西门子工厂自动化技术在汽车油漆车间中央控制系统中的应用

1、西门子工厂自动化技术在汽车油漆车间中央限制系统中的应用摘要：汽车油漆车间中央限制系统,担负着监控车间所有涂装工艺设备系统和输送设备系统的任务.它监控涂装过程中的重要生产工艺参数和生产设备的运行,以满足工艺质量和保证正常生产节拍的要求.本文采用了西门子公司的 PLC 技术、Profibus 现场工业总线技术和 WinCC 工业组态软件 SCADA 技术,来构建该中央限制系统.本文将从系统概述及分析、系统网络构成、系统信息处理、系统中几个特殊问题处理等四方面详细论述该系统.本工程在 2001 年由我们承建,在 2002 年初投入运行.经过半年多的运行,实践证实,该系统到达原设计功能,平安可靠,能保

2、证设备连续、可靠运行,满足高效、有序地组织大批量生产的要求.关键字：中央限制系统 PLC 技术现场工业总线 SCADA 技术一.系统概述及分析上海群众汽车二厂油漆车间年产量为 180,000 台,日产量为 600 台,生产节拍为 1.5 分/台,车间输送链长度是 8029 米,生产面积是 23,549 平方米.中央限制系统的组成油漆车间中控室中央限制系统的限制对象,主要由两大局部组成：油漆工艺限制系统和输送限制系统.中央限制系统主要负责监控这两个系统的运行状态,协调这两个系统内各设备动作和这两个系统的之间各设备动作.油漆工艺和输送系统时刻要根据中央限制系统发出的指令所指示的工作方式运动,同时中

3、央限制系统要时刻监视油漆工艺和输送系统的当前运动状态,根据预期制定的目标及时地进行调整和限制,以到达在中央限制系统的限制作用下,使油漆车间生产汽车涂装产品质量得到充分保证,使生产根据预定的生产节拍进行,使整个车间维持一种正常的生产运行.a油漆工艺限制系统油漆工艺限制系统主要是围绕汽车涂装生产中各局部工艺过程,对其设备根据相应工艺要求进行限制和检测.油漆工艺车间汽车涂装工艺过程主要有预处理、电泳、密封、底漆和面漆等.油漆工艺限制系统要根据每一项工艺过程的具体工艺要求,通过限制装置 PLC 限制相应工艺设备和环境设备,例如：预处理和电泳工艺过程中的各种浸槽和喷淋设备,密封、底漆和面漆工艺过程中的喷

4、胶或喷漆房设备和烘房设备,及各个工艺过程中限制温度、 湿度、 压力和风速的环境设备.油漆工艺限制系统主要目的是使各个工艺设备和环境设备按照工艺要求正常运行,以保证汽车涂装质量.b输送限制系统输送限制系统主要限制油漆车间的输送链和升降运输系统.它贯穿着油漆车间的汽车涂装生产的全过程,即在输送链和升降机的输送作用下,使轿车白车身以一定的节拍,根据涂装工艺顺序,依次通过汽车涂装各个工艺设备和环境设备,完成相应涂装加工工艺.输送控制系统要通过限制装置 PLC,限制分布在整个油漆车间的各段输送链和升降机运行.输送限制系统一方面要完成轿车白车输送、转挂和储存任务,另一方面还要按汽车涂装各局部工艺要求,对输

5、送的车身还必须要在程序的限制下,实现升降、变节距、变速、摆动和倾斜等动作,从而保证油漆车间连续自动化生产.系统限制装置 PLC 的分布全车间的油漆工艺和输送设备是由 9 台西门子公司 PLC 限制的.在油漆工艺限制方面,根据工艺过程各 PLC的具体的限制分工为：序号 PLC 名称限制涂装工艺设备范围1 PLC_01 预处理系统2PLC_02 电泳系统和电泳烘房3PLC_03 粗密封和细密封平台,底漆喷漆房4PLC_04 面漆喷漆房5PLC_05 底漆烘房和面漆烘房6PLC_06 调漆间,密封烘房和报交台在输送限制方面,根据区域划分,各 PLC 的具体的限制分工为：序号 PLC 名称限制输送链范

