进车，并保证无撞车危险。精修等待区车身自动侧移到两 条精修线对应等待滚床上，并可自动同时由两路进入精修线，且保证无撞车危 险。工作人员可手动选者任意一条精修线优先进车，每条线上都有暂停和急停 开关。两条精修线出口设置一台移位输送机，可分别输送两条精修线出口的车 武汉理：r = 人学硕+ 学位论文 身去既定地方。 整个系统的自动化方案基本组成如下： ( 1 ) 生产区域主p l c 采用德国s i e m e n s 公司s 74 0 0 系歹u p l c 细1 。 ( 2 ) 现场总线控制部分采用德国p h o e n i x 公司的i n t e r b u s 总线。 ( 3 ) 监控系统采用的是德国s i e m e n s 公司的w c c 系统。 ( 4 ) 故障警报信息由德国s i e m e n s 公司的0 p 2 7 人机对话界面来显示，其通 过s i e m e n s 公司的p r o f i b u s 总线与p l c 相连。 ( 5 ) 本区域p l c 与其他区域p l c 之间及本区域p l c 与w c c 之间的通信采用 的是工业以太网6 1 。 ( 6 ) 本区域与其他区域现场总线之间还通过总线网关( g a t e w a y ) 互联。 2 2 可编程控制器技术 可编程序控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是由早期继电 器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主 的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序 控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维 护简单。p l c 处在不断发展之中，对它下一个确切的定义是很困难的。为了使其 生产和发展标准化，美国国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 于1 9 5 2 年颁布了可编程序控制器标准草案，1 9 8 5 年提交了第二版， 1 9 8 7 年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种专 门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程 序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术 运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制 系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造 的计算机。它具有丰富的输入输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程 控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需 要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 分布式计算机控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简写为d c s ) ，又 武汉理：1 ：人学硕十学位论文 称集散控制系统，它融计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一 体，采用控制分散和管理集中相结合的原则，可对大规模的生产过程( 涉及几 百上千个参数的数据采集和控制) 进行高可行性的控制和有效的管理。它以多 样化的产品、丰富的软件和硬件配置及机动而完整的功能组合，成为崛起的一 代工业自动化设备，集散控制系统研究开发与应用已基本成熟。 随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展， p l c 在技术和功能上发生了飞跃。在初期逻辑运算的基础上，增加了模拟量和 p i d 调节等功能模块，形成了数值运算、闭环调节。尤其是p l c 把专用的数据高 速公路( h i g h w a y ) 改成通用的网络，并逐步对各p l c 生产厂家之间的通信规约 规范化，使得p l c 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型 的控制系统，也使p l c 系统具备了d c s 的形态，使得p l c 的应用拓展到连续过 程控制领域，基于p l c 的d c s 系统目前在国内外都得到了广泛的应用汹1 。 2 2 1 可编程序控制器的工作原理和分类 当p l c 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段。 ( 1 ) 输入采样检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下 一阶段使用。 ( 2 ) 执行程序然后p l c 按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结 果暂时存储起来。 ( 3 ) 刷新输出按第一阶段的输入状态，在第二阶段执行程序，在本阶 段将确定的结果输出予以刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一定 的扫描速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和控制信号 的输出分别在一个扫描周期的不同时间进行的方式有助于排除系统受到的干 扰。 可编程控制器的设计思想是尽可能地利用当前先进的计算机技术去满足用 户的需要，p l c 与继电器接触器控制电路的一个本质区别就是除了必要的与外部 物理世界的接口( 即i o 点) 外，其它的逻辑功能均在其内部实现。这些逻辑 功能不仅可以取代，而且远远超过诸如中间继电器、时间继电器等硬件逻辑所 武汉理i ：大学硕士学位论文 能达到的功能，从而为p l c 在可靠性和便利性上形成特色奠定了基础。 根据p l c 的功能可分类如下： ( 1 ) 逻辑控制。 ( 2 ) 定时控制。 ( 3 ) 计数控制。 ( 4 ) 步进( 顺序) 控制。 ( 5 ) p i d 控制。 ( 6 ) 数据控制：p l c 具有数据处理能力。 ( 7 ) 通信和联网。 ( 8 ) 其它：p l c 还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如： 定位控制模块，c r t 模块。 2 2 2 可编程序控制器的特点 p l c 的主要特点可概括如下： 1 、高可靠性 ( 1 ) 所有的i o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内 部电路之间电气上隔离。 ( 2 ) 各输入端均采用r - - - c 滤波器，其滤波时间常数一般为l o - - - 2 0 m s 。 ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 ( 4 ) 采用性能优良的开关电源。 ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选。 ( 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件0 生异常情况，c p u 立 即采取有效措施，以防止故障造成的损失扩大嘲1 。 ( 7 ) 大型p l c 还可以采用由双c p u 构成冗余系统或者三个c p u 构成表决系 统，使可靠性更进一步提高。 2 、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i 0 等均采用模块化设 计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自 行组合。 武汉理：j ：大学硕士学位论文 3 、丰富的i o 接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如开关量或模拟量、交流或直流、电压或电 流、脉冲或电位、强电或弱电等，都有相应的i o 模块与工业现场的器件或设 备等直接连接，如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、 控制阀等。 另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组 成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 4 、编程简单易学 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说， 不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5 、安装简单，维修方便 p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现 场的各种设备与p l c 相应的i 0 端相连接即可。各种模块上均有运行和故障指 示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用了模块化结构，一旦系 统中某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 2 2 3 可编程序控制器与其他逻辑控制系统的比较 1 、p l c 与继电器顺序逻辑控制系统的比较 最初研制生产的p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式， 即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常 闭触点)