鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的開發(fā)

林軼韜，劉建群, ，許東偉，高偉強(qiáng)

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.佛山智昂科技有限公司，廣東 佛山 528225）

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)在生產(chǎn)中對(duì)鋁型材的要求越來越高[1]，不僅要求型材能防銹防蝕，還要求型材表面有足夠的硬度和耐磨性[2]，這就需要對(duì)型材表面進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的處理方式是空氣噴涂，而隨著現(xiàn)代噴涂技術(shù)的發(fā)展，效率更高、噴涂質(zhì)量更好、更環(huán)保的靜電粉末噴涂正逐步取而代之[3]。靜電噴涂的原理是靜電場(chǎng)對(duì)電荷的作用[4]：將工件接地作為陽(yáng)極，噴槍作為陰極，即在噴槍上施加負(fù)電壓，令噴槍與工件之間形成靜電場(chǎng)，粉末從噴槍噴出時(shí)帶上負(fù)電荷，在電場(chǎng)力的作用下附著在工件上而形成均勻的薄膜[5]，多余的粉末通過回收系統(tǒng)回收。其效率高，經(jīng)濟(jì)效益好，對(duì)環(huán)境也很友好[6]。

采用自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行鋁型材的靜電噴涂加工可以顯著提高粉末的利用率和生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)部分高校和企業(yè)設(shè)計(jì)了基于編碼器和PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)的自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線[7-8]，能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的半自動(dòng)噴涂，但很多操作仍需人工完成，噴槍參數(shù)調(diào)整很繁瑣，人機(jī)界面比較簡(jiǎn)陋，不夠方便、友好。國(guó)外進(jìn)口的噴涂生產(chǎn)線雖自動(dòng)化程度高，但購(gòu)買和維護(hù)成本不低，不適用于對(duì)成本敏感的中小型企業(yè)。

根據(jù)鋁型材靜電噴涂的特點(diǎn)和企業(yè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，能方便快捷地在生產(chǎn)線上對(duì)噴槍的噴涂參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)噴槍的自動(dòng)噴涂控制，有效降低了企業(yè)的人力和物力成本，解決了國(guó)內(nèi)中小型鋁型材加工企業(yè)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度不高的問題。

1 硬件架構(gòu)

如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由研華PPC-3120S 工控機(jī)、意普興ESN14810L1N0-S 光幕傳感器、歐姆龍E6B2-CWZ6C 旋轉(zhuǎn)編碼器、西門子S7-200 Smart PLC、廣成科技GCAN-202 模塊和漢哲涂裝Milepost 噴槍從站等組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Figure 1 Hardware architecture of control system

PLC、CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))模塊、工控機(jī)均通過以太網(wǎng)與交換機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與交換。光幕傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC 相連，輸出信號(hào)到PLC。上位機(jī)軟件安裝在工控機(jī)上，通過TCP 協(xié)議讀取PLC 寄存器數(shù)據(jù)，由程序處理后經(jīng)過CAN 模塊1 將噴涂參數(shù)發(fā)送給各噴槍從站，每個(gè)噴槍從站連接一把噴槍。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，因此引入CAN 模塊2，當(dāng)最后一個(gè)從站接收到數(shù)據(jù)后，由軟件讀取CAN 模塊2 的數(shù)據(jù)并與CAN 模塊1 發(fā)送的數(shù)據(jù)同步比對(duì)，進(jìn)行糾錯(cuò)。

2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC 是編碼器、光幕傳感器與工控機(jī)之間的橋梁，承擔(dān)著傳遞信號(hào)和處理信息的任務(wù)[9]。為了滿足生產(chǎn)線的工作流程和自動(dòng)化的控制要求，PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括生產(chǎn)線布局、PLC 控制邏輯、PLC 程序流程3 個(gè)方面。

