西门子SIMATIC控制技术在轿车涂装线高速旋杯自动静电喷涂机系统的开发应用

张鹤 西门子工厂自动化工程有限公司
陈烨 汤进 上海大众汽车有限公司
摘要:面对快速发展的中国轿车工业，国内轿车制造设备工业的发展明显不足，针对轿车涂装流水线核心制造技术之一的高速旋杯自动静电喷涂机（ESTA）的技术明显落后于国际同行水平。本文作者通过采用目前先进的西门子SIMATIC有关计算机控制、网络和信息处理技术，成功开发了ESTA监控系统并在现场投入使用，投入少、工期短，性价比高。从2004年安装在现场运行至今，系统稳定、可靠。同时厂家也拥有了自主知识产权。
关键字: PLC Profibus WinCC 静电喷涂
一.高速旋杯自动静电喷涂机（ESTA）系统应用现状
近十五年，中国汽车工业迅速发展，自1992年汽车产量突破一百万辆之后，一直保持着较高的增长速度，并重点发展轿车生产，大规模引进国际先进技术，兴建了包括上海大众在内的一批现代化轿车生产基地。2005年轿车产量达到295.8万辆。中国汽车工业中以涂装技术为主的表面工程技术已接近或达到当前国际先进水平。需特别指出的是，中涂和面漆的涂装是车身涂装中最为重要的环节，它将直接影响汽车的装饰性、耐候性和外观，其涂料品种和涂装技术也是汽车涂装工艺中发展最快的，历来受汽车厂家的重视。中涂和面漆涂装普遍采用高速旋杯自动静电喷涂机（ESTA），以提高漆膜外观质量和油漆利用率。自1994年上海大众引进第一条采用高速旋杯自动静电喷涂机生产线以来，目前一汽大众、上海通用、东风神龙、广州本田、北京现代等公司都采用了高速旋杯自动静电喷涂机，据不完全统计，目前共有60多套高速旋杯自动静电喷涂机服役于汽车涂装线。
目前国内轿车涂装线高速旋杯式自动静电喷涂机成套设备技术主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大气社等国际知名设备提供商提供。从1994年国内从美国ABB引进第一套高速旋杯式自动静电喷涂机使用至今也已12年，系统采用的是80年代末技术，特别是系统监控用硬件及软件，随着电气设备的老化，无论从使用寿命、维修费用、备件供应等方面都对使用厂家无疑是新的挑战。今后一段时期内，国内较早引进ESTA生产线的厂家都将面临这些问题。如采用全新投入，一方面投资费用高，另一方面更新改造周期长，都是不能接受的。因此，我们采用西门子SIMATIC先进的控制技术,对静电喷涂机的控制系统、网络系统和人机界面监控系统进行更新改造。这样投入少、工期短，性价比高。
二.高速旋杯自动静电喷涂机控制系统原理与网络结构
高速旋杯式自动静电喷涂机，其工作原理是将油漆通过在高速(最高每分钟6万转)下转动的旋杯，使其得到充分的雾化，并在高压(直流10万伏)静电场的作用下，使带电荷的油漆微粒被均匀地吸附到工件表面，形成光亮、平滑牢固的漆面。高速旋杯式自动静电喷涂机主要包括：自动喷涂设备中的核心部件高速旋杯雾化单元、高压单元、换色单元、成形空气单元、仿型运动单元、流量单元、保护单元及其相应的自动控制与管理单元。我们以西门子PLC为基础的控制系统，根据静电喷涂原理，有机地控制各个单元动作，形成自动的静电喷涂工艺过程。
ESTA的网络系统一般可分为2层，即设备控制层和监控管理层。以下两种实现方案：
1、设备控制层--现场总线
设备控制层由主控制PLC（如西门子S5、S7系列）、操作控制台、所有控制单元（如雾化、高压、换色、成形空气、仿型运动、流量）及其现场执行器件、传感器件（如电磁阀、气动单元、光电传感器、流量计等）组成，并通过现场总线Profibus使之组成有机的设备控制层。所有分布式I/O产品都按一定的控制范围安装于分布式I/O控制箱内，尽可能减少硬件布线及故障点，提高整个系统的稳定性，同时也方便了今后系统的维护。
2、监控管理层现--工业以太网
监控管理层采用工业以太网的方式实现，连接着主控制PLC与上层HMI设备，编程设备以及相关设备。工业以太网卡在PLC上为CP1430接口模板, HMI设备上为CP1613接口模板。WinCC工业组态软件通过工业以太网与主控PLC交换数据。工业以太网在自动化行业中的应用是工厂自动化技术与IT技术、互连Internet技术结合的产物，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。本方案中采用工业以太网充分考虑到了其具有的协议通用性、数据传输速率高等特点以及开发应用程序周期短优点。采用工业以太网方式实现的监控管理层主要由主控制PLC、HMI及其编程设备组成，通过TCP/IP方式实现与监控计算机进行数据交换。同时可更方便地向上组成工厂生产控制系统（FIS），顺应了当前汽车行业订单制造的发展趋势。
三.ESTA监控系统的自主开发与应用
各家设备供应商为了各自的专利技术与技术保密，监控系统都采用各自开发的人机界面软件或SCADA系统。如早期的ABB直接用C语言开发DOS环境下的界面软件，DUERR的ECO RC2 (Keba)系统。本文作者通过现场使用，结合在轿车涂装行业应用的特殊性，应用目前较流行的人机界面组态软件自主开发，如：InTouch、WinCC、组态王等，实现HMI监控功能。本次就采用了西门子WinCC工业组态软件，根据我们对ESTA生产线的工艺和设备多年使用经验和理解，成功开发了ESTA监控系统，并顺利地投入在生产中使用，至今一直稳定运行。同时通过项目开发，我们厂家也拥有了有关ESTA方面自主知识产权。
1.监控系统的硬件及软件配置
系统硬件主要由西门子面板式IPC PC 670（500 MHz Intel Pentium CPU、15"TFT显示器、薄膜键盘、集成鼠标）、PLC（S5-155U 948）和工业现场总线Profibus（CP1430、CP1613、IM308/318）三大部分组成。
系统软件主要由操作系统Microsoft Windows 2000 Professional、SIMATIC WinCC V 5.1工业组态软件、Step 5编程软件及COM5431通讯设置软件组成。
2.监控系统网络拓扑结构
监控系统采用Profibus－DP和工业以太网方案。见图1。

