Profibus-DP总线控制系统在汽车涂装工艺中的研究

李光兰，庞博

（1.天津冶金职业技术学院，天津 300400； 2.北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

1 引言

随着汽车行业的飞速发展，对自动化控制技术的要求越来越高，促进了现场总线控制技术在企业生产中的应用与推广。目前在多家企业中采用美国的罗克韦尔公司的工业控制网络技术，也有使用日本三菱PLC，OMRON CS1 等系列PLC控制设备，但是都存在各种不足。西门子公司的PROFIBUS 现场总线网络技术，为系统提供了一个完整的控制方案。本文就是将西门子公司的PROFIBUS 现场总线工业控制网络技术，应用于汽车涂装车间的流水线，从而在汽车涂装工艺中实现ProfiBus-DP 现场总线控制。

控制系统以1 个SIEMENS S7-300 PLC 和 7 个S7-200 PLC 机，作为涂装生产工序的控制核心部分。其中S7-300 为主站，7 个S7-200 作为分站，各站之间采用PROFIBUS-DP 总线数据传输。主站S7-300 控制器采集各分站数据，来协调各个分站正常运行，为总机站的监控程序提供数据。其中7 个分站分别完成——将车体输送到电泳烘干控制单元；密封胶、底漆喷涂烘干控制单元；中涂喷漆烘干控制单元；面漆喷涂烘干和空腔注蜡控制单元；检测单元；成、废品分拣及废品输送单元；提升入库单元的控制。输送系统包括用于将车体输送至各个工序的链条输送机、滚床、移行机、旋转装置、升降机，输送系统还包括吊挂车体的悬挂积放链、用于运送车体的空中滑橇系统、移动车体的地面滑橇系统、升降机、移行机等。系统的供电、启停等操作通过各站的操作面板进行控制。

2 站间通讯与硬件组态

系统通过PROFIBUS-DP现场总线来实现信息传送，符合其协议的设备有：EM277—S7-200DP通信模块；具有DP接口的Festo阀岛和S7-300 CPU 315-2DP；西门子cp5611 通信卡。本系统通过PROFIBUS-DP 总线及总线连接器连接到一起，该控制系统的DP 网络配置结构如图1 所示。

图1 一台S7-300PLC 与7 台S7-200PLC 联网Fig.1 A S7-300PLC and 7 S7-200PLC net work

硬件组态由S7 CPU315-2DP PLC 、S7 SM323 DI/DO 模块、S7 PS307 电源模块、PROFIBUS-DP总线及连接器、三位短柄选择开关、两位短柄选择开关、平头按钮、急停按钮、指示灯、警示器和从站地址、S7-300 主站、S7-200 分站与EM277 通讯地址、变频器通讯地址、阀岛、电磁阀等组成。

3 控制系统分析

3.1 1 号站：电泳烘干单元

电泳烘干控制单元，通过PROFIBUS-DP 网络控制输送系统，使各个工序之间相互通信。电泳烘干单元输送系统是整个涂装生产线中长度最长的，汽车生产输送线常见的设备有链条输送机、滚床、移行机、旋转装置、升降机、自行小车、滑撬等等。

1 号站初始状态为静止，启动设备，各单元开始工作，传送系统运行。由自行小车作为输送载体，当小车运送到电泳单元时，控制设备限位电磁铁动作挡住小车，禁止通行。此时，光感传感器检测到有自行小车到位，送车电机启动，带动拨销轮转动，使预涂装的车体下落，这时承载车体的设备是滑撬。当光感传感器检测到有滑撬和车体时，送车电机停止，进入电泳烘干控制的操作系统。在电泳烘干单元又有一个子网络需要PLC 控制一般金属表面的电泳涂装，其工艺流程为：预清理→上线→除油→水洗→除锈→水洗→中和→水洗→磷化→水洗→钝化→电泳涂装→槽上清洗→超滤水洗→烘干→下线等过程。滑撬和车体浸入泳槽通过直线、旋转、上下、安需停止、不同速度的切换完成电泳烘干程序。然后，将滑撬和车体送入下一站。在过滤系统中，一般采用一级过滤，过滤器为网袋式结构，孔径为25～75 μm。电泳涂料通过立式泵输送到过滤器进行过滤。从综合更换周期和漆膜质量等因素考虑，孔径50 μm 的过滤袋最佳，它不但能满足漆膜的质量要求，而且解决了过滤袋的堵塞问题。电泳涂装的循环系统一般将槽液的循环次数控制6～8 次/h 较为理想，不但保证漆膜质量，而且确保槽液的稳定运行。

目前电泳涂装采用超滤技术，实现了半封闭循环清洗，提高了电泳漆的利用率。反渗透技术已在水处理应用方面取得了显著效果，为了进一步减少电泳涂装的废水排放量，提高电泳漆的回收率，可将RO 技术应用于电泳涂装。

3.2 2 号站：涂封闭胶、喷涂免打磨底漆单元

本站利用平移机输送车体，传送系统将平移机及车体送入喷涂室后，在此站由机器人涂封闭胶，然后通过控制电磁阀，对车体进行喷涂免打磨底漆。由机器人负责喷漆后，喷涂室开始物理升温，并对车体进行烘干。烘干后，喷涂室降温，当降至常温时车体送往中涂喷漆烘干单元。在本站中子网络是机器人的控制系统。