2.1 生產(chǎn)線布局

合適的生產(chǎn)線布局是滿足PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如圖2 所示，鋁型材固定在由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的吊掛線上，光幕傳感器用于檢測(cè)工件的位置，由于噴涂區(qū)內(nèi)粉塵較大，傳感器安裝在噴涂區(qū)之外。控制系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號(hào)和光幕傳感器的電平信號(hào)對(duì)工件進(jìn)行位置控制，由PLC 程序和上位機(jī)軟件程序進(jìn)行開關(guān)槍判斷，工件噴涂后進(jìn)入固化室固化處理[10]。

圖2 生產(chǎn)線布局Figure 2 Layout of production line

2.2 PLC 控制邏輯

為了確保鋁型材表面涂層厚度均勻，需要在鋁型材到達(dá)噴槍前一定距離就開啟噴槍，在離開噴槍后一定距離才關(guān)閉噴槍，所以在PLC 上對(duì)提前開槍和延遲關(guān)槍的時(shí)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3 所示，噴槍設(shè)置在噴涂區(qū)里，工件寬度為d，噴槍2 到光幕傳感器的距離為L(zhǎng)，預(yù)先設(shè)置的提前開槍和延遲關(guān)槍距離均為l。

圖3 PLC 控制邏輯Figure 3 PLC control logic

當(dāng)工件在吊掛線上運(yùn)行至其前沿接觸到光幕傳感器時(shí)，PLC 記錄下此時(shí)編碼器的脈沖數(shù)值，當(dāng)工件整體離開光幕時(shí)，PLC 再次記錄下此時(shí)編碼器的數(shù)值。以噴槍2 為例，經(jīng)過(L-l-d)的距離后，噴槍2開槍提前噴涂；再走過(2l + d)的距離后噴槍2 關(guān)槍。為了提高噴涂效率，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，在噴涂區(qū)同側(cè)或兩側(cè)交錯(cuò)設(shè)置多把噴槍，同時(shí)在PLC 程序上寫入多把噴槍的子程序，上位機(jī)讀取每把噴槍的開槍標(biāo)志位寄存器狀態(tài)即可判斷噴槍的開關(guān)槍。

2.3 PLC 程序流程

PLC 的輸入信號(hào)有光幕傳感器(輸入電平信號(hào))，旋轉(zhuǎn)編碼器(輸入脈沖信號(hào))以及急停、啟動(dòng)、暫停按鈕(輸入IO 數(shù)字信號(hào)，24 V)；輸出信號(hào)為啟動(dòng)、關(guān)閉噴槍信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)開始運(yùn)行后，上位機(jī)軟件讀取位置參數(shù)文件，將各參數(shù)寫入PLC 的相應(yīng)寄存器中，第一把噴槍的位置寄存器地址為VD0，提前值寄存器為VD4，延遲值寄存器為VD8，開槍標(biāo)志位寄存器為V1500.0，第二把噴槍的位置參數(shù)寄存器地址分別為VD12、VD16、VD20、V1500.1，以此類推，最多支持60 把噴槍的參數(shù)設(shè)置。光幕傳感器輸入為I0.6，編碼器數(shù)值的寄存器為VD1620。

如圖4 所示，設(shè)置完位置參數(shù)后PLC 開始讀取光幕傳感器信號(hào)，當(dāng)鋁型材進(jìn)入光幕時(shí)(光幕輸入信號(hào)由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑仙?記錄當(dāng)前編碼器的脈沖數(shù)值(起始位置)，并置位一個(gè)開始記錄標(biāo)志位。當(dāng)開始記錄標(biāo)志位有效且工件離開光幕時(shí)(光幕輸入信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，下降?，記錄當(dāng)前編碼器的脈沖數(shù)值(結(jié)束位置)，復(fù)位開始記錄標(biāo)志位。工件到達(dá)開槍位置時(shí)，PLC 開槍標(biāo)志位置位。工件到達(dá)關(guān)槍位置時(shí)，開槍標(biāo)志位復(fù)位。如此循環(huán)往復(fù)，直到噴涂結(jié)束。

