噴漆系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)應(yīng)用

胡鑫淼，馮承華，儲利武

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加劇了市場競爭激烈程度，汽車行業(yè)對于產(chǎn)品外觀、功能性和裝飾性等提出了更高的要求。所以，如何通過表面處理工藝的運(yùn)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量為企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn)。噴漆系統(tǒng)運(yùn)行，運(yùn)用自動控制技術(shù)，能夠滿足涂裝自動化生產(chǎn)需求。因此，研究噴漆系統(tǒng)的電控自動化設(shè)計(jì)思路十分必要。

1 噴漆系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)要點(diǎn)

噴漆系統(tǒng)的電控設(shè)計(jì)主要是根據(jù)涂裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)自動化控制系統(tǒng)，達(dá)到噴涂自動化管理目標(biāo)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段要考慮如下幾個方面的內(nèi)容：第一，電控系統(tǒng)工藝動作，明確各用電設(shè)備動作順序，了解設(shè)備運(yùn)行條件、運(yùn)行及停止時間，基于以上要求展開設(shè)計(jì)。第二，安全控制設(shè)計(jì)，將噴漆系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行條件考慮在其中，針對特殊部位，如耐高溫、防水和防爆等位置可以設(shè)置高溫報(bào)警、高壓報(bào)警、氣體超限報(bào)警等裝置。第三，電氣控制設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)電氣控制的設(shè)計(jì)方面，要按照噴漆工藝流程和自動控制需求，選擇手動、自動、分散、遠(yuǎn)程、就近、集中等控制方式。第四，信息顯示設(shè)計(jì)，在信息顯示的設(shè)計(jì)過程，要考慮設(shè)備狀態(tài)顯示需求，生產(chǎn)過程故障和報(bào)警設(shè)備顯示需求，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工藝參數(shù)，保證噴漆系統(tǒng)管理過程負(fù)載電流、供電電壓、室體溫度、室體壓力、生產(chǎn)保護(hù)等信息參數(shù)可以順利顯示出來。第五，消防設(shè)備設(shè)計(jì)，考慮火災(zāi)報(bào)警、自動滅火等控制裝置，選擇消防設(shè)備。第六，設(shè)備連鎖設(shè)計(jì)，在設(shè)備和機(jī)械化系統(tǒng)運(yùn)行階段，應(yīng)該考慮連鎖設(shè)計(jì)，噴漆設(shè)備控制階段，要保證報(bào)警信號、正常信號能夠向輸送系統(tǒng)當(dāng)中傳遞，同樣，輸送系統(tǒng)也可以向噴漆系統(tǒng)傳遞故障信號，對噴漆系統(tǒng)的設(shè)備采取連鎖控制。第七，控制柜的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)控制柜設(shè)計(jì)過程中，要考慮內(nèi)部元件設(shè)置、現(xiàn)場安裝、柜體大小、元器件冷卻等需求，綜合設(shè)計(jì)控制方案。

2 噴漆電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

2.1 電控系統(tǒng)概述

某企業(yè)輪拖涂裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力每年可達(dá)到8萬臺，生產(chǎn)設(shè)備分布相對分散，對設(shè)備管理要求相對較高。生產(chǎn)線設(shè)備要運(yùn)行可靠，開動率高，對自控系統(tǒng)的智能化要求也相對較高。對此，電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇現(xiàn)場設(shè)備總線網(wǎng)絡(luò)（PROFIBUS-DP）作為控制系統(tǒng)，控制模式選擇集中控制和分散控制結(jié)合方式進(jìn)行，選擇西門子品牌人機(jī)界面、PLC、控制模塊等收集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，在中央監(jiān)控室完成數(shù)據(jù)記錄。中控系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)之間建立PROFINET 進(jìn)行連接，借助中央控制顯示整線的運(yùn)行情況[1]?？偪厥矣?jì)算機(jī)與參觀通道液晶顯示器相連，能夠直觀呈現(xiàn)噴涂作業(yè)過程，便于管理者了解整個生產(chǎn)線設(shè)備的具體運(yùn)行情況。

