李光蘭，龐博

（1.天津冶金職業(yè)技術學院，天津 300400； 2.北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191）

1 引言

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對自動化控制技術的要求越來越高，促進了現(xiàn)場總線控制技術在企業(yè)生產中的應用與推廣。目前在多家企業(yè)中采用美國的羅克韋爾公司的工業(yè)控制網(wǎng)絡技術，也有使用日本三菱PLC，OMRON CS1 等系列PLC控制設備，但是都存在各種不足。西門子公司的PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術，為系統(tǒng)提供了一個完整的控制方案。本文就是將西門子公司的PROFIBUS 現(xiàn)場總線工業(yè)控制網(wǎng)絡技術，應用于汽車涂裝車間的流水線，從而在汽車涂裝工藝中實現(xiàn)ProfiBus-DP 現(xiàn)場總線控制。

控制系統(tǒng)以1 個SIEMENS S7-300 PLC 和 7 個S7-200 PLC 機，作為涂裝生產工序的控制核心部分。其中S7-300 為主站，7 個S7-200 作為分站，各站之間采用PROFIBUS-DP 總線數(shù)據(jù)傳輸。主站S7-300 控制器采集各分站數(shù)據(jù)，來協(xié)調各個分站正常運行，為總機站的監(jiān)控程序提供數(shù)據(jù)。其中7 個分站分別完成——將車體輸送到電泳烘干控制單元；密封膠、底漆噴涂烘干控制單元；中涂噴漆烘干控制單元；面漆噴涂烘干和空腔注蠟控制單元；檢測單元；成、廢品分揀及廢品輸送單元；提升入庫單元的控制。輸送系統(tǒng)包括用于將車體輸送至各個工序的鏈條輸送機、滾床、移行機、旋轉裝置、升降機，輸送系統(tǒng)還包括吊掛車體的懸掛積放鏈、用于運送車體的空中滑橇系統(tǒng)、移動車體的地面滑橇系統(tǒng)、升降機、移行機等。系統(tǒng)的供電、啟停等操作通過各站的操作面板進行控制。

2 站間通訊與硬件組態(tài)

系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線來實現(xiàn)信息傳送，符合其協(xié)議的設備有：EM277—S7-200DP通信模塊；具有DP接口的Festo閥島和S7-300 CPU 315-2DP；西門子cp5611 通信卡。本系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP 總線及總線連接器連接到一起，該控制系統(tǒng)的DP 網(wǎng)絡配置結構如圖1 所示。

圖1 一臺S7-300PLC 與7 臺S7-200PLC 聯(lián)網(wǎng)Fig.1 A S7-300PLC and 7 S7-200PLC net work

硬件組態(tài)由S7 CPU315-2DP PLC 、S7 SM323 DI/DO 模塊、S7 PS307 電源模塊、PROFIBUS-DP總線及連接器、三位短柄選擇開關、兩位短柄選擇開關、平頭按鈕、急停按鈕、指示燈、警示器和從站地址、S7-300 主站、S7-200 分站與EM277 通訊地址、變頻器通訊地址、閥島、電磁閥等組成。

3 控制系統(tǒng)分析

3.1 1 號站：電泳烘干單元

電泳烘干控制單元，通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡控制輸送系統(tǒng)，使各個工序之間相互通信。電泳烘干單元輸送系統(tǒng)是整個涂裝生產線中長度最長的，汽車生產輸送線常見的設備有鏈條輸送機、滾床、移行機、旋轉裝置、升降機、自行小車、滑撬等等。

