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西門子SIMATIC轎車涂裝線自動靜電噴涂機系統的開發與應用
信息來源：西門子備件中心 發布時間：2018-01-30 09:29:03 點擊次數：0
西門子SIMATIC控制技術在轎車涂裝線高速旋杯自動靜電噴涂機系統的開發與應用
張鶴 西門子工廠自動化工程有限公司
陳燁 湯進 上海大眾汽車有限公司
摘要:面對快速發展的中國轎車工業，國內轎車制造設備工業的發展明顯不足，針對轎車涂裝流水線核心制造技術之一的高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）的技術明顯落后于國際同行水平。本文作者通過采用目前先進的西門子SIMATIC有關計算機控制、網絡和信息處理技術，成功開發了ESTA監控系統并在現場投入使用，投入少、工期短，性價比高。從2004年安裝在現場運行至今，系統穩定、可靠。同時廠家也擁有了自主知識產權。
關鍵字: PLC Profibus WinCC 靜電噴涂
一.高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）系統應用現狀
近十五年，中國汽車工業迅速發展，自1992年汽車產量突破一百萬輛之后，一直保持著較高的增長速度，并重點發展轎車生產，大規模引進國際先進技術，興建了包括上海大眾在內的一批現代化轎車生產基地。2005年轎車產量達到295.8萬輛。中國汽車工業中以涂裝技術為主的表面工程技術已接近或達到當前國際先進水平。需特別指出的是，中涂和面漆的涂裝是車身涂裝中最為重要的環節，它將直接影響汽車的裝飾性、耐候性和外觀，其涂料品種和涂裝技術也是汽車涂裝工藝中發展最快的，歷來受汽車廠家的重視。中涂和面漆涂裝普遍采用高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA），以提高漆膜外觀質量和油漆利用率。自1994年上海大眾引進第一條采用高速旋杯自動靜電噴涂機生產線以來，目前一汽大眾、上海通用、東風神龍、廣州本田、北京現代等公司都采用了高速旋杯自動靜電噴涂機，據不完全統計，目前共有60多套高速旋杯自動靜電噴涂機服役于汽車涂裝線。
目前國內轎車涂裝線高速旋杯式自動靜電噴涂機成套設備技術主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大氣社等國際知名設備提供商提供。從1994年國內從美國ABB引進第一套高速旋杯式自動靜電噴涂機使用至今也已12年，系統采用的是80年代末技術，特別是系統監控用硬件及軟件，隨著電氣設備的老化，無論從使用壽命、維修費用、備件供應等方面都對使用廠家無疑是新的挑戰。今后一段時期內，國內較早引進ESTA生產線的廠家都將面臨這些問題。如采用全新投入，一方面投資費用高，另一方面更新改造周期長，都是不能接受的。因此，我們采用西門子SIMATIC先進的控制技術,對靜電噴涂機的控制系統、網絡系統和人機界面監控系統進行更新改造。這樣投入少、工期短，性價比高。
二.高速旋杯自動靜電噴涂機控制系統原理與網絡結構
高速旋杯式自動靜電噴涂機，其工作原理是將油漆通過在高速(最高每分鐘6萬轉)下轉動的旋杯，使其得到充分的霧化，并在高壓(直流10萬伏)靜電場的作用下，使帶電荷的油漆微粒被均勻地吸附到工件表面，形成光亮、平滑牢固的漆面。高速旋杯式自動靜電噴涂機主要包括：自動噴涂設備中的核心部件高速旋杯霧化單元、高壓單元、換色單元、成形空氣單元、仿型運動單元、流量單元、保護單元及其相應的自動控制與管理單元。我們以西門子PLC為基礎的控制系統，根據靜電噴涂原理，有機地控制各個單元動作，形成自動的靜電噴涂工藝過程。