2.2 系統(tǒng)控制特點(diǎn)分析

本噴漆系統(tǒng)自控設(shè)計(jì)遵循“集中管理”和“分散控制”等原則，嚴(yán)格按照現(xiàn)場設(shè)備的分布情況，設(shè)置控制箱3 組，負(fù)責(zé)就近控制所有設(shè)備。控制方法的選擇方面，利用手動控制、自動控制等功能，其中，手動控制方式的運(yùn)用可以啟停單臺設(shè)備，對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試，而自動功能的應(yīng)用，可以根據(jù)工藝順序完成設(shè)備啟動、停止控制。自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，將觸摸屏安裝在控制面板上方，通過屏幕顯示與控制功能，完成各類手動操作控制，將操作面板設(shè)計(jì)簡化，利用操作按鈕即可下單運(yùn)行命令，同時，利用觸摸屏還能隨時查看報(bào)警信息，使得電控系統(tǒng)的報(bào)警和指示功能日益完善。電控系統(tǒng)的應(yīng)用還能實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)的監(jiān)控和設(shè)備控制等多種功能?？刂泼姘迳戏娇梢园惭b人機(jī)界面一臺，尺寸為12 英寸，界面具備手動調(diào)試按鍵，能夠?qū)⒃O(shè)備狀態(tài)顯示出來，還擁有故障提示功能。電箱上設(shè)置三個顏色指示燈，其中紅色燈代表“報(bào)警信號”，黃色燈代表“待機(jī)狀態(tài)”，綠色燈代表“正在運(yùn)行”。除此之外，面板上還安裝了報(bào)警蜂鳴器。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：第一，溫控功能，將溫度傳感器設(shè)置在噴漆室、出風(fēng)管道等位置上，利用溫度儀表呈現(xiàn)溫度信息，控制室內(nèi)部溫度可借助蒸汽比例電磁閥進(jìn)行控制，以達(dá)到生產(chǎn)工藝要求，將溫度信號向PLC 當(dāng)中輸送，有利于中控室監(jiān)控工作進(jìn)行。第二，濕度控制功能，將濕度傳感器、蒸汽加濕器等設(shè)置在空調(diào)的送風(fēng)機(jī)組，對噴漆操作室濕度進(jìn)行檢測，并對加濕器的送風(fēng)濕度進(jìn)行自動調(diào)整，保證噴漆室內(nèi)部的濕度控制在40%～75%之間。第三，風(fēng)機(jī)和水泵的控制，噴漆室當(dāng)中安裝排風(fēng)電機(jī)、空調(diào)機(jī)組以及循環(huán)水泵等設(shè)備，安裝變頻器對設(shè)備采取變頻控制，既能節(jié)約能源，又能夠根據(jù)噴漆需求對于噴漆室當(dāng)中的送風(fēng)量和排風(fēng)量等進(jìn)行控制。當(dāng)噴漆室內(nèi)無工件的時候，空調(diào)風(fēng)機(jī)以節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行。第四，壓力檢測功能，在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，可以將報(bào)警裝置設(shè)置在送風(fēng)管道、噴漆室等位置，利用PLC 接入信號，控制壓差開關(guān)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)過濾器出現(xiàn)堵塞情況，壓力差也隨之增加，系統(tǒng)即可自動發(fā)出報(bào)警信號，由工作人員對過濾器進(jìn)行及時更換或者清理[2-3]。

2.4 控制面板布局與操作

電控柜的面板擁有噴漆室溫度、濕度、送風(fēng)溫度、排風(fēng)溫度等顯示功能，電控面板控制按鈕包括電源指示、自動指示、手動指示、備用、報(bào)警消音、電源開關(guān)、手動/自動選擇、自動啟動、自動停止、加熱開關(guān)、緊急停止等按鍵。依托該控制面板，可根據(jù)噴漆室生產(chǎn)需求，對室內(nèi)溫度與濕度進(jìn)行設(shè)定和監(jiān)測，讓管理者及時了解到噴漆室內(nèi)部的送風(fēng)和排風(fēng)溫度。利用觸摸屏，實(shí)時監(jiān)測噴漆室當(dāng)中風(fēng)機(jī)和水泵等設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，一旦溫度或者濕度超出限制，系統(tǒng)就會自動發(fā)出警報(bào)，并對過濾網(wǎng)存在的壓力差進(jìn)行報(bào)警。

在控制按鍵使用過程當(dāng)中，開關(guān)電源主要負(fù)責(zé)對整個控制面板的控制按鍵打開與關(guān)閉控制，在控制過程中，控制人員只需要對開關(guān)電源進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，電源指示燈即可變亮，能夠?qū)芈吠姞顟B(tài)進(jìn)行控制。將電源開關(guān)的按鈕回?fù)?，此時電源的指示燈處于熄滅狀態(tài)，控制回路也會斷電?？刂泼姘宓氖謩有o、自動旋鈕可以作為工作方式選擇控制功能，在系統(tǒng)應(yīng)用階段，打開手動開關(guān)，允許設(shè)備通過手動方式啟動或者停止運(yùn)行，將自控開關(guān)打開，設(shè)備按照系統(tǒng)所設(shè)定的程序進(jìn)行依次啟動或者停止運(yùn)行，此時觸摸屏上方手動操作這一功能就會失效。

