一.系統(tǒng)概述及分析
上海大眾汽車二廠油漆車間年產(chǎn)量為180,000臺,日產(chǎn)量為 600臺,生產(chǎn)節(jié)拍為 1.5分/臺,車間輸送鏈長度是 8029米,生產(chǎn)面積是 23,549平方米。
1.中央控制系統(tǒng)的組成
油漆車間中控室中央控制系統(tǒng)的控制對象,主要由兩大部分組成:油漆工藝控制系統(tǒng)和輸送控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控這兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),協(xié)調(diào)這兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備動作和這兩個(gè)系統(tǒng)的之間各設(shè)備動作。油漆工藝和輸送系統(tǒng)時(shí)刻要按照中央控制系統(tǒng)發(fā)出的指令所指示的工作方式運(yùn)動,同時(shí)中央控制系統(tǒng)要時(shí)刻監(jiān)視油漆工藝和輸送系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài),按照預(yù)期制定的目標(biāo)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和控制,以達(dá)到在中央控制系統(tǒng)的控制作用下,使油漆車間生產(chǎn)汽車涂裝產(chǎn)品質(zhì)量得到充分保證,使生產(chǎn)按照預(yù)定的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行,使整個(gè)車間維持一種正常的生產(chǎn)運(yùn)行。
a)油漆工藝控制系統(tǒng)
油漆工藝控制系統(tǒng)主要是圍繞汽車涂裝生產(chǎn)中各部分工藝過程,對其設(shè)備按照相應(yīng)工藝要求進(jìn)行控制和檢測。油漆工藝車間汽車涂裝工藝過程主要有預(yù)處理、電泳、密封、底漆和面漆等。油漆工藝控制系統(tǒng)要根據(jù)每一項(xiàng)工藝過程的具體工藝要求,通過控制裝置PLC控制相應(yīng)工藝設(shè)備和環(huán)境設(shè)備,例如:預(yù)處理和電泳工藝過程中的各種浸槽和噴淋設(shè)備,密封、底漆和面漆工藝過程中的噴膠或噴漆房設(shè)備和烘房設(shè)備,及各個(gè)工藝過程中控制溫度、濕度、壓力和風(fēng)速的環(huán)境設(shè)備。油漆工藝控制系統(tǒng)主要目的是使各個(gè)工藝設(shè)備和環(huán)境設(shè)備按照工藝要求正常運(yùn)行,以保證汽車涂裝質(zhì)量。
b)輸送控制系統(tǒng)
輸送控制系統(tǒng)主要控制油漆車間的輸送鏈和升降運(yùn)輸系統(tǒng)。它貫穿著油漆車間的汽車涂裝生產(chǎn)的全過程,即在輸送鏈和升降機(jī)的輸送作用下,使轎車白車身以一定的節(jié)拍,按照涂裝工藝順序,依次通過汽車涂裝各個(gè)工藝設(shè)備和環(huán)境設(shè)備,完成相應(yīng)涂裝加工工藝。輸送控制系統(tǒng)要通過控制裝置PLC,控制分布在整個(gè)油漆車間的各段輸送鏈和升降機(jī)運(yùn)行。輸送控制系統(tǒng)一方面要完成轎車白車輸送、轉(zhuǎn)掛和儲存任務(wù),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(shí)現(xiàn)升降、變節(jié)距、變速、擺動和傾斜等動作,從而保證油漆車間連續(xù)自動化生產(chǎn)。
2.系統(tǒng)控制裝置PLC的分布全車間的油漆工藝和輸送設(shè)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:
在輸送控制方面,按照區(qū)域劃分,各PLC的具體的控制分工為:
3.中央控制系統(tǒng)的作用
油漆車間中控室中央控制系統(tǒng)通過工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus,把控制油漆工藝控制系統(tǒng)和輸送控制系統(tǒng)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(jī)聯(lián)系的統(tǒng)一的整體控制系統(tǒng)。同時(shí),系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制和信息處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對油漆車間的生產(chǎn)管理、工藝過程和設(shè)備運(yùn)行的自動控制和監(jiān)視,使油漆車間的汽車涂裝生產(chǎn)始終處于正常狀態(tài)。
二.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