6、围限制升降机范围1 WD_150 电泳烘房、粗密封和细密封、密封烘房、底漆和面漆的喷房和烘房的输送,电泳、底漆和面漆的储存.进 PVC 升降机,出PVC 升降机,电泳升降机2WD_200 车身到老油漆输送,白车身的储存,空车架储存.3WD_300 老油漆到新油漆输送老油漆到新油漆升降机4Durr 预处理系统,电泳系统.中央限制系统的作用油漆车间中控室中央限制系统通过工业计算机网络技术-现场工业总线 Profibus,把限制油漆工艺限制系统和输送限制系统的 9 台西门子公司 PLC 连接起来,把原来车间里分散的单元限制,变成相互有机联系的统一的整体限制系统.同时,系统利用计算机限制和信息处理技术

7、,实现系统对油漆车间的生产治理、工艺过程和设备运行的自动限制和监视,使油漆车间的汽车涂装生产始终处于正常状态.二.系统网络的构成-由于中控室中央限制系统面对整个油漆生产车间,限制着各种生产设备的运行,它必须要做到实时采集全车间各个生产环节的信息,同时对其发出的限制指令要准确无误地送到全车间各个生产环节的设备上,并能监测执行情况.为了保证这些限制信息和检测信息畅通和准确的传递,中控室中央限制系统根据其功能构成了二个层次的网络.上层信息治理网络以中控室的工控机为主,还包括主 PLC(E21),Duerr 的 PLC 和信息交换中央 S5-155U,共同构成上层信息治理网络,也是中控室中图 1 上层

8、信息治理网络的结构图该网络的通讯协议是采用第二层数据链(DataLink),也就现场工业总线数据链 FDL(FieldBusDataLink).在该层次网络上,由于工控机上运行的的 WinCC 组态软件采取主动方式,需分别与其它站点通讯,所以 WinCC 组态软件与其它站点通过各自的逻辑接口点(SAP)建立相互的通讯链路层.上层信息治理网络的网络参数是通过 COM5431 软件配置的.底层设备限制网络在主 PLC(E21)的框架上共插有两块通讯网卡,一块为 CP5431,连接到上层信息治理网络,使主 PLC(E21)构成为上层信息治理网络一局部； 而另一块为 CP5430,连接到底层设备限制网

9、络,又使主 PLC(E21)构成为底层设备限制网络一局部.所以主 PLC(E21)起到了连接上层和底层网络的网关作用.底层设备限制网络主要作用是限制整个油漆车间的各个汽车涂装工艺流程的具体过程和各个输送链的相应运动,其途径就通过现场工业总线 Profibus 网络,使油漆工艺限制系统的 6 台 PLC 和输送限制系的 3 台 PLC,根据上层信息治理网络发出的限制指令,各自限制相应设备动作.同时,每台 PLC 一方面通过网络把自己的状态信息发送到相关的 PLC 上,一方面通过网络接受到其它 PLC 的状态信息,以决定下一步动作.这样由 9 台 PLC 限制的各种设备动作可以做到相互配合、相互联

10、系和相互谐调,PLC,所以主 PLC唔电脸$构照工也格值a皿fl1#车身/油漆升降机,2#车身/油漆升降机,央限制系统对油漆车间的中央信息治理局部.这里主PLC(E21)同时还连接着油漆工艺限制系统和输送限制系统的(E21)起着上层信息治理网络和底层设备限制网络之间传递信息的作用.上层信息治理网络的硬件构成是建立在西门子公司的现场工业总线 Profibus 网络根底上的,在每个网络站点分别插入Profibus 网卡：工控机上插入 CP5613 网卡,其他 PLC 上插入 CP5431 网卡.上层信息治理网络的结构图如下:图 2 底层设备限制网络的结构图该网络的通讯协议是并行采用两种,一种仍为现

11、场工业总线数据链 FDL 方式,另一种为现场工业总线全局数据(GlobeData).a)其它站点与主 PLC(E21)的通讯,采用的是 FDL 方式.为此,主 PLC(E21)分别与其它站点建立链路层.b)底层设备限制网络中 PLC 之间的数据通讯,采用全局数据方式,既 PLC 之间交换数据通过对所定义的全局数据进行读写操作来完成.全局数据设置是通过 COM5431 软件.三.系统的信息处理-在中控室里的工控机上运行着西门子公司的工业组态软件-WinCC.她主要任务是进行油漆车间中控室中央限制系统的信息处理工作.它要实时采集全车间各个工艺设备的状态信息,根据汽车涂装生产工艺要求,实时地对状态信