ESTA的網絡系統一般可分為2層，即設備控制層和監控管理層。以下兩種實現方案：
1、設備控制層--現場總線
設備控制層由主控制PLC（如西門子S5、S7系列）、操作控制臺、所有控制單元（如霧化、高壓、換色、成形空氣、仿型運動、流量）及其現場執行器件、傳感器件（如電磁閥、氣動單元、光電傳感器、流量計等）組成，并通過現場總線Profibus使之組成有機的設備控制層。所有分布式I/O產品都按一定的控制范圍安裝于分布式I/O控制箱內，盡可能減少硬件布線及故障點，提高整個系統的穩定性，同時也方便了今后系統的維護。
2、監控管理層現--工業以太網
監控管理層采用工業以太網的方式實現，連接著主控制PLC與上層HMI設備，編程設備以及相關設備。工業以太網卡在PLC上為CP1430接口模板, HMI設備上為CP1613接口模板。WinCC工業組態軟件通過工業以太網與主控PLC交換數據。工業以太網在自動化行業中的應用是工廠自動化技術與IT技術、互連Internet技術結合的產物，成為未來可能的制造業電子商務技術、網絡制造技術雛形。本方案中采用工業以太網充分考慮到了其具有的協議通用性、數據傳輸速率高等特點以及開發應用程序周期短優點。采用工業以太網方式實現的監控管理層主要由主控制PLC、HMI及其編程設備組成，通過TCP/IP方式實現與監控計算機進行數據交換。同時可更方便地向上組成工廠生產控制系統（FIS），順應了當前汽車行業訂單制造的發展趨勢。
三.ESTA監控系統的自主開發與應用
各家設備供應商為了各自的專利技術與技術保密，監控系統都采用各自開發的人機界面軟件或SCADA系統。如早期的ABB直接用C語言開發DOS環境下的界面軟件，DUERR的ECO RC2 (Keba)系統。本文作者通過現場使用，結合在轎車涂裝行業應用的特殊性，應用目前較流行的人機界面組態軟件自主開發，如：InTouch、WinCC、組態王等，實現HMI監控功能。本次就采用了西門子WinCC工業組態軟件，根據我們對ESTA生產線的工藝和設備多年使用經驗和理解，成功開發了ESTA監控系統，并順利地投入在生產中使用，至今一直穩定運行。同時通過項目開發，我們廠家也擁有了有關ESTA方面自主知識產權。
1.監控系統的硬件及軟件配置
系統硬件主要由西門子面板式IPC PC 670（500 MHz Intel Pentium CPU、15"TFT顯示器、薄膜鍵盤、集成鼠標）、PLC（S5-155U 948）和工業現場總線Profibus（CP1430、CP1613、IM308/318）三大部分組成。
系統軟件主要由操作系統Microsoft Windows 2000 Professional、SIMATIC WinCC V 5.1工業組態軟件、Step 5編程軟件及COM5431通訊設置軟件組成。
2.監控系統網絡拓撲結構
監控系統采用Profibus－DP和工業以太網方案。見圖1。
圖1 ESTA控制系統網絡結構
(Profibus－DP和工業以太網方案方案)
3.監控系統的主要功能
（1）工藝及設備參數的管理
不同車型，不同顏色，噴涂工藝參數也不同。為適應不同車型的混線生產，系統根據多年生產經驗，已經建立了噴涂工藝數據庫。系統能夠進行所有工藝參數數據庫的維護與管理,如圖2?？梢栽诰€或離線進行工藝參數的局部或全部修改，如轉速、流量、成形空氣、高壓值、觸發位置等，并自動記錄所有參數修改記錄，保證所有的產品工藝參數的可追溯性。如圖2。
圖2工藝及設備參數的管理
圖3 工藝參數調整
（2）生產信息的管理及設備監控功能
位于現場工控機能夠對在線生產的所有產品及設備運行狀況進行監控。通過該系統可以顯示目前所有在制品狀況以及在制品的目前位置，統計目前的產量。