由于中控室中央控制系統(tǒng)面對整個(gè)油漆生產(chǎn)車間,控制著各種生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行,它必須要做到實(shí)時(shí)采集全車間各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息,同時(shí)對其發(fā)出的控制指令要準(zhǔn)確無誤地送到全車間各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備上,并能監(jiān)測執(zhí)行情況。為了保障這些控制信息和檢測信息暢通和準(zhǔn)確的傳遞,中控室中央控制系統(tǒng)按照其功能構(gòu)成了二個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)。
1.上層信息管理網(wǎng)絡(luò)
以中控室的工控機(jī)為主,還包括主PLC(E21),Duerr的PLC和信息交換中心S5-155U,共同構(gòu)成上層信息管理網(wǎng)絡(luò),也是中控室中央控制系統(tǒng)對油漆車間的中心信息管理部分。這里主PLC(E21)同時(shí)還連接著油漆工藝控制系統(tǒng)和輸送控制系統(tǒng)的PLC,所以主PLC(E21)起著上層信息管理網(wǎng)絡(luò)和底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)之間傳遞信息的作用。上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成是建立在西門子公司的現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的,在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分別插入 Profibus網(wǎng)卡:工控機(jī)上插入CP5613網(wǎng)卡,其他PLC上插入CP5431網(wǎng)卡。上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。
圖1上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖
該網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議是采用第二層數(shù)據(jù)鏈(Data Link),也就現(xiàn)場工業(yè)總線數(shù)據(jù)鏈FDL(Field Bus Data Link)。在該層次網(wǎng)絡(luò)上,由于工控機(jī)上運(yùn)行的的WinCC組態(tài)軟件采取主動方式,需分別與其它站點(diǎn)通訊,所以WinCC組態(tài)軟件與其它站點(diǎn)通過各自的邏輯接口點(diǎn)(SAP)建立相互的通訊鏈路層。上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是通過COM5431軟件配置的。
2.底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)
在主PLC(E21)的框架上共插有兩塊通訊網(wǎng)卡,一塊為CP5431,連接到上層信息管理網(wǎng)絡(luò),使主PLC(E21)構(gòu)成為上層信息管理網(wǎng)絡(luò)一部分;而另一塊為CP5430,連接到底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò),又使主PLC(E21)構(gòu)成為底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)一部分。所以主PLC(E21)起到了連接上層和底層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)作用。底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)主要作用是控制整個(gè)油漆車間的各個(gè)汽車涂裝工藝流程的具體過程和各個(gè)輸送鏈的相應(yīng)運(yùn)動,其途徑就通過現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus網(wǎng)絡(luò),使油漆工藝控制系統(tǒng)的6臺PLC和輸送控制系的3臺PLC,按照上層信息管理網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的控制指令,各自控制相應(yīng)設(shè)備動作。同時(shí),每臺PLC一方面通過網(wǎng)絡(luò)把自己的狀態(tài)信息發(fā)送到相關(guān)的PLC上,一方面通過網(wǎng)絡(luò)接受到其它PLC的狀態(tài)信息,以決定下一步動作。這樣由9臺PLC控制的各種設(shè)備動作可以做到相互配合、相互聯(lián)系和相互諧調(diào),保證整個(gè)油漆車間能夠連續(xù)正常生產(chǎn)。底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖詳見圖2。