12、息进行分析、归纳和综合,根据需要及时地对相应工艺设备发出限制指令,以限制和调整相应工艺设备的工作状态.在这里 WinCC 工业组态软件经过对系统的信息处理,可以有序地、平安地、可靠地和合理地限制着油漆车间汽车涂装生产的全过程.所以,WinCC 工业组态软件是中控室中央限制系统的核心局部.-系统通过 WinCC 的信息处理,以图文并茂的人机界面形式,显示系统对各个工艺设备的限制过程,显示各个工艺设备的运行状态和各种生产、工艺信息,以及人为参与限制、调整有关生产和工艺参数的操作内容.其主要内容可大致分为以下几个方面：汽车涂装生产工艺过程监控根据汽车涂装生产工艺过程特点和工艺设备在车间的实际布局,比

13、拟形象地设计了一幅油漆工艺限制系统的主图IV3CEOD0*nBMJVBMJVRMrt*(详见图 3)及每个工艺保证整个油漆车间能够连续正常生产.底层设备限制网络的结构图详见图 2.*RM.ZMRM.ZMriU“忤L1a可过程的子图(参见图 4),其监控主要内容和对象按工艺过程被分类为如下:图 3 油漆系统主画面图 4 面漆烘房系统a)预处理系统和电泳系统(1)各种浸槽、水槽和备用槽的温度上下和液位上下；(2)喷淋泵、输入泵、热水泵和各种溶剂泵的开停；排风扇和供风扇的限制与检测；电泳系统的供电限制与检测；b)底漆喷漆房、面漆喷漆房、密封调胶房、调漆间、粗密封房、细密封房、电泳打磨房和底漆打磨房(

14、1) 排风扇和供风扇的限制与检测；(2) 用于保证湿度的加湿泵和废水槽循环泵的开停；(3) 用于去除废碴的刮碴机的限制与检测；(4) 用于保证喷房内一定风速的风压保护装置的检测；(5) 用于油漆输送管路上防冻的保护装置的检测；(6) 预防火灾的消防报警；(7) 电泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封胶烘房(1) 用于加热循环空气的热交换器风扇的限制；(2) 在电泳、底漆、面漆烘房出口处强冷风道的排风扇、供风扇和空气档扳限制；(3) 烘房内各工作区的温度检测；(4) 烘房内各工作区的燃烧点火限制；(5) 烘房内各工作区的热空气循环风扇的限制；(6) 用于废气燃烧的燃烧炉燃烧点火限制；(7) 燃烧炉内

15、温度检测和循环风扇的限制；(8) 供烘房内和燃烧炉内燃烧的煤气压力检测；(9) 用于向大气排放前有毒气体燃烧的尾气燃烧器的限制；(10) 密封调胶房进口和出口热风幕的限制；(11) 表冷器状态检测；温度和温度自动调节系统的监控为了保证汽车油漆涂装质量,其中一个重要的条件是各个工艺过程的环境温度和湿度要稳定在规定的范围内.为此在各个工艺设备上都安装有单回路调节 DR20 以构成闭环的温度和湿度限制回路,根据 PID 调节原理,使该处的温度和湿度自动地稳定在符合工艺要求的设定值上.由于这些单回路调节 DR20 通过网络连接现场 PLC 上,在中控室里的工控机上,通过 WinCC 可采集和设置这些单

16、回路调节 DR20的参数.所以,WinCC 可以监视各个工艺过程的实际环境温度和湿度,也可以根据工艺要求,通过改变设定值来限制这些环境温度和湿度.请参见附录九.下面是参与自动调节的各个温度点和湿度点在工艺设备上分布：a)预处理系统(1) 一、二、三和七区的热交换器温度；(2) 六区冷冻水温度和七区预热温度；b) 电泳系统冷冻水热交换器温度；c) 电泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封胶烘房(1)一、二、三和四区的温度；(2) 1#和 2#燃烧炉的温度；(3) 热交换器温度；(4) 强冷风道的供风温度；(5) 尾气燃烧温度；d)电泳打磨房和底漆打磨房加温/冷却管温度；e)底漆喷漆房、面漆喷漆房、粗密