能夠監控目前9個高速旋杯的所有參數設置以及現場實際參數（如轉速、流量、成形空氣、高壓值、位置等），如圖4。
圖4 生產及設備狀態監控
各種生產及設備信息的定義與設置，如車型定義、顏色定義、過電流上限、運動控制參數、手動速度等進行預先定義或設置。如圖5。能夠任意的進行每個節拍后的ESTA換色程序及步驟編程。如圖6。
圖5 生產設備信息定義與設置
圖6 噴杯換色步驟調整
（3）系統自診斷、報警系統
系統有故障報警及自診斷功能。當設備在運行時，無論手動或自動控制模式，設備出現故障時，系統將顯示故障報警并提示故障產生的可能原因。操作者可對報警進行應答及排除故障后復位，并通過顏色區分哪些報警已做了復位，哪些報警只是做了應答，并形成故障報警及修復記錄。如圖7。系統還具備了手動自診斷功能，如圖8。
圖7 報警文本信息
圖8 手動自診斷功能
（4）用戶管理
根據管理人員操作人員的權限可以通過預先對用戶設置定義并管理。所有的操作者可以瀏覽目前使用的工藝參數、生產及設備狀態，但不可以進行修改。除非他被賦予足夠的權限，通過輸入個人密碼確認后，才能進行相應權限的修改。所有的修改也將形成歷史修改記錄，以備追溯。
四.結論
我們應用SIEMENS PLC技術、Profibus現場工業總線技術和WinCC工業組態軟件的SCADA技術，成功開發了該監控系統，從2004年安裝在現場運行至今，系統穩定、可靠。該系統投資少、工期短，性價比高，已帶來了一定的經濟效益。該系統采用是目前比較先進計算機控制、網絡和信息處理技術，在汽車涂裝行業中具有一定的先進性和代表性，具有推廣的價值。
參考文獻：
1. 西門子公司 SIMATIC HMI WinCC 使用操作手冊 V5.0 2001
2. 西門子公司 SIMATIC NET PROFIBUS 使用操作手冊 2001
3. 張鶴等 汽車油漆車間中控室中央控制系統 汽車制造業 2003.2
4. 楊憲惠主編 現場總線技術及其應用 清華大學出版社1999
5. 王錫春編著 汽車涂裝工藝技術 化學工業出版社 2005
張鶴 西門子工廠自動化工程有限公司
陳燁 湯進 上海大眾汽車有限公司
摘要:面對快速發展的中國轎車工業，國內轎車制造設備工業的發展明顯不足，針對轎車涂裝流水線核心制造技術之一的高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）的技術明顯落后于國際同行水平。本文作者通過采用目前先進的西門子SIMATIC有關計算機控制、網絡和信息處理技術，成功開發了ESTA監控系統并在現場投入使用，投入少、工期短，性價比高。從2004年安裝在現場運行至今，系統穩定、可靠。同時廠家也擁有了自主知識產權。
關鍵字: PLC Profibus WinCC 靜電噴涂
一.高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA）系統應用現狀
近十五年，中國汽車工業迅速發展，自1992年汽車產量突破一百萬輛之后，一直保持著較高的增長速度，并重點發展轎車生產，大規模引進國際先進技術，興建了包括上海大眾在內的一批現代化轎車生產基地。2005年轎車產量達到295.8萬輛。中國汽車工業中以涂裝技術為主的表面工程技術已接近或達到當前國際先進水平。需特別指出的是，中涂和面漆的涂裝是車身涂裝中最為重要的環節，它將直接影響汽車的裝飾性、耐候性和外觀，其涂料品種和涂裝技術也是汽車涂裝工藝中發展最快的，歷來受汽車廠家的重視。中涂和面漆涂裝普遍采用高速旋杯自動靜電噴涂機（ESTA），以提高漆膜外觀質量和油漆利用率。自1994年上海大眾引進第一條采用高速旋杯自動靜電噴涂機生產線以來，目前一汽大眾、上海通用、東風神龍、廣州本田、北京現代等公司都采用了高速旋杯自動靜電噴涂機，據不完全統計，目前共有60多套高速旋杯自動靜電噴涂機服役于汽車涂裝線。