1 號站初始狀態(tài)為靜止，啟動設備，各單元開始工作，傳送系統(tǒng)運行。由自行小車作為輸送載體，當小車運送到電泳單元時，控制設備限位電磁鐵動作擋住小車，禁止通行。此時，光感傳感器檢測到有自行小車到位，送車電機啟動，帶動撥銷輪轉動，使預涂裝的車體下落，這時承載車體的設備是滑撬。當光感傳感器檢測到有滑撬和車體時，送車電機停止，進入電泳烘干控制的操作系統(tǒng)。在電泳烘干單元又有一個子網(wǎng)絡需要PLC 控制一般金屬表面的電泳涂裝，其工藝流程為：預清理→上線→除油→水洗→除銹→水洗→中和→水洗→磷化→水洗→鈍化→電泳涂裝→槽上清洗→超濾水洗→烘干→下線等過程。滑撬和車體浸入泳槽通過直線、旋轉、上下、安需停止、不同速度的切換完成電泳烘干程序。然后，將滑撬和車體送入下一站。在過濾系統(tǒng)中，一般采用一級過濾，過濾器為網(wǎng)袋式結構，孔徑為25～75 μm。電泳涂料通過立式泵輸送到過濾器進行過濾。從綜合更換周期和漆膜質量等因素考慮，孔徑50 μm 的過濾袋最佳，它不但能滿足漆膜的質量要求，而且解決了過濾袋的堵塞問題。電泳涂裝的循環(huán)系統(tǒng)一般將槽液的循環(huán)次數(shù)控制6～8 次/h 較為理想，不但保證漆膜質量，而且確保槽液的穩(wěn)定運行。

目前電泳涂裝采用超濾技術，實現(xiàn)了半封閉循環(huán)清洗，提高了電泳漆的利用率。反滲透技術已在水處理應用方面取得了顯著效果，為了進一步減少電泳涂裝的廢水排放量，提高電泳漆的回收率，可將RO 技術應用于電泳涂裝。

3.2 2 號站：涂封閉膠、噴涂免打磨底漆單元

本站利用平移機輸送車體，傳送系統(tǒng)將平移機及車體送入噴涂室后，在此站由機器人涂封閉膠，然后通過控制電磁閥，對車體進行噴涂免打磨底漆。由機器人負責噴漆后，噴涂室開始物理升溫，并對車體進行烘干。烘干后，噴涂室降溫，當降至常溫時車體送往中涂噴漆烘干單元。在本站中子網(wǎng)絡是機器人的控制系統(tǒng)。

3.3 3 號站：中涂噴漆烘干單元

本站啟動，該單元滑撬平面鏈條輸送系統(tǒng)開始運行。當滑撬及車體運動到位，控制設備限位氣缸禁止通行，此時，光感傳感器檢測到有滑撬和車體，根據(jù)系統(tǒng)要求延時2～3 s，機器人的噴射電磁閥通電，為車體噴漆。噴涂完畢，室內物理升溫，溫度傳感器是采用熱敏電阻檢測并由儀表加以顯示，當溫度升至35 ℃時，通過PID 進行溫度控制，到規(guī)定時間停止加熱，烘干完畢。啟動物理降溫系統(tǒng)，當室溫降至32 ℃時停止降溫，控制設備限位氣缸電磁閥通電，允許滑撬和車體通行，2 s 后限位氣缸電磁閥斷電，工作結束。

3.4 4 號站：面漆噴涂烘干單元

本站啟動，各單元的滑撬和車體開始轉動，輸送機構將滑撬及車體送入4 號站噴涂室，控制設備限位氣缸阻止其通行，該單元開始一個新的工作周期。其控制過程與中涂噴漆烘干單元相同。噴涂操作也是由機器人控制系統(tǒng)進行。最后進行空腔注蠟，就是在車體底部4 個空腔中打入一定量的液態(tài)蠟，經過特定工藝流程使留在車體空腔內部的蠟形成均勻的保護蠟膜，令水滴無隙可入，保證了整車良好的防腐性能。噴涂完畢，進行烘干，烘干后，噴涂室物理降溫，降至常溫滑撬及車體送往檢測單元。

3.5 5 號站：質量檢測單元

本站啟動，各單元的輸送系統(tǒng)運動，當車體輸送到位，控制設備限位電磁鐵阻止其放行，在此站中經過六項檢測和顏色鑒別。質量檢測包括：涂層光澤、涂層抗沖擊強度、涂層柔韌性、涂層附著力、涂層硬度和涂層厚度等物理機械性能。

1）涂層光澤：在涂裝施工現(xiàn)場，涂層光澤是一個經常要檢測的項目，可以用便攜式光澤儀進行檢測。為了提高測量的靈敏度，對于不同的光澤度范圍，應該選用不同角度的光澤儀進行測量。