3.3 3 号站：中涂喷漆烘干单元

本站启动，该单元滑撬平面链条输送系统开始运行。当滑撬及车体运动到位，控制设备限位气缸禁止通行，此时，光感传感器检测到有滑撬和车体，根据系统要求延时2～3 s，机器人的喷射电磁阀通电，为车体喷漆。喷涂完毕，室内物理升温，温度传感器是采用热敏电阻检测并由仪表加以显示，当温度升至35 ℃时，通过PID 进行温度控制，到规定时间停止加热，烘干完毕。启动物理降温系统，当室温降至32 ℃时停止降温，控制设备限位气缸电磁阀通电，允许滑撬和车体通行，2 s 后限位气缸电磁阀断电，工作结束。

3.4 4 号站：面漆喷涂烘干单元

本站启动，各单元的滑撬和车体开始转动，输送机构将滑撬及车体送入4 号站喷涂室，控制设备限位气缸阻止其通行，该单元开始一个新的工作周期。其控制过程与中涂喷漆烘干单元相同。喷涂操作也是由机器人控制系统进行。最后进行空腔注蜡，就是在车体底部4 个空腔中打入一定量的液态蜡，经过特定工艺流程使留在车体空腔内部的蜡形成均匀的保护蜡膜，令水滴无隙可入，保证了整车良好的防腐性能。喷涂完毕，进行烘干，烘干后，喷涂室物理降温，降至常温滑撬及车体送往检测单元。

3.5 5 号站：质量检测单元

本站启动，各单元的输送系统运动，当车体输送到位，控制设备限位电磁铁阻止其放行，在此站中经过六项检测和颜色鉴别。质量检测包括：涂层光泽、涂层抗冲击强度、涂层柔韧性、涂层附着力、涂层硬度和涂层厚度等物理机械性能。

1）涂层光泽：在涂装施工现场，涂层光泽是一个经常要检测的项目，可以用便携式光泽仪进行检测。为了提高测量的灵敏度，对于不同的光泽度范围，应该选用不同角度的光泽仪进行测量。

2）涂层抗冲击强度：冲击强度是测试涂层在高速负荷作用下的变形程度。样板受冲击部分距边缘距离应不少于15mm，测定涂层冲击强度时，每个样板上各冲击点的边缘距离亦不得少于15mm。

3）涂层柔韧性：汽车在涂装后，要经常受到使其变形的外力影响，导致涂层某些综合性能的反映，如抗拉强度、抗张强度、涂层与基底的附着力的柔韧性测定。

4）涂层附着力：一是检测涂层与被涂物表面的结合力；二是检测涂装施工质量，尤其是表面处理的质量。

5）涂层硬度：主要检测涂层机械强度，涂层被另一种更硬的物体穿入时所表现的阻力。

6）涂层厚度：要求控制汽车涂层的厚度要适当。

此外，检测单元还对该位置处的车体进行颜色检测。检测后，再将车体由链条传送输送到成、废品分拣单元。

3.6 6 号站：成、废品分拣及废品输送单元

该单元通过检测的信息将车体分为成品及废品，若为成品，则升降机、旋转机将车体旋转90°后送入提升入库单元；若为废品，则升降机将车体放到废品输送单元进行剔除。

3.7 7 号站：提升入库单元

将正品车体根据颜色的不同，分别将其放置到仓库规定单元的不同层中。

4 现场总线技术与传统的DSC 系统相比较优势

1)通讯信号精确，数据传递时不会产生错误， 误差小；

2)强调遵守相关标准，打破了大型企业垄断的格局，达到公开公正；

3)不同厂家遵守相同标准，设备可相互连接构成一个系统，可互操作互使用；

4)由于现场设备的智能化，使得现场具有功能自治性；

5)具有应用广泛、操作安全可靠、灵活性强；

6)可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，与DSC 系统相比节省了大量资金。

5 结论

西门子公司的PROFIBUS 现场总线网络技术，与罗克韦尔网络技术相比价格相对较低，质量好经久耐用，罗克韦尔自动化主要是生产流程控制，西门子更全面，系统性强，控制系统可以做的很大。而与三菱、欧姆龙比较，从系统的规模上来说，西门子适用于大规模控制系统，三菱、欧姆龙适用于中小系统。西门子PLC 用于大型工控自动化中数据处理，比三菱、欧姆龙性能好。西门子一直主张使用结构化编程，就是一台设备的程序由若干个子程序组成，每个子程序负责一个功能，需要的时候再通过主程序调用，这样有很多好处，比如查找故障，调试等都非常方便，而三菱、欧姆龙调试起来很麻烦，所以在汽车涂装工艺中选用西门子控制设备其优势最明显。

采用西门子公司的PROFIBUS 现场总线网络技术，为生产车间涂装控制系统提供了一个完整的解决方案。本文只是针对外围控制网络进行介绍，对于每一单元中的子网络还有更精细缜密的设计方案。总之，汽车行业的腾飞离不开自动化技术的更新换代，只有科学技术发展才有汽车生产的辉煌。

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