西門子工廠自動化技術在汽車油漆車間 中央控制系統中的應用

汽車油漆車間中央控制系統，擔負著監控車間所有涂裝工藝設備系統和輸送設備系統的任務。它監控涂裝過程中的重要生產工藝參數和生產設備的運行，以滿足工藝質量和保證正常生產節拍的要求。本文采用了西門子公司的PLC技術、Profibus現場工業總線技術和WinCC工業組態軟件SCADA技術，來構建該中央控制系統。本文將從系統概述及分析、系統網絡構成、系統信息處理、系統中幾個特殊問題處理等四方面詳細論述該系統。本項目在2001年由我們承建，在2002年初投入運行。經過半年多的運行，實踐證明，該系統達到原設計功能，安全可靠，能確保設備連續、可靠運行，滿足高效、有序地組織大批量生產的要求。
一.系統概述及分析
---- 上海大眾汽車二廠油漆車間年產量為180,000臺，日產量為 600臺，生產節拍為 1.5分/臺，車間輸送鏈長度是 8029米，生產面積是 23,549平方米。
中央控制系統的組成
油漆車間中控室中央控制系統的控制對象，主要由兩大部分組成：油漆工藝控制系統和輸送控制系統。中央控制系統主要負責監控這兩個系統的運行狀態，協調這兩個系統內各設備動作和這兩個系統的之間各設備動作。油漆工藝和輸送系統時刻要按照中央控制系統發出的指令所指示的工作方式運動，同時中央控制系統要時刻監視油漆工藝和輸送系統的當前運動狀態，按照預期制定的目標及時地進行調整和控制，以達到在中央控制系統的控制作用下，使油漆車間生產汽車涂裝產品質量得到充分保證，使生產按照預定的生產節拍進行，使整個車間維持一種正常的生產運行。
a)油漆工藝控制系統
油漆工藝控制系統主要是圍繞汽車涂裝生產中各部分工藝過程，對其設備按照相應工藝要求進行控制和檢測。油漆工藝車間汽車涂裝工藝過程主要有預處理、電泳、密封、底漆和面漆等。油漆工藝控制系統要根據每一項工藝過程的具體工藝要求，通過控制裝置PLC控制相應工藝設備和環境設備，例如：預處理和電泳工藝過程中的各種浸槽和噴淋設備，密封、底漆和面漆工藝過程中的噴膠或噴漆房設備和烘房設備，及各個工藝過程中控制溫度、濕度、壓力和風速的環境設備。油漆工藝控制系統主要目的是使各個工藝設備和環境設備按照工藝要求正常運行，以保證汽車涂裝質量。
b)輸送控制系統
輸送控制系統主要控制油漆車間的輸送鏈和升降運輸系統。它貫穿著油漆車間的汽車涂裝生產的全過程，即在輸送鏈和升降機的輸送作用下，使轎車白車身以一定的節拍，按照涂裝工藝順序，依次通過汽車涂裝各個工藝設備和環境設備，完成相應涂裝加工工藝。輸送控制系統要通過控制裝置PLC，控制分布在整個油漆車間的各段輸送鏈和升降機運行。輸送控制系統一方面要完成轎車白車輸送、轉掛和儲存任務，另一方面還要按汽車涂裝各部分工藝要求，對輸送的車身還必須要在程序的控制下，實現升降、變節距、變速、擺動和傾斜等動作，從而保證油漆車間連續自動化生產。
系統控制裝置PLC的分布全車間的油漆工藝和輸送設備是由9臺西門子公司 PLC控制的。在油漆工藝控制方面，按照工藝過程各PLC的具體的控制分工為：
序號 PLC名稱 控制涂裝工藝設備范圍
1 PLC_01 預處理系統
2 PLC_02 電泳系統和電泳烘房
3 PLC_03 粗密封和細密封平臺，底漆噴漆房
4 PLC_04 面漆噴漆房
5 PLC_05 底漆烘房和面漆烘房
6 PLC_06 調漆間，密封烘房和報交臺
在輸送控制方面，按照區域劃分，各PLC的具體的控制分工為：
序號 PLC名稱 控制輸送鏈范圍 控制升降機范圍
1 WD_150 電泳烘房、粗密封和細密封、密封烘房、底漆和面漆的噴房和烘房的輸送，電泳、底漆和面漆的儲存。 進PVC升降機，出PVC升降機，電泳升降機
2 WD_200 車身到老油漆輸送，白車身的儲存，空車架儲存。 1#車身/油漆升降機，2#車身/油漆升降機，
3 WD_300 老油漆到新油漆輸送 老油漆到新油漆升降機
4 Durr 預處理系統，電泳系統。
中央控制系統的作用