2）涂層抗沖擊強度：沖擊強度是測試涂層在高速負荷作用下的變形程度。樣板受沖擊部分距邊緣距離應不少于15mm，測定涂層沖擊強度時，每個樣板上各沖擊點的邊緣距離亦不得少于15mm。

3）涂層柔韌性：汽車在涂裝后，要經常受到使其變形的外力影響，導致涂層某些綜合性能的反映，如抗拉強度、抗張強度、涂層與基底的附著力的柔韌性測定。

4）涂層附著力：一是檢測涂層與被涂物表面的結合力；二是檢測涂裝施工質量，尤其是表面處理的質量。

5）涂層硬度：主要檢測涂層機械強度，涂層被另一種更硬的物體穿入時所表現(xiàn)的阻力。

6）涂層厚度：要求控制汽車涂層的厚度要適當。

此外，檢測單元還對該位置處的車體進行顏色檢測。檢測后，再將車體由鏈條傳送輸送到成、廢品分揀單元。

3.6 6 號站：成、廢品分揀及廢品輸送單元

該單元通過檢測的信息將車體分為成品及廢品，若為成品，則升降機、旋轉機將車體旋轉90°后送入提升入庫單元；若為廢品，則升降機將車體放到廢品輸送單元進行剔除。

3.7 7 號站：提升入庫單元

將正品車體根據(jù)顏色的不同，分別將其放置到倉庫規(guī)定單元的不同層中。

4 現(xiàn)場總線技術與傳統(tǒng)的DSC 系統(tǒng)相比較優(yōu)勢

1)通訊信號精確，數(shù)據(jù)傳遞時不會產生錯誤， 誤差小；

2)強調遵守相關標準，打破了大型企業(yè)壟斷的格局，達到公開公正；

3)不同廠家遵守相同標準，設備可相互連接構成一個系統(tǒng)，可互操作互使用；

4)由于現(xiàn)場設備的智能化，使得現(xiàn)場具有功能自治性；

5)具有應用廣泛、操作安全可靠、靈活性強；

6)可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調節(jié)器、計算單元等，與DSC 系統(tǒng)相比節(jié)省了大量資金。

5 結論

西門子公司的PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術，與羅克韋爾網(wǎng)絡技術相比價格相對較低，質量好經久耐用，羅克韋爾自動化主要是生產流程控制，西門子更全面，系統(tǒng)性強，控制系統(tǒng)可以做的很大。而與三菱、歐姆龍比較，從系統(tǒng)的規(guī)模上來說，西門子適用于大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)，三菱、歐姆龍適用于中小系統(tǒng)。西門子PLC 用于大型工控自動化中數(shù)據(jù)處理，比三菱、歐姆龍性能好。西門子一直主張使用結構化編程，就是一臺設備的程序由若干個子程序組成，每個子程序負責一個功能，需要的時候再通過主程序調用，這樣有很多好處，比如查找故障，調試等都非常方便，而三菱、歐姆龍調試起來很麻煩，所以在汽車涂裝工藝中選用西門子控制設備其優(yōu)勢最明顯。

采用西門子公司的PROFIBUS 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡技術，為生產車間涂裝控制系統(tǒng)提供了一個完整的解決方案。本文只是針對外圍控制網(wǎng)絡進行介紹，對于每一單元中的子網(wǎng)絡還有更精細縝密的設計方案。總之，汽車行業(yè)的騰飛離不開自動化技術的更新?lián)Q代，只有科學技術發(fā)展才有汽車生產的輝煌。

[1]何耀華.汽車制造工藝［M］.北京：機械工業(yè)出版社2012.

[2]蔡廣新.汽車機械基礎［M］.北京：中國人民大學出版社2010.

[3]吳興敏.汽車涂裝技術［M］.北京：人民郵電出版社2009.

[4]趙桂范，楊娜.汽車制造工藝［M］.北京：北京大學出版社2008.

[5]歐玉春.汽車涂料涂裝技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社2010.

[6]靳哲.可編程序控制器原理及應用［M］.北京：北京師范大學出版社，2008.