圖2底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖
該網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議是并行采用兩種,一種仍為現(xiàn)場工業(yè)總線數(shù)據(jù)鏈FDL方式,另一種為現(xiàn)場工業(yè)總線全局?jǐn)?shù)據(jù) (Globe Data)。
a)其它站點(diǎn)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(diǎn)建立鏈路層。
b)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)中PLC之間的數(shù)據(jù)通訊,采用全局?jǐn)?shù)據(jù)方式,既PLC之間交換數(shù)據(jù)通過對所定義的全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作來完成。全局?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)置是通過COM5431軟件。
三.系統(tǒng)的信息處理
在中控室里的工控機(jī)上運(yùn)行著西門子公司的工業(yè)組態(tài)軟件-WinCC。她主要任務(wù)是進(jìn)行油漆車間中控室中央控制系統(tǒng)的信息處理工作。它要實(shí)時(shí)采集全車間各個(gè)工藝設(shè)備的狀態(tài)信息,按照汽車涂裝生產(chǎn)工藝要求,實(shí)時(shí)地對狀態(tài)信息進(jìn)行分析、歸納和綜合,根據(jù)需要及時(shí)地對相應(yīng)工藝設(shè)備發(fā)出控制指令,以控制和調(diào)整相應(yīng)工藝設(shè)備的工作狀態(tài)。在這里WinCC工業(yè)組態(tài)軟件經(jīng)過對系統(tǒng)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(chǎn)的全過程。所以,WinCC工業(yè)組態(tài)軟件是中控室中央控制系統(tǒng)的核心部分。
系統(tǒng)通過WinCC的信息處理,以圖文并茂的人機(jī)界面形式,顯示系統(tǒng)對各個(gè)工藝設(shè)備的控制過程,顯示各個(gè)工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種生產(chǎn)、工藝信息,以及人為參與控制、調(diào)整有關(guān)生產(chǎn)和工藝參數(shù)的操作內(nèi)容。其主要內(nèi)容可大致分為以下幾個(gè)方面:
1.汽車涂裝生產(chǎn)工藝過程監(jiān)控
根據(jù)汽車涂裝生產(chǎn)工藝過程特點(diǎn)和工藝設(shè)備在車間的實(shí)際布局,比較形象地設(shè)計(jì)了一幅油漆工藝控制系統(tǒng)的主圖(詳見圖3 )及每個(gè)工藝過程的子圖(參見圖4),其監(jiān)控主要內(nèi)容和對象按工藝過程被分類為如下:
圖3油漆系統(tǒng)主畫面
圖4面漆烘房系統(tǒng)
a)預(yù)處理系統(tǒng)和電泳系統(tǒng)
(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(fēng)扇和供風(fēng)扇的控制與檢測;
(4)電泳系統(tǒng)的供電控制與檢測;
b)底漆噴漆房、面漆噴漆房、密封調(diào)膠房、調(diào)漆間、粗密封房、細(xì)密封房、電泳打磨房和底漆打磨房
(1)排風(fēng)扇和供風(fēng)扇的控制與檢測;
(2)用于保證濕度的加濕泵和廢水槽循環(huán)泵的開停;
(3)用于清除廢碴的刮碴機(jī)的控制與檢測;
(4)用于保證噴房內(nèi)一定風(fēng)速的風(fēng)壓保護(hù)裝置的檢測;
(5)用于油漆輸送管路上防凍的保護(hù)裝置的檢測;
(6)預(yù)防火災(zāi)的消防報(bào)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(huán)空氣的熱交換器風(fēng)扇的控制;
(2)在電泳、底漆、面漆烘房出口處強(qiáng)冷風(fēng)道的排風(fēng)扇、供風(fēng)扇和空氣檔扳控制;
(3)烘房內(nèi)各工作區(qū)的溫度檢測;
(4)烘房內(nèi)各工作區(qū)的燃燒點(diǎn)火控制;
(5)烘房內(nèi)各工作區(qū)的熱空氣循環(huán)風(fēng)扇的控制;
(6)用于廢氣燃燒的焚燒爐燃燒點(diǎn)火控制;
(7)焚燒爐內(nèi)溫度檢測和循環(huán)風(fēng)扇的控制;
(8)供烘房內(nèi)和焚燒爐內(nèi)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(diào)膠房進(jìn)口和出口熱風(fēng)幕的控制;