油漆車間中控室中央控制系統通過工業計算機網絡技術-現場工業總線 Profibus，把控制油漆工藝控制系統和輸送控制系統的9臺西門子公司 PLC連接起來，把原來車間里分散的單元控制，變成相互有機聯系的統一的整體控制系統。同時，系統利用計算機控制和信息處理技術，實現系統對油漆車間的生產管理、工藝過程和設備運行的自動控制和監視，使油漆車間的汽車涂裝生產始終處于正常狀態。
二.系統網絡的構成
---- 由于中控室中央控制系統面對整個油漆生產車間，控制著各種生產設備的運行，它必須要做到實時采集全車間各個生產環節的信息，同時對其發出的控制指令要準確無誤地送到全車間各個生產環節的設備上，并能監測執行情況。為了保障這些控制信息和檢測信息暢通和準確的傳遞，中控室中央控制系統按照其功能構成了二個層次的網絡。
上層信息管理網絡
以中控室的工控機為主，還包括主PLC（E21），Duerr的PLC和信息交換中心S5-155U，共同構成上層信息管理網絡，也是中控室中央控制系統對油漆車間的中心信息管理部分。這里主PLC（E21）同時還連接著油漆工藝控制系統和輸送控制系統的PLC，所以主PLC（E21）起著上層信息管理網絡和底層設備控制網絡之間傳遞信息的作用。上層信息管理網絡的硬件構成是建立在西門子公司的現場工業總線 Profibus網絡基礎上的，在每個網絡站點分別插入 Profibus網卡：工控機上插入CP5613網卡，其他PLC上插入CP5431網卡。
該網絡的通訊協議是采用第二層數據鏈(Data Link)，也就現場工業總線數據鏈FDL(Field Bus Data Link)。在該層次網絡上，由于工控機上運行的的WinCC組態軟件采取主動方式，需分別與其它站點通訊，所以WinCC組態軟件與其它站點通過各自的邏輯接口點（SAP）建立相互的通訊鏈路層。上層信息管理網絡的網絡參數是通過COM5431軟件配置的。
底層設備控制網絡
在主PLC(E21)的框架上共插有兩塊通訊網卡，一塊為CP5431，連接到上層信息管理網絡，使主PLC(E21)構成為上層信息管理網絡一部分；而另一塊為CP5430，連接到底層設備控制網絡，又使主PLC(E21)構成為底層設備控制網絡一部分。所以主PLC(E21)起到了連接上層和底層網絡的網關作用。底層設備控制網絡主要作用是控制整個油漆車間的各個汽車涂裝工藝流程的具體過程和各個輸送鏈的相應運動，其途徑就通過現場工業總線 Profibus網絡，使油漆工藝控制系統的6臺PLC和輸送控制系的3臺PLC，按照上層信息管理網絡發出的控制指令，各自控制相應設備動作。同時，每臺PLC一方面通過網絡把自己的狀態信息發送到相關的PLC上，一方面通過網絡接受到其它PLC的狀態信息，以決定下一步動作。這樣由9臺PLC控制的各種設備動作可以做到相互配合、相互聯系和相互諧調，保證整個油漆車間能夠連續正常生產。
該網絡的通訊協議是并行采用兩種，一種仍為現場工業總線數據鏈FDL方式，另一種為現場工業總線全局數據 (Globe Data)。
a)其它站點與主PLC(E21)的通訊，采用的是FDL方式。為此，主PLC(E21)分別與其它站點建立鏈路層。
b)底層設備控制網絡中PLC之間的數據通訊，采用全局數據方式，既PLC之間交換數據通過對所定義的全局數據進行讀寫操作來完成。全局數據設置是通過COM5431軟件。
三.系統的信息處理
---- 在中控室里的工控機上運行著西門子公司的工業組態軟件-WinCC。她主要任務是進行油漆車間中控室中央控制系統的信息處理工作。它要實時采集全車間各個工藝設備的狀態信息，按照汽車涂裝生產工藝要求，實時地對狀態信息進行分析、歸納和綜合，根據需要及時地對相應工藝設備發出控制指令，以控制和調整相應工藝設備的工作狀態。在這里WinCC工業組態軟件經過對系統的信息處理，可以有序地、安全地、可靠地和合理地控制著油漆車間汽車涂裝生產的全過程。所以，WinCC工業組態軟件是中控室中央控制系統的核心部分。