目前國內轎車涂裝線高速旋杯式自動靜電噴涂機成套設備技術主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大氣社等國際知名設備提供商提供。從1994年國內從美國ABB引進第一套高速旋杯式自動靜電噴涂機使用至今也已12年，系統采用的是80年代末技術，特別是系統監控用硬件及軟件，隨著電氣設備的老化，無論從使用壽命、維修費用、備件供應等方面都對使用廠家無疑是新的挑戰。今后一段時期內，國內較早引進ESTA生產線的廠家都將面臨這些問題。如采用全新投入，一方面投資費用高，另一方面更新改造周期長，都是不能接受的。因此，我們采用西門子SIMATIC先進的控制技術,對靜電噴涂機的控制系統、網絡系統和人機界面監控系統進行更新改造。這樣投入少、工期短，性價比高。
二.高速旋杯自動靜電噴涂機控制系統原理與網絡結構
高速旋杯式自動靜電噴涂機，其工作原理是將油漆通過在高速(最高每分鐘6萬轉)下轉動的旋杯，使其得到充分的霧化，并在高壓(直流10萬伏)靜電場的作用下，使帶電荷的油漆微粒被均勻地吸附到工件表面，形成光亮、平滑牢固的漆面。高速旋杯式自動靜電噴涂機主要包括：自動噴涂設備中的核心部件高速旋杯霧化單元、高壓單元、換色單元、成形空氣單元、仿型運動單元、流量單元、保護單元及其相應的自動控制與管理單元。我們以西門子PLC為基礎的控制系統，根據靜電噴涂原理，有機地控制各個單元動作，形成自動的靜電噴涂工藝過程。
ESTA的網絡系統一般可分為2層，即設備控制層和監控管理層。以下兩種實現方案：
1、設備控制層--現場總線
設備控制層由主控制PLC（如西門子S5、S7系列）、操作控制臺、所有控制單元（如霧化、高壓、換色、成形空氣、仿型運動、流量）及其現場執行器件、傳感器件（如電磁閥、氣動單元、光電傳感器、流量計等）組成，并通過現場總線Profibus使之組成有機的設備控制層。所有分布式I/O產品都按一定的控制范圍安裝于分布式I/O控制箱內，盡可能減少硬件布線及故障點，提高整個系統的穩定性，同時也方便了今后系統的維護。
2、監控管理層現--工業以太網
監控管理層采用工業以太網的方式實現，連接著主控制PLC與上層HMI設備，編程設備以及相關設備。工業以太網卡在PLC上為CP1430接口模板, HMI設備上為CP1613接口模板。WinCC工業組態軟件通過工業以太網與主控PLC交換數據。工業以太網在自動化行業中的應用是工廠自動化技術與IT技術、互連Internet技術結合的產物，成為未來可能的制造業電子商務技術、網絡制造技術雛形。本方案中采用工業以太網充分考慮到了其具有的協議通用性、數據傳輸速率高等特點以及開發應用程序周期短優點。采用工業以太網方式實現的監控管理層主要由主控制PLC、HMI及其編程設備組成，通過TCP/IP方式實現與監控計算機進行數據交換。同時可更方便地向上組成工廠生產控制系統（FIS），順應了當前汽車行業訂單制造的發展趨勢。
三.ESTA監控系統的自主開發與應用
各家設備供應商為了各自的專利技術與技術保密，監控系統都采用各自開發的人機界面軟件或SCADA系統。如早期的ABB直接用C語言開發DOS環境下的界面軟件，DUERR的ECO RC2 (Keba)系統。本文作者通過現場使用，結合在轎車涂裝行業應用的特殊性，應用目前較流行的人機界面組態軟件自主開發，如：InTouch、WinCC、組態王等，實現HMI監控功能。本次就采用了西門子WinCC工業組態軟件，根據我們對ESTA生產線的工藝和設備多年使用經驗和理解，成功開發了ESTA監控系統，并順利地投入在生產中使用，至今一直穩定運行。同時通過項目開發，我們廠家也擁有了有關ESTA方面自主知識產權。