(11)表冷器狀態(tài)檢測;
2.溫度和溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的監(jiān)控
為了保證汽車油漆涂裝質(zhì)量,其中一個(gè)重要的條件是各個(gè)工藝過程的環(huán)境溫度和濕度要穩(wěn)定在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此在各個(gè)工藝設(shè)備上都安裝有單回路調(diào)節(jié)DR20,以構(gòu)成閉環(huán)的溫度和濕度控制回路,按照PID調(diào)節(jié)原理,使該處的溫度和濕度自動地穩(wěn)定在符合工藝要求的設(shè)定值上。由于這些單回路調(diào)節(jié)DR20通過網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場PLC上,在中控室里的工控機(jī)上,通過WinCC可采集和設(shè)置這些單回路調(diào)節(jié)DR20的參數(shù)。所以,WinCC可以監(jiān)視各個(gè)工藝過程的實(shí)際環(huán)境溫度和濕度,也可以根據(jù)工藝要求,通過改變設(shè)定值來控制這些環(huán)境溫度和濕度。請參見附錄九。下面是參與自動調(diào)節(jié)的各個(gè)溫度點(diǎn)和濕度點(diǎn)在工藝設(shè)備上分布:
a)預(yù)處理系統(tǒng)
(1)一、二、三和七區(qū)的熱交換器溫度;
(2)六區(qū)冷凍水溫度和七區(qū)預(yù)熱溫度;
b)電泳系統(tǒng)
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(qū)的溫度;
(2) 1#和2#焚燒爐的溫度;
(3)熱交換器溫度;
(4)強(qiáng)冷風(fēng)道的供風(fēng)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(xì)密封房和報(bào)交/整理
(1)加溫/冷卻管溫度;
(2)加濕槽的濕度;
3.輸送系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制與監(jiān)測
該油漆車間輸送系統(tǒng)采用的是積放式懸掛輸送鏈,共有26條輸送鏈,6臺升降機(jī)。在中控室中央控制系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)下,輸送系統(tǒng)的PLC按照油漆車間各部分涂裝工藝要求,控制各個(gè)輸送鏈的相應(yīng)運(yùn)動,使系統(tǒng)完成被加工轎車的輸送任務(wù)。在中控室WinCC工業(yè)組態(tài)軟件的界面上,設(shè)有按照整個(gè)車間的實(shí)際位置繪制的輸送控制系統(tǒng)的全局畫面(詳見圖5),和按照區(qū)域的實(shí)際位置繪制的各個(gè)局部畫面(參見圖6)。在這些畫面上可以比較詳細(xì)地觀察到這些輸送鏈和升降機(jī)的具體位置和工作狀態(tài)。WinCC可監(jiān)控的內(nèi)容可歸納成以下幾個(gè)方面:
圖5 輸送控制系統(tǒng)的全局畫面
圖6 輸送控制系統(tǒng)的局部畫面
a)輸送鏈運(yùn)行的狀態(tài)
(1)鏈條過緊;
(2)鏈條過松;
(3)壓縮空氣故障;
(4)驅(qū)動器運(yùn)行狀態(tài);
(5)馬達(dá)隔離開關(guān)打開;
(6)馬達(dá)超溫;
(7)轉(zhuǎn)矩過載;
(8)變頻器中斷;
(9)變頻器故障;
b) 升降機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)(水平驅(qū)動和垂直驅(qū)動)
(1)馬達(dá)隔離開關(guān)打開;
(2)馬達(dá)超溫;
(3)水平驅(qū)動:向前或向后超程;
(4)垂直驅(qū)動:向上或向下超程;
(5)水平驅(qū)動;轉(zhuǎn)矩向前或向后過載;
(6)垂直驅(qū)動:轉(zhuǎn)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(tài)
(1)斜坡安全保護(hù)故障;
(2)道岔故障;
(3)停止器故障;
(4)生產(chǎn)急停;
(5)鏈與鏈的轉(zhuǎn)換故障;
d)輸送鏈的交通控制
(1)停止器之間在同一時(shí)間只準(zhǔn)許一輛車;
(2)從停止器到雙重空區(qū)開關(guān);
(3)從停止器到空位開關(guān)和帶計(jì)數(shù)器的停止器;
(4)從停止器到尾部計(jì)數(shù)儲存區(qū);
(4)岔道的控制;
(5)從一條軌道通過岔道進(jìn)入兩條軌道;
四.系統(tǒng)中幾個(gè)特殊問題的處理
下面是在該工程項(xiàng)目進(jìn)行中遇到的幾個(gè)比較特殊問題的解決方法:
1.系統(tǒng)命令的執(zhí)行順序
