基于西門子PLC 車身涂裝烘干控制系統(tǒng)設(shè)計

劉甘霖，劉竹林，鮑連升

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰，442000）

引言

現(xiàn)代汽車生產(chǎn)涂裝工藝流程中車身需經(jīng)過三次烘干程序，分別為電泳烘干、密封膠烘干、面漆烘干[1]。面漆烘干是工藝中最復(fù)雜、參數(shù)最難控制的環(huán)節(jié)。為了獲得高質(zhì)量的涂層，在面漆烘干中的溫度、時間、空氣濕度等參數(shù)必須嚴格控制，優(yōu)良的烘干參數(shù)控制才能使車漆質(zhì)量得以保證，目前由于部分規(guī)模較小的汽車車身制造廠家面臨自動化升級改造，多采用繼電器控制的烘干房設(shè)計，為節(jié)省改造成本，在原有的直通式烘房結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將繼電器控制系統(tǒng)改造成PLC 控制系統(tǒng)。本文以西門子S7-200smartPLC 為控制器，從總體設(shè)計方案、控制系統(tǒng)設(shè)計、人機界面設(shè)計幾個方面設(shè)計出直通式烘房的烘干控制系統(tǒng)，對小廠區(qū)自動化改造具有一定的通用性。

1 直通式烘干房結(jié)構(gòu)

直通式烘房為長方體結(jié)構(gòu)，因其結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低而被很多車身部件生產(chǎn)企業(yè)所使用，但存在熱量損失大、空氣雜質(zhì)含量較高、生產(chǎn)時產(chǎn)生廢氣較多等缺點[2]，隨著自動化升級改造以及保溫材料的改善和工藝的提升，部分缺點得到逐步控制。直通式烘房結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 直通式烘房結(jié)構(gòu)示意圖

2 車身噴漆烘干控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本控制系統(tǒng)適用于簡單的直通式烘房，加熱方式采用燃氣集中加熱，分段控制的方式，即采用一個主燃燒器，每一組的溫度由本段單獨控制，整個烘干房溫控系統(tǒng)較復(fù)雜，控制信號數(shù)量多，按功能分為溫度檢測系統(tǒng)、燃燒器控制系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)、風(fēng)嘴方向控制系統(tǒng)、輸送鏈控制系統(tǒng)、上位機交互顯示系統(tǒng)[3-4]。控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示：

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

采用西門子S7-200smartPLC 作為控制器，人機交互采用昆侖通態(tài)觸摸屏，按功能不同分為溫度采集系統(tǒng)、燃燒器控制系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)、風(fēng)嘴方向控制系統(tǒng)、輸送鏈控制系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)。其PLC 部分硬件接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 部分硬件接線圖

溫度采集主要使用PT100 熱電阻傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成4-20ma 信號再傳送至PLC 模擬量輸入模塊。燃燒器控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要由送風(fēng)、燃料、點火、監(jiān)測以及電控五部分組成，由于燃燒器設(shè)備由其他廠家提供，故本系統(tǒng)僅對燃燒器出口壓力及溫度進行監(jiān)控采集。熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)直接作用于烘房，本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)閥的開度和風(fēng)機的頻率控制送風(fēng)量。風(fēng)嘴方向控制系統(tǒng)主要作用于不同車型的烘干，在烘干房周圍布置多個風(fēng)嘴，可以機械手動調(diào)節(jié)位置方向，也可以通過參數(shù)設(shè)置進行軟件自動調(diào)節(jié)方向。輸送鏈控制系統(tǒng)由輸送鏈電機變頻器控制，主要控制輸送鏈的速度以適應(yīng)不同類型的烘干工藝。上位機監(jiān)控系統(tǒng)采用MCGSE 嵌入版進行開發(fā)。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)車身烘干工藝要求，要求將車身置于185+10°環(huán)境下烘干約30 分鐘[5-6]。由此得出輸送鏈的速度v（m/min）設(shè)定與烘房長度L（m）的關(guān)系v=L/30，本系統(tǒng)烘房設(shè)計長度為25m，則設(shè)定速度約0.83m/min。熱風(fēng)循環(huán)控制系統(tǒng)為了避免兩者同時調(diào)節(jié)產(chǎn)生干擾，采用先調(diào)節(jié)風(fēng)閥再調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率的方式，通過先給定一個風(fēng)閥開度和頻率初始值，在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)風(fēng)閥調(diào)節(jié)至最大時，如果溫度監(jiān)測值達不到要求，再通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率來控制送風(fēng)量。其溫度控制系統(tǒng)的基本組成如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)基本組成

本系統(tǒng)由于烘房空間大，加熱速度緩慢，具有典型的大時滯特性[7]，采用分段PID 控制，在溫度未達到160℃之前采用純比例加熱模式，采取循環(huán)風(fēng)閥開度100%，循環(huán)風(fēng)機工頻運行。溫度達到160℃以后采取PID 控制使溫度穩(wěn)定在185+10℃，當(dāng)溫度達到175℃時啟動輸送鏈電機，將待烘干車身運送至烘干室。

4 人機界面設(shè)計

觸摸屏操作界面采用MCGSE 嵌入版進行開發(fā)，觸摸屏主要提供給操作人員設(shè)置系統(tǒng)啟動、停止，風(fēng)嘴方向，輸送鏈啟停，顯示風(fēng)閥開度、風(fēng)機頻率及其運行信息等，部分設(shè)計界面如圖5 所示。

圖5 觸摸屏設(shè)計界面

5 結(jié)語

本文根據(jù)直通式汽車烘干房的工藝要求，設(shè)計了以西門子S7-200smart PLC 為核心控制器的通用控制系統(tǒng)，采用MCGSE 嵌入版組態(tài)軟件開發(fā)觸摸屏界面，使用分段PID 控制烘干房內(nèi)溫度，與輸送鏈控制系統(tǒng)、燃燒機控制系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)了整個汽車漆面烘干過程的自動化生產(chǎn)，特別適合規(guī)模較小的廠區(qū)進行自動化改造，系統(tǒng)具有良好的通用性，降低原材料損耗，節(jié)約生產(chǎn)成本。