---- 系統通過WinCC的信息處理，以圖文并茂的人機界面形式，顯示系統對各個工藝設備的控制過程，顯示各個工藝設備的運行狀態和各種生產、工藝信息，以及人為參與控制、調整有關生產和工藝參數的操作內容。其主要內容可大致分為以下幾個方面：
汽車涂裝生產工藝過程監控
根據汽車涂裝生產工藝過程特點和工藝設備在車間的實際布局，其監控主要內容和對象按工藝過程被分類為如下：
a)預處理系統和電泳系統
(1)各種浸槽、水槽和備用槽的溫度高低和液位高低；
(2)噴淋泵、輸入泵、熱水泵和各種溶劑泵的開停；
(3)排風扇和供風扇的控制與檢測；
(4)電泳系統的供電控制與檢測；
b)底漆噴漆房、面漆噴漆房、密封調膠房、調漆間、粗密封房、細密封房、電泳打磨房和底漆打磨房
(1)排風扇和供風扇的控制與檢測；
(2)用于保證濕度的加濕泵和廢水槽循環泵的開停；
(3)用于清除廢碴的刮碴機的控制與檢測；
(4)用于保證噴房內一定風速的風壓保護裝置的檢測；
(5)用于油漆輸送管路上防凍的保護裝置的檢測；
(6)預防火災的消防報警；
c)電泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封膠烘房
(1)用于加熱循環空氣的熱交換器風扇的控制；
(2)在電泳、底漆、面漆烘房出口處強冷風道的排風扇、供風扇和空氣檔扳控制；
(3)烘房內各工作區的溫度檢測；
(4)烘房內各工作區的燃燒點火控制；
(5)烘房內各工作區的熱空氣循環風扇的控制；
(6)用于廢氣燃燒的焚燒爐燃燒點火控制；
(7)焚燒爐內溫度檢測和循環風扇的控制；
(8)供烘房內和焚燒爐內燃燒的煤氣壓力檢測；
(9)用于向大氣排放前有毒氣體燃燒的尾氣燃燒器的控制；
(10)密封調膠房進口和出口熱風幕的控制；
(11)表冷器狀態檢測；
溫度和溫度自動調節系統的監控
為了保證汽車油漆涂裝質量，其中一個重要的條件是各個工藝過程的環境溫度和濕度要穩定在規定的范圍內。為此在各個工藝設備上都安裝有單回路調節DR20，以構成閉環的溫度和濕度控制回路，按照PID調節原理，使該處的溫度和濕度自動地穩定在符合工藝要求的設定值上。由于這些單回路調節DR20通過網絡連接現場PLC上，在中控室里的工控機上，通過WinCC可采集和設置這些單回路調節DR20的參數。所以，WinCC可以監視各個工藝過程的實際環境溫度和濕度，也可以根據工藝要求，通過改變設定值來控制這些環境溫度和濕度。請參見附錄九。下面是參與自動調節的各個溫度點和濕度點在工藝設備上分布：
a)預處理系統
(1)一、二、三和七區的熱交換器溫度；
(2)六區冷凍水溫度和七區預熱溫度；
b)電泳系統
冷凍水熱交換器溫度；
c)電泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封膠烘房
((1)一、二、三和四區的溫度；
(2) 1#和2#焚燒爐的溫度；
(3)熱交換器溫度；
(4)強冷風道的供風溫度；
(5)尾氣燃燒溫度；
d)電泳打磨房和底漆打磨房
加溫/冷卻管溫度；
e)底漆噴漆房、面漆噴漆房、粗密封房、細密封房和報交/整理
(1)加溫/冷卻管溫度；
(2)加濕槽的濕度；
輸送系統運行狀態的控制與監測
該油漆車間輸送系統采用的是積放式懸掛輸送鏈，共有26條輸送鏈，6臺升降機。在中控室中央控制系統的統一控制和協調下，輸送系統的PLC按照油漆車間各部分涂裝工藝要求，控制各個輸送鏈的相應運動，使系統完成被加工轎車的輸送任務。在中控室WinCC工業組態軟件的界面上，設有按照整個車間的實際位置繪制的輸送控制系統的全局畫面，和按照區域的實際位置繪制的各個局部畫面。在這些畫面上可以比較詳細地觀察到這些輸送鏈和升降機的具體位置和工作狀態。WinCC可監控的內容可歸納成以下幾個方面:
a)輸送鏈運行的狀態
(1)鏈條過緊；
(2)鏈條過松；
(3)壓縮空氣故障；
(4)驅動器運行狀態；
(5)馬達隔離開關打開；
(6)馬達超溫；
(7)轉矩過載；
(8)變頻器中斷；
(9)變頻器故障；
b) 升降機運行的狀態（水平驅動和垂直驅動）