圖4 PLC 程序流程Figure 4 Flowchart of PLC program

3 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件作為整個(gè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心組成部分，功能眾多。基于Windows 操作系統(tǒng)，以Qt 5.12 為開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了界面美觀、交互友好的上位機(jī)軟件。軟件的開發(fā)包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、CAN 模塊通信設(shè)計(jì)和PLC 通信設(shè)計(jì)。

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

如圖5 所示，人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了吊掛線速度、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行模式、工件識(shí)別參數(shù)、CAN 模塊狀態(tài)、PLC 狀態(tài)的顯示，2 個(gè)噴位噴涂參數(shù)的調(diào)整，噴涂配方的設(shè)置，每把噴槍的位置管理，系統(tǒng)的配置以及日志等功能。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開關(guān)槍的功能，用戶只需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和鋁型材狀態(tài)判斷膜厚情況，在人機(jī)界面上改變粉量、霧化(空氣流量)、高壓、電流4 個(gè)參數(shù)，通過上位機(jī)與噴槍從站的數(shù)據(jù)傳輸即可實(shí)時(shí)調(diào)整噴槍的噴涂狀態(tài)。

圖5 上位機(jī)軟件的人機(jī)界面Figure 5 Human-machine interface of upper computer software

3.2 CAN 模塊通信設(shè)計(jì)

CAN 模塊選用廣成科技GCAN-202，該型號(hào)支持TCP/IP 協(xié)議，開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)的Socket 套接字規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和CAN-BUS 總線數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，是噴槍從站與上位機(jī)軟件的媒介。PC 通過以太網(wǎng)與CAN 模塊連接，IP 地址為192.168.1.5，端口為56043，CAN 模塊的工作模式都設(shè)置為TCP Server，模塊1 的IP 地址為192.168.1.10，端口1 為4001，端口2 為4002，而模塊2 的 IP 地址為192.168.1.12，端口1 為4001，端口2 為4002。上位機(jī)與2 個(gè)模塊的通信通過Qt 中的QTcpSocket 類實(shí)現(xiàn)，在軟件中新建TCPControllerDevice 類，繼承于QTcpSocket。開設(shè) 2 個(gè)獨(dú)立線程類CANControllerModule 和CANReceiverModule，前者服務(wù)于CAN 消息發(fā)送，后者服務(wù)于CAN 消息接收，在這2 個(gè)類中分別創(chuàng)建2 個(gè)TCPControllerDevice 類的實(shí)例，調(diào)用connectToHost(QHostAddress &address, quint16 port)函數(shù)分別連接對(duì)應(yīng)模塊的2 個(gè)端口，使用waitForConnected(int msecs)函數(shù)判斷是否連接成功，成功則返回true，否則為false。發(fā)送消息時(shí)，上位機(jī)通過write(const char *data, qint64 maxSize)函數(shù)將數(shù)據(jù)幀寫入Socket 緩存，利用waitForBytesWritten()函數(shù)將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 模塊。若要斷開Socket 連接，則通過disconnectFromHost()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

如圖6 所示，上位機(jī)軟件與CAN 模塊建立通信后，將噴涂參數(shù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到CAN 模塊。數(shù)據(jù)幀包括13 個(gè)字節(jié)，第1 個(gè)字節(jié)為幀信息，用來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度；第2 至第5 個(gè)字節(jié)為噴槍從站的ID 和開關(guān)槍信息；第6 至第13 個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)信息，霧化、粉量、高壓、電流、清掃氣等噴涂參數(shù)存儲(chǔ)在此字節(jié)段。用戶在界面上設(shè)定的參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)紺AN 模塊，模塊將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成CAN-BUS 數(shù)據(jù)發(fā)送給噴槍從站，由從站內(nèi)置的CAN-BUS 模塊進(jìn)行分析處理，識(shí)別到噴涂參數(shù)的改變后對(duì)噴槍進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