而“自動啟動”和“自動停止”等按鈕可以作為噴漆室的設(shè)備處于停止和運(yùn)行的狀態(tài)下控制按鈕。將“自動啟動”按鍵按下之后，所有的生產(chǎn)設(shè)備可以根據(jù)噴漆工藝生產(chǎn)要求按照一定順序進(jìn)行自動啟動。若將“自動停止”按鈕按下，噴漆設(shè)備則可按照設(shè)定程序自動停止運(yùn)行?？刂泼姘逯械摹凹訜衢_關(guān)”可以作為送風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)選擇按鈕，若噴漆室內(nèi)溫度高，則無須空調(diào)送風(fēng)機(jī)，此時可以將其置于“關(guān)”位置，如果噴漆室內(nèi)溫度低，則需要空調(diào)送風(fēng)機(jī)工作，此時可以將加熱開關(guān)置于“開”位置。如果噴漆系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，利用“報(bào)警消音”這一按鈕就能發(fā)出聲音報(bào)警，提示操作人員及時處理，待故障重新恢復(fù)以后，可以將按鈕按下，將聲音報(bào)警停止。利用“緊急停止”按鈕作為設(shè)備處于緊急狀態(tài)下的控制按鈕。如果噴漆設(shè)備在運(yùn)行時出現(xiàn)了緊急情況，管理人員可以按下“緊急停止”按鈕，此時，噴漆室內(nèi)部設(shè)備可以完全停止運(yùn)行，緊急停止指示燈隨之亮起。利用自控系統(tǒng)的電控柜面板，滿足自控系統(tǒng)的控制和操作需求。

2.5 中央控制室設(shè)計(jì)

在中控室的設(shè)置方面，選擇集中控制方案，將其設(shè)定于上位機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)選擇工控機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備監(jiān)控、狀態(tài)顯示、報(bào)表打印以及數(shù)據(jù)報(bào)警等多種功能，使用工業(yè)以太網(wǎng)連接上位機(jī)，使其和PLC 端口連接，主站PLC 與Ethernet 之間可以建立起通信鏈接，隨時接受來源于主站PLC 數(shù)據(jù)。中控室設(shè)計(jì)過程中，功能和配置如下：第一，監(jiān)控功能，選擇西門子系列WINCC6.2 作為監(jiān)控組態(tài)軟件，將工控機(jī)開啟以后，再將WINCC 軟件打開，進(jìn)入原始畫面，隨后點(diǎn)擊“進(jìn)入”按鈕，即可進(jìn)入整體監(jiān)控畫面，同樣，點(diǎn)擊“退出”按鈕，就能將WINCC 運(yùn)行停止。第二，顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在設(shè)備當(dāng)中各用電裝置、控制系統(tǒng)當(dāng)中的元器件無論是處于運(yùn)行狀態(tài)，還是處于停止?fàn)顟B(tài)都會顯示出來。比如：如果噴漆室的風(fēng)機(jī)處于手動工作模式或者自動工作模式的時候，其運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、緊停狀態(tài)信息會全部顯示出來；在噴漆室內(nèi)工作壓力、室內(nèi)溫度等參數(shù)也會直觀呈現(xiàn)，借助壓力和溫度等變化，主管顯示設(shè)備運(yùn)行曲線圖。第三，顯示設(shè)備的故障狀態(tài)，在生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程當(dāng)中，用電裝置、控制系統(tǒng)當(dāng)中各元器件故障的狀態(tài)信息可以隨時顯示。比如：在噴漆室當(dāng)中，重要的用電設(shè)備有排風(fēng)設(shè)備、送風(fēng)設(shè)備、蒸汽調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵和PLC 等，以上設(shè)備和裝置故障狀態(tài)可以在自控系統(tǒng)應(yīng)用階段隨時顯示。當(dāng)噴氣室內(nèi)部溫度參數(shù)、壓力參數(shù)、濕度參數(shù)以及循環(huán)水池的液位信息一旦超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)即可發(fā)出越限報(bào)警。第四，參數(shù)修改與設(shè)備控制，自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，利用上位機(jī)組態(tài)軟件和PLC 編程軟件即可完成控制程序編制，還能對程序加以修改，保證設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可控，針對超限參數(shù)進(jìn)行完善和修改[4]。