在油漆車間中控室的WinCC的界面上,可以操作整個(gè)系統(tǒng)的停止與啟動,系統(tǒng)可自動地按時(shí)間序續(xù)完成一系列動作:
a)自動啟動(Auto Start)是指系統(tǒng)完全停止后在系統(tǒng)的控 制下按照順序自動啟動各種工藝設(shè)備,啟動順序的原則為先烘房點(diǎn)火升溫,再預(yù)處理系統(tǒng)和電泳系統(tǒng)各種液槽加熱升溫,最后開起供排風(fēng)扇,啟動過程約 3小時(shí)。
b)自動停止(Auto Stop)是用于節(jié)假日長時(shí)間停機(jī),它是在系統(tǒng)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(qū),最后關(guān)閉所有設(shè)備。
c)待機(jī)(Stand-By)是用于平時(shí)的短時(shí)間停機(jī),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(tài),即保持低溫燃燒狀態(tài)。
2.輸送鏈和升降機(jī)故障診斷
輸送系統(tǒng)由26條輸送鏈和6臺升降機(jī)組成,設(shè)備較多,分別進(jìn)行故障診斷工作量大。為此,根據(jù)設(shè)備分類特點(diǎn),編制了幾個(gè)用于故障診斷的通用標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB,可以涵蓋所有輸送鏈和升降機(jī)設(shè)備。由于這些標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB可在程序中重復(fù)調(diào)用,不僅提高了工作效率,也提高了故障診斷的準(zhǔn)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(jī)水平驅(qū)動故障診斷
d) FB36 VFVR 升降機(jī)垂直驅(qū)動故障診斷
3.WinCC運(yùn)行速度的提高
用于該系統(tǒng)的WinCC工業(yè)組態(tài)軟件,其用戶程序編制的比較龐大,使WinCC運(yùn)行速度的降低,影響了系統(tǒng)功能。為此,我們采用下列方法提高WinCC運(yùn)行速度,產(chǎn)生了較好的效果。
a)對于較復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算,盡量少使用WinCC的C腳本,最好由PLC去作,WinCC只取最后運(yùn)算結(jié)果。
b)合理的設(shè)置WinCC變量的刷新時(shí)間,對于占大多數(shù)的變化緩慢的變量設(shè)置較長的刷新時(shí)間,大約為5秒;對于占少數(shù)的、變化迅速的和對系統(tǒng)影響重要的變量設(shè)置較短的刷新時(shí)間,大約為0.5秒。
c)對于WinCC的圖形中對象的屬性動態(tài)特性盡量采用動態(tài)值范圍的方法去定義,對象的事件觸發(fā)的動作盡量采用直接連接的方法,少使用C動作方法。
五.結(jié)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(tǒng)的工程項(xiàng)目,我們成功應(yīng)用西門子公司工業(yè)自動化PLC技術(shù)、Profibus現(xiàn)場工業(yè)總線技術(shù)和WinCC工業(yè)組態(tài)軟件的SCADA技術(shù)技術(shù),經(jīng)過設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試,該工程項(xiàng)目現(xiàn)已完成,通過了驗(yàn)收并且投入正常生產(chǎn)運(yùn)行。該系統(tǒng)把涂裝過程中的工藝控制設(shè)備和輸送設(shè)備,構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的、有著相互有機(jī)聯(lián)系、動作相互協(xié)調(diào)和可控制的系統(tǒng),以完成各種工藝過程的控制并按一定的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行,從而保證優(yōu)質(zhì)的汽車涂裝產(chǎn)品質(zhì)量,保證油漆車間連續(xù)地、可靠地、正常地自動化大批量生產(chǎn),使產(chǎn)品具有優(yōu)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(jià)格。
該系統(tǒng)的使用,提高了油漆車間的自動化生產(chǎn)水平,也促進(jìn)了油漆車間的生產(chǎn)管理、工藝管理、質(zhì)量管理和設(shè)備管理。另外,該系統(tǒng)采用是目前比較先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)和信息處理技術(shù),在汽車涂裝行業(yè)中具有一定的先進(jìn)性和代表性,所以該系統(tǒng)具有推廣的價(jià)值。