17、封房、细密封房和报交/整理(1) 加温/冷却管温度；(2) 加湿槽的湿度；输送系统运行状态的限制与监测该油漆车间输送系统采用的是积放式悬挂输送链,共有 26 条输送链,6 台升降机.在中控室中央限制系统的统一限制和协调下,输送系统白 PLC 根据油漆车间各局部涂装工艺要求,限制各个输送链的相应运动,使系统完成被加工轿车的输送任务.在中控室 WinCC 工业组态软件的界面上,设有根据整个车间的实际位置绘制的输送限制系统的全局画面(详见图 5),和根据区域的实际位置绘制的各个局部画面(参见图 6).在这些画面上可以比拟详细地观察到这些输送链和升降机的具体位置和工作状态.WinCC 可监控的内容可归

18、纳成以下几个方面:图 5 输送限制系统的全局画面图 6 输送限制系统的局部画面a)输送链运行的状态链条过紧；链条过松；压缩空气故障；(4)驱动器运行状态；(5)马达隔离开关翻开;(6)马达超温；(7)转矩过载；(8)变频器中断；(9)变频器故障；b)升降机运行的状态(水平驱动和垂直驱动)(1)马达隔离开关翻开；(2)马达超温；(3)水平驱动：向前或向后超程；(4)垂直驱动：向上或向下超程；(5)水平驱动；转矩向前或向后过载；(6)垂直驱动：转矩向上或向下过载；(7)变频器中断；(8)变频器故障；c) 输送链限制装置的状态(1)斜坡平安保护故障；(2)道岔故障；(3)停止器故障；(4)生产急停；

19、(5)链与链的转换故障；d)输送链的交通限制(1)停止器之间在同一时间只准许一辆车；(2)从停止器到双重空区开关；(3)从停止器到空位开关和带计数器的停止器；(4)从停止器到尾部计数储存区；(4)岔道的限制；(5)从一条轨道通过岔道进入两条轨道；四.系统中几个特殊问题的处理下面是在该工程工程进行中遇到的几个比拟特殊问题的解决方法：系统命令的执行顺序在油漆车间中控室的 WinCC 的界面上,可以操作整个系统的停止与启动,系统可自动地按时间序续完成一系列动作：a)自动启动(AutoStart)是指系统完全停止后在系统的控制下根据顺序自动启动各种工艺设备,启动顺序的原那么为先烘房点火升温,再预处理系

20、统和电泳系统各种液槽加热升温,最后开起供排风扇,启动过程约 3 小时.b)自动停止(AutoStop)是用于节假日长时间停机,它是在系统的限制下,首先把所有液槽、喷房和烘房里小车排放干净,然后把小车输送到储存区,最后关闭所有设备.c)待机(Stand-By)是用于平时的短时间停机,它的操作过程除了燃烧炉以外,其它操作与自动停止都是相同的.在这里燃烧炉被限制在热备状态,即保持低温燃烧状态.输送链和升降机故障诊断输送系统由 26 条输送链和 6 台升降机组成,设备较多,分别进行故障诊断工作量大.为此,根据设备分类特点,编制了几个用于故障诊断的通用标准功能块 FB,可以涵盖所有输送链和升降机设备.由

21、于这些标准功能块 FB 可在程序中重复调用,不仅提升了工作效率,也提升了故障诊断的准确性.具体功能块 FB 说明如下：a) FB30HISPDCNV 快速输送链故障诊断b) FB31LOSPDCNV 低速输送链故障诊断c) FB35VFHZ 升降机水平驱动故障诊断d)FB36VFVR 升降机垂直驱动故障诊断WinCC 运行速度的提升用于该系统的 WinCC 工业组态软件,其用户程序编制的比拟庞大,使 WinCC 运行速度的降低,影响了系统功能.为此,我们采用以下方法提升 WinCC 运行速度,产生了较好的效果.a对于较复杂的逻辑运算和数学运算,尽量少使用 WinCC 的 C 脚本,最好由 PLC 去作,WinCC 只取最后运算结果.b合理的设置 Wi