2.6 PLC 控制器設(shè)計(jì)和應(yīng)用

在噴漆室的控制系統(tǒng)，可選擇PLC 控制器展開集中控制，本研究使用型號CPU315-2PN/DP 西門子品牌PLC控制器，存在PN 和DP 兩個接口，接口利用PROFINET連接，并利用以太網(wǎng)輔助通信，在DP 總線的應(yīng)用之下，滿足不同子系統(tǒng)、設(shè)備直接傳遞信息參數(shù)和通信信息的需求。選擇主CPU、通信模塊、輸入輸出模塊、模擬量模塊等共同組成自控系統(tǒng)的硬件設(shè)備，其中通信模塊選擇型號IM151 的西門子設(shè)備，輸入和輸出模塊同樣選擇該品牌SM323 型號設(shè)備，模擬量模塊選擇型號SM343 模塊，完成信息輸入與輸出。PLC 編程選擇STEP7 軟件，該軟件是運(yùn)用梯形的邏輯語言編程，能夠根據(jù)噴漆現(xiàn)場工藝流程、設(shè)備動作順序等編寫程序，在程序編寫結(jié)束以后，對于現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，輔助生產(chǎn)過程順利進(jìn)行，確認(rèn)最終程序。

同時，PLC 的應(yīng)用賦予系統(tǒng)靜電噴涂的控制功能。噴涂主電路設(shè)計(jì)包含三個部分：一是三相四線電路；二是繼電器；三是變頻器的驅(qū)動電機(jī)，利用中頻器來驅(qū)動電機(jī)，對噴涂傳送帶進(jìn)行控制，主傳送帶、噴槍等控制由其他電機(jī)完成。在噴涂系統(tǒng)的啟停電路設(shè)計(jì)方面，電路組成部分包括路由開關(guān)、指示燈，選擇手動、自動等控制模式，一旦某一開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生改變的時候，指示燈也隨之轉(zhuǎn)換狀態(tài)。處于手動控制模式之下，指示燈亮起，噴涂操作員可通過手工噴涂方式完成工藝流程。自動模式開啟以后，噴涂機(jī)械設(shè)備則按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程展開噴涂作業(yè)，全程無需手動介入。在設(shè)計(jì)工件固定檢測的控制電路之時，選擇電磁閥、限位開關(guān)等共同組成電路，用以判斷噴漆工藝流程電磁閥動作狀態(tài)，利用電磁閥對氣缸固定工件情況進(jìn)行控制。限位開關(guān)用于檢測定位氣缸，限位開關(guān)可在氣缸兩側(cè)安裝，作為氣缸狀態(tài)的監(jiān)測裝置。在舉升氣缸兩側(cè)分別設(shè)置限位開關(guān)，檢測舉升氣缸狀態(tài)，所有氣缸利用雙向電磁閥進(jìn)行控制。

噴涂控制電路主要負(fù)責(zé)起停噴槍控制，依托PLC打造靜電噴涂控制管理系統(tǒng)，噴槍啟動要經(jīng)過兩個過程：一是將噴涂控制閥打開；二是將涂料的輸送電機(jī)啟動，工件噴涂準(zhǔn)備就緒以后，PLC 即可啟動和控制噴槍。利用驅(qū)動氣缸對于噴涂控制閥的開關(guān)和斷開進(jìn)行控制，限位開關(guān)主要負(fù)責(zé)對氣缸工作狀態(tài)的檢測。在電磁閥的控制下，噴涂氣缸處于伸縮狀態(tài)的時候，限位開關(guān)則會實(shí)時傳送氣缸檢測信息，PLC 接收信息，待噴槍到達(dá)對應(yīng)噴涂位置以后，在PLC 的控制之下，噴涂閥門隨之開啟，噴涂電機(jī)啟動，噴槍就能將噴涂涂料噴向工件表面，涂料經(jīng)過電機(jī)傳送，噴涂工藝流程結(jié)束以后，PLC 會先將噴涂電機(jī)關(guān)閉，噴槍歸位至原始位置，重新將噴涂控制閥關(guān)斷。噴槍上方存在指示燈，便于管理者對其狀態(tài)進(jìn)行觀察。將PLC 應(yīng)用于靜電噴涂自控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用傳感器采集信息，經(jīng)過IO 向PLC 內(nèi)部輸送，展開數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果，判斷噴涂條件是否達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)噴漆系統(tǒng)電控功能[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，在涂裝生產(chǎn)線的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要考慮工藝動作、控制方式、安全控制、設(shè)備連鎖等方面的問題，結(jié)合車輛生產(chǎn)線涂裝需求，分析控制系統(tǒng)的應(yīng)用特征，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，應(yīng)用系統(tǒng)輔助生產(chǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，還可以引入PLC 控制技術(shù)，設(shè)置靜電噴涂系統(tǒng)，節(jié)約涂料，提高噴涂效率，優(yōu)化噴涂質(zhì)量。將噴涂系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)過程當(dāng)中，為涂裝工藝的自動化發(fā)展提供支持。