1.監控系統的硬件及軟件配置
系統硬件主要由西門子面板式IPC PC 670（500 MHz Intel Pentium CPU、15"TFT顯示器、薄膜鍵盤、集成鼠標）、PLC（S5-155U 948）和工業現場總線Profibus（CP1430、CP1613、IM308/318）三大部分組成。
系統軟件主要由操作系統Microsoft Windows 2000 Professional、SIMATIC WinCC V 5.1工業組態軟件、Step 5編程軟件及COM5431通訊設置軟件組成。
2.監控系統網絡拓撲結構
監控系統采用Profibus－DP和工業以太網方案。見圖1。
圖1 ESTA控制系統網絡結構
(Profibus－DP和工業以太網方案方案)
3.監控系統的主要功能
（1）工藝及設備參數的管理
不同車型，不同顏色，噴涂工藝參數也不同。為適應不同車型的混線生產，系統根據多年生產經驗，已經建立了噴涂工藝數據庫。系統能夠進行所有工藝參數數據庫的維護與管理,如圖2?？梢栽诰€或離線進行工藝參數的局部或全部修改，如轉速、流量、成形空氣、高壓值、觸發位置等，并自動記錄所有參數修改記錄，保證所有的產品工藝參數的可追溯性。如圖2。
圖2工藝及設備參數的管理
圖3 工藝參數調整
（2）生產信息的管理及設備監控功能
位于現場工控機能夠對在線生產的所有產品及設備運行狀況進行監控。通過該系統可以顯示目前所有在制品狀況以及在制品的目前位置，統計目前的產量。
能夠監控目前9個高速旋杯的所有參數設置以及現場實際參數（如轉速、流量、成形空氣、高壓值、位置等），如圖4。
圖4 生產及設備狀態監控
各種生產及設備信息的定義與設置，如車型定義、顏色定義、過電流上限、運動控制參數、手動速度等進行預先定義或設置。如圖5。能夠任意的進行每個節拍后的ESTA換色程序及步驟編程。如圖6。
圖5 生產設備信息定義與設置
圖6 噴杯換色步驟調整
（3）系統自診斷、報警系統
系統有故障報警及自診斷功能。當設備在運行時，無論手動或自動控制模式，設備出現故障時，系統將顯示故障報警并提示故障產生的可能原因。操作者可對報警進行應答及排除故障后復位，并通過顏色區分哪些報警已做了復位，哪些報警只是做了應答，并形成故障報警及修復記錄。如圖7。系統還具備了手動自診斷功能，如圖8。
圖7 報警文本信息
圖8 手動自診斷功能
（4）用戶管理
根據管理人員操作人員的權限可以通過預先對用戶設置定義并管理。所有的操作者可以瀏覽目前使用的工藝參數、生產及設備狀態，但不可以進行修改。除非他被賦予足夠的權限，通過輸入個人密碼確認后，才能進行相應權限的修改。所有的修改也將形成歷史修改記錄，以備追溯。
四.結論
我們應用SIEMENS PLC技術、Profibus現場工業總線技術和WinCC工業組態軟件的SCADA技術，成功開發了該監控系統，從2004年安裝在現場運行至今，系統穩定、可靠。該系統投資少、工期短，性價比高，已帶來了一定的經濟效益。該系統采用是目前比較先進計算機控制、網絡和信息處理技術，在汽車涂裝行業中具有一定的先進性和代表性，具有推廣的價值。
參考文獻：
1. 西門子公司 SIMATIC HMI WinCC 使用操作手冊 V5.0 2001
2. 西門子公司 SIMATIC NET PROFIBUS 使用操作手冊 2001
3. 張鶴等 汽車油漆車間中控室中央控制系統 汽車制造業 2003.2
4. 楊憲惠主編 現場總線技術及其應用 清華大學出版社1999
5. 王錫春編著 汽車涂裝工藝技術 化學工業出版社 2005