圖6 噴涂參數(shù)的發(fā)送過程Figure 6 Process for sending the spraying parameters

3.3 PLC 通信設(shè)計(jì)

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，西門子的S7 系列PLC 由于功能強(qiáng)大、運(yùn)行速度快、擴(kuò)展性強(qiáng)而應(yīng)用廣泛。選用西門子S7 系列中S7-200 Smart 型號(hào)的PLC。它擁有12 點(diǎn)輸入、8 點(diǎn)繼電器輸出、以太網(wǎng)口，能滿足系統(tǒng)控制和通信的需要；擁有高速計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，能滿足程序設(shè)計(jì)的需求；并且具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

S7-200 Smart 可以通過以太網(wǎng)口與PC 進(jìn)行程序的下載和數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)傳輸所用到的通信協(xié)議是西門子的S7 Communication 協(xié)議(簡(jiǎn)稱S7 協(xié)議)。PC 與PLC 的通信分為3 個(gè)階段：

(1) 握手階段。當(dāng)PC 與PLC 通過Socket 建立連接時(shí)，會(huì)在此階段進(jìn)行“3 次握手”，這是標(biāo)準(zhǔn)的TCP 連接方式，由Socket 自動(dòng)完成。

(2) 通信請(qǐng)求和確認(rèn)階段。在握手階段之后，并不能馬上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，還需要經(jīng)過通信請(qǐng)求和確認(rèn)過程。這個(gè)過程包含兩次報(bào)文交換：第一次，PC 發(fā)送S7 協(xié)議的“握手包”COTP(Connection Oriented Transport Protocol，面向連接的傳輸協(xié)議)連接包給PLC，連接包的類型為CR(Connect Request，連接請(qǐng)求)，請(qǐng)求與PLC 進(jìn)行連接，而PLC 反饋COTP 連接包，連接包的類型為CC(Connect Confirm，連接確認(rèn))，確認(rèn)與PC 進(jìn)行連接，同時(shí)PLC 明確所連接PC 的IP 地址和端口；第二次，PC 發(fā)送S7 協(xié)議中類型為“Setup communication(建立通信)”的作業(yè)請(qǐng)求，PLC 反饋“連接確認(rèn)”的數(shù)據(jù)響應(yīng)，從而建立起PC 與PLC 的通信。

(3) 交換數(shù)據(jù)階段。在此階段，根據(jù)控制需要對(duì)PLC 發(fā)送作業(yè)請(qǐng)求，作業(yè)類型包括Run(運(yùn)行)、Read(讀取)、Write(寫入)、Stop(停止)等，在PC 發(fā)送作業(yè)請(qǐng)求之前，S7 協(xié)議會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)類型為DT(即Data──數(shù)據(jù))的COTP 功能包，表明后續(xù)要發(fā)送的幀為數(shù)據(jù)幀，PLC 不會(huì)對(duì)此功能包進(jìn)行反饋；PC發(fā)送作業(yè)請(qǐng)求后PLC 反饋報(bào)文，確認(rèn)數(shù)據(jù)響應(yīng)，回復(fù)報(bào)文內(nèi)容為成功、失敗或是PC 讀取某個(gè)寄存器返回的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

上位機(jī)軟件開設(shè)一個(gè)獨(dú)立線程類PLCControllerModule，在類中創(chuàng)建一個(gè)TCPControllerDevice 類的實(shí)例，軟件啟動(dòng)時(shí)連接PLC 的IP 地址和端口，PLC 的IP 地址為192.168.1.11，端口為102，經(jīng)過“握手階段”、“通信請(qǐng)求和確認(rèn)階段”建立與PLC 的通信。在“交換數(shù)據(jù)階段”，上位機(jī)軟件通過S7 協(xié)議中的“Run”作業(yè)請(qǐng)求運(yùn)行PLC，PLC 返回“success”后繼續(xù)通過“Write”作業(yè)請(qǐng)求對(duì)PLC 各位置值、各提前延遲值寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入，并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器m_pPlcReadDataTimer，每隔100 ms 發(fā)送一次“Read”作業(yè)請(qǐng)求，讀取從V1500.0 開始的各開槍標(biāo)志位的寄存器狀態(tài)，PLC 返回“1”時(shí)上位機(jī)軟件向?qū)?yīng)從站發(fā)送開槍消息，返回“0”時(shí)發(fā)送關(guān)槍消息。噴涂結(jié)束后，軟件發(fā)送“Stop”作業(yè)請(qǐng)求停止PLC的運(yùn)行。