图1 ESTA控制系统网络结构
(Profibus－DP和工业以太网方案方案)
3.监控系统的主要功能
n 工艺及设备参数的管理
不同车型，不同颜色，喷涂工艺参数也不同。为适应不同车型的混线生产，系统根据多年生产经验，已经建立了喷涂工艺数据库。系统能够进行所有工艺参数数据库的维护与管理,如图2。可以在线或离线进行工艺参数的局部或全部修改，如转速、流量、成形空气、高压值、触发位置等，并自动记录所有参数修改记录，保证所有的产品工艺参数的可追溯性。如图3。

图2工艺及设备参数的管理

图3 工艺参数调整
n 生产信息的管理及设备监控功能
位于现场工控机能够对在线生产的所有产品及设备运行状况进行监控。通过该系统可以显示目前所有在制品状况以及在制品的目前位置，统计目前的产量。
能够监控目前9个高速旋杯的所有参数设置以及现场实际参数（如转速、流量、成形空气、高压值、位置等），如图4。

图4 生产及设备状态监控
各种生产及设备信息的定义与设置，如车型定义、颜色定义、过电流上限、运动控制参数、手动速度等进行预先定义或设置。如图5。能够任意的进行每个节拍后的ESTA换色程序及步骤编程。如图5。

图5 生产设备信息定义与设置

图6 喷杯换色步骤调整
n 系统自诊断、报警系统
系统有故障报警及自诊断功能。当设备在运行时，无论手动或自动控制模式，设备出现故障时，系统将显示故障报警并提示故障产生的可能原因。操作者可对报警进行应答及排除故障后复位，并通过颜色区分哪些报警已做了复位，哪些报警只是做了应答，并形成故障报警及修复记录。如图7。系统还具备了手动自诊断功能，如图8。

图7 报警文本信息

图8 手动自诊断功能
n 用户管理
根据管理人员操作人员的权限可以通过预先对用户设置定义并管理。所有的操作者可以浏览目前使用的工艺参数、生产及设备状态，但不可以进行修改。除非他被赋予足够的权限，通过输入个人密码确认后，才能进行相应权限的修改。所有的修改也将形成历史修改记录，以备追溯。

四.结论
我们应用SIEMENS PLC技术、Profibus现场工业总线技术和WinCC工业组态软件的SCADA技术，成功开发了该监控系统，从2004年安装在现场运行至今，系统稳定、可靠。该系统投资少、工期短，性价比高，已带来了一定的经济效益。该系统采用是目前比较先进计算机控制、网络和信息处理技术，在汽车涂装行业中具有一定的先进性和代表性，具有推广的价值。
参考文献：
1. 西门子公司 SIMATIC HMI WinCC 使用操作手册 V5.0 2001
2. 西门子公司 SIMATIC NET PROFIBUS 使用操作手册 2001
3. 张鹤等 汽车油漆车间中控室中央控制系统 汽车制造业 2003.2
4. 杨宪惠主编 现场总线技术及其应用 清华大学出版社1999
5. 王锡春编著 汽车涂装工艺技术 化学工业出版社 2005