(1)馬達隔離開關打開；
(2)馬達超溫；
(3)水平驅動：向前或向后超程；
(4)垂直驅動：向上或向下超程；
(5)水平驅動；轉矩向前或向后過載；
(6)垂直驅動：轉矩向上或向下過載；
(7)變頻器中斷；
(8)變頻器故障；
c) 輸送鏈控制裝置的狀態
(1)斜坡安全保護故障；
(2)道岔故障；
(3)停止器故障；
(4)生產急停；
(5)鏈與鏈的轉換故障；
d)輸送鏈的交通控制
(1)停止器之間在同一時間只準許一輛車；
(2)從停止器到雙重空區開關；
(3)從停止器到空位開關和帶計數器的停止器；
(4)從停止器到尾部計數儲存區；
(4)岔道的控制；
(5)從一條軌道通過岔道進入兩條軌道；
四.系統中幾個特殊問題的處理
---- 下面是在該工程項目進行中遇到的幾個比較特殊問題的解決方法：
系統命令的執行順序
在油漆車間中控室的WinCC的界面上，可以操作整個系統的停止與啟動，系統可自動地按時間序續完成一系列動作：
a)自動啟動(Auto Start)是指系統完全停止后在系統的控 制下按照順序自動啟動各種工藝設備，啟動順序的原則為先烘房點火升溫，再預處理系統和電泳系統各種液槽加熱升溫，最后開起供排風扇，啟動過程約 3小時。
b)自動停止(Auto Stop)是用于節假日長時間停機，它是在系統的控制下，首先把所有液槽、噴房和烘房里小車排放干凈，然后把小車輸送到儲存區，最后關閉所有設備。
c)待機(Stand-By)是用于平時的短時間停機，它的操作過程除了焚燒爐以外，其它操作與自動停止都是相同的。在這里焚燒爐被控制在熱備狀態，即保持低溫燃燒狀態。
輸送鏈和升降機故障診斷
輸送系統由26條輸送鏈和6臺升降機組成，設備較多，分別進行故障診斷工作量大。為此，根據設備分類特點，編制了幾個用于故障診斷的通用標準功能塊FB，可以涵蓋所有輸送鏈和升降機設備。由于這些標準功能塊FB可在程序中重復調用，不僅提高了工作效率，也提高了故障診斷的準確性。具體功能塊FB說明如下：
a) FB30 HISPDCNV 快速輸送鏈故障診斷
b) FB31 LOSPDCNV 低速輸送鏈故障診斷
c) FB35 VFHZ 升降機水平驅動故障診斷
d) FB36 VFVR 升降機垂直驅動故障診斷
WinCC運行速度的提高
用于該系統的WinCC工業組態軟件，其用戶程序編制的比較龐大，使WinCC運行速度的降低，影響了系統功能。為此，我們采用下列方法提高WinCC運行速度，產生了較好的效果。
a)對于較復雜的邏輯運算和數學運算，盡量少使用WinCC的C腳本，最好由PLC去作，WinCC只取最后運算結果。
b)合理的設置WinCC變量的刷新時間，對于占大多數的變化緩慢的變量設置較長的刷新時間，大約為5秒；對于占少數的、變化迅速的和對系統影響重要的變量設置較短的刷新時間，大約為0.5秒。
c)對于WinCC的圖形中對象的屬性動態特性盡量采用動態值范圍的方法去定義，對象的事件觸發的動作盡量采用直接連接的方法，少使用C動作方法。
五.結論和意義
---- 上海大眾汽車二廠油漆車間中控室中央控制系統的工程項目，我們成功應用西門子公司工業自動化PLC技術、Profibus現場工業總線技術和WinCC工業組態軟件的SCADA技術技術，經過設計、施工和調試，該工程項目現已完成，通過了驗收并且投入正常生產運行。該系統把涂裝過程中的工藝控制設備和輸送設備，構成一個統一的、有著相互有機聯系、動作相互協調和可控制的系統，以完成各種工藝過程的控制并按一定的生產節拍進行，從而保證優質的汽車涂裝產品質量，保證油漆車間連續地、可靠地、正常地自動化大批量生產，使產品具有優良的耐蝕性和高裝飾性外觀，以延期其使用壽命，提高其商品的市場價格。
---- 該系統的使用，提高了油漆車間的自動化生產水平，也促進了油漆車間的生產管理、工藝管理、質量管理和設備管理。另外，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，所以該系統具有推廣的價值。