4 實(shí)際應(yīng)用

以廣東肇慶某鋁型材加工企業(yè)為例，鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)如圖7 所示，24 個(gè)噴槍從站、工控機(jī)、CAN 模塊、PLC、交換機(jī)均安裝在左側(cè)電柜，右側(cè)電柜為供粉中心。系統(tǒng)應(yīng)用于該企業(yè)的2 個(gè)噴涂區(qū)(如圖8 所示)，每個(gè)噴涂區(qū)高10 m，為了便于回收粉末，區(qū)域設(shè)置為三角形，24 把噴槍交錯(cuò)設(shè)置在同側(cè)，由往復(fù)機(jī)帶動(dòng)上下噴涂。

圖7 鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)Figure 7 Control system for aluminum profile electrostatic powder spraying production line

圖8 噴涂區(qū)Figure 8 Spraying area

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的光幕傳感器距離噴涂區(qū)內(nèi)第一把噴槍5 000 mm，往復(fù)機(jī)上噴槍之間間隔150 mm，用戶在上位機(jī)軟件上寫入每把噴槍的位置參數(shù)，提前延遲值設(shè)置為200 mm，靜電噴涂參數(shù)設(shè)置如下：粉量60%，霧化(空氣流量)2 Nm3/h，高壓70 kV，電流40 mA。噴涂過程中，當(dāng)涂層較薄時(shí)可適當(dāng)增大粉量、高壓和電流，從而增加粉末的數(shù)量和帶電量；當(dāng)涂層較厚時(shí)，適當(dāng)增大霧化以擴(kuò)大粉末的霧幅、分散粉末涂料，或是減小粉量、高壓和電流。

待加工鋁型材長(zhǎng)7 000 mm、寬100 mm、厚50 mm，鋁型材之間距離為100 mm。噴涂過程如圖9 所示，此時(shí)鋁型材處于往復(fù)機(jī)上左側(cè)12 把噴槍的開槍范圍內(nèi)，但未進(jìn)入右側(cè)12 把噴槍的開槍范圍，所以左側(cè)噴槍開啟，右側(cè)噴槍關(guān)閉。生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行72 h 后，上位機(jī)軟件、PLC、CAN 模塊等仍正常工作，表明控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足了自動(dòng)化加工的控制要求。

GB/T 5237.4-2017《鋁合金建筑型材》規(guī)定鋁型材表面應(yīng)光滑、有光澤[11]，不允許出現(xiàn)鼓泡、腐蝕、裂紋、起皮等現(xiàn)象，涂層厚度應(yīng)在40 ～ 120 μm 范圍內(nèi)。從圖10 可以看出，由控制系統(tǒng)加工后的鋁型材表面光滑，隨機(jī)選取20 個(gè)點(diǎn)用天星ED300 型測(cè)厚儀測(cè)得涂層厚度為60 ～ 80 μm，符合國(guó)標(biāo)的要求。

圖9 噴涂過程Figure 9 Spraying process

圖10 噴涂結(jié)果Figure 10 Spraying result

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鋁型材靜電噴涂的特點(diǎn)和企業(yè)的實(shí)際需求開發(fā)了一套鋁型材靜電噴涂自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，完成了硬件平臺(tái)的搭建、PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件的開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)性能可靠，成本低廉，已投入企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)4 個(gè)多月，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了鋁型材靜電噴涂的自動(dòng)化加工，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和粉末的利用率，且加工后的鋁型材質(zhì)量符合國(guó)標(biāo)要求，是中小型鋁型材加工企業(yè)對(duì)靜電噴涂生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造的理想方案，具有良好的應(yīng)用前景。

附錄

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