汽车涂装车间厂房通风监控系统的研究

柳书桥，孙建业，魏成峰

(沈阳理工大学 辽宁省高速切削工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110159)

汽车涂装车间厂房通风监控系统的研究

柳书桥，孙建业，魏成峰

(沈阳理工大学 辽宁省高速切削工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110159)

分析了汽车涂装车间厂房通风系统的整体设计方案及控制方法。采用西门子S7－300PLC、PROFINET工业以太网、SINAMICS G120变频器、组态软件WinCC、远程输入输出模块ET200S及PN/PN Coupler构建控制系统，对采集的数据进行集中管理和实时监控。在实际运行过程中取得了良好效果，满足了设计要求。

涂装车间;厂房通风;PLC;PROFINET;PN/PN Coupler;WinCC

0 引言

汽车涂装车间要求空气经过处理后，具有一定的温度、气流速度、洁净度，厂房部分区域空气还需具备一定的湿度条件。采用厂房通风系统可以为涂装车间提供合适的工艺喷涂环境、员工工作环境和设备运行环境［1］。基于西门子S7－300PLC和组态软件WinCC的厂房通风监控系统保证了厂房内的温度在理想范围内变化。该系统在实际生产中不但节省了大量的现场操作和维护管理人员，而且提供了满足要求的空气，为企业的健康持续生产创造了条件。

1 系统机组组成

典型的机组由进风段、过滤段、加热段、表冷段、风机段、消声段和出风段组成。进风段有两个电动风阀，一个控制厂房外部进入厂房内的新鲜空气，另一个则控制从厂房内部进入的循环空气，风阀执行器状态与引风机运行状态具有连锁控制;进风段设置温湿度仪表，可以现场观察。过滤段采用袋式过滤器，外侧安装有压差表，当压力达到一定值时，需要清洁过滤袋［1］7。在加热段和表冷段，冷旁管和热旁管在结构上相似:其管道上均有一个循环泵，为水在管道中的流动提供源源不断的动力;连接进水管道和出水管道的回水管道上有一个单向阀。不同的是冷旁管中进水口处的温度为6℃，热旁管的进水口处的温度为90℃。风机段采用西门子变频器控制风机转速。消声段采用折片式复合消声器，内填吸音材料，消声效果好［1］8。出风段装有温度传感器检测机组处理后空气的温度。该厂房通风系统由六个机组组成，单个机组结构如图1所示。

图1 单个机组结构图

2 控制系统硬件设计

在控制系统硬件组态中，CPU模块选择运算能力较强、速度较快的西门子S7－300 CPU 317－2PN/DP。电源模块主要是为CPU及接口模块供电，要求I/O模块、接口模块和CPU模块所需电流之和小于电源模块的额定电流。选用电源模块PS307 5 A，通过背部总线给机架上其它模块提供5 VDC和24 VDC电源［2］。PROFINET是一种基于工业以太网技术的现场总线，是TCP/IP技术在现场总线的应用［3］。主控PLC通过PROFINET总线扩展六台ET200S(IM151－3 PN HF V7.0)接口模块实现远程I/O读写。风机段采用SINAMICSG120系列变频器来控制离心风机的转速。

PN/PNCoupler用于连接两个PROFINET网络进行数据交换［4］，实现厂房通风PLC与面漆喷房PLC的连锁。在两个项目中单独组态PN/PN Coupler时，地址映射区组态为Universalmodule类型，输入数据和输出数据的大小均组态为16字节。在确定了网络组态和物理层连通的前提下，PROFINET通过IP地址来建立主站PLC与分布式I/O分站之间的通讯。通讯前给主控PLC和分布式I/O设备分配单独且唯一的IP地址［5］。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

3 系统的软件设计

3.1 系统控制要求

系统使用STEP 7结构化编程方法进行编程。在编写程序前，需要编写与设备对应的功能块FB，其内部包括HMI基本信息、使能、故障及警告、运行模式、设备控制、信息/信号(如复位故障、报警灯)六项内容;FC需要通过调用对应的FB来实现对设备的控制。控制系统根据室外温度分为冬季模式和夏季模式，既可以自动控制，也可以在上位机上手动操作。根据工艺要求，系统单位时间内处理的空气量恒定，出风口处空气的温度稳定在20℃。

3.2 控制程序设计

由于六台机组的控制程序相似，控制程序以机组1为例进行说明。机组程序按功能分为进风段FC1000、加热段FC1001、表冷段FC1002、风机段FC1003、出风段FC1004五部分。根据每部分的控制设备相对独立的特点编写子程序。子程序通过背景数据块DB内部的标志位或状态位实现程序间的连锁，从而实现系统自动控制。

OB1、OB35、OB100是组织块。OB1是系统主程序，OB35为10 ms的闪烁脉冲，OB100是重新启动。当CPU从Stop状态到Run状态时，首先执行OB100－ ＞OB1－ ＞OB35［6］。OB35按设定的时间循环调用，与OB1无关。OB1根据程序执行时间依次循环调用:1.循环的基本功能FC403 2.PROFINET I/O诊断管理功能FC418 3.项目中央控制功能 FC404 4.基本功能结束功能FC404 5.系统故障诊断功能块FB218。OB35循环组织块是严格按照固定周期运作的中断程序，符合PID功能块对采样周期均等的要求，在设定循环时间10 ms后，OB35调用执行PID的功能FC。这些FC均是调用闭环控制器功能块FB320进行PID控制算法，实现对变频器频率、冷水阀和热水阀开合度的控制，从而实现在一定风量下达到对出口段空气温度的控制。

OB1调用FC500实现主控PLC电气柜监控。FC600为机组1的顺序启动，FC602为机组1的顺序停止;FC600和FC602均两次调用8步序列功能块FB227和故障诊断功能块FB221。FC900对机组1的电气柜监控。FC550为与面漆喷房的连锁功能，FB209接收与发送连锁信号，FB214、FB221监控诊断连锁时故障。程序结构如图3所示。

图3 程序结构框图

3.3 自动控制流程

在机组自动启动后，程序将依次自动执行开风门、热旁管预热、开送风机和引风机、热水阀使能、冷水阀使能五个步骤。利用 PID控制器调节引风机频率，使进入厂房的风量保持恒定;通过比较出风段温度值与设定温度值，利用PID控制器调节热水阀或冷水阀的开合度，实现出口段空气恒温控制的目的。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

4 人机界面设计

系统采用SIEMENS公司的WinCC作为上位机。除故障、报警、操作信息采用M点触发外，上位机通过DB块号从PLC中读取信息，方便系统调整参数。由于故障和报警信息已经存在于PLC的FB中，每一次相同功能块的调用，其背景数据块DB中故障报警信息都具有相同的结构，编写批处理程序，为上位机处理故障报警信息节省大量人力物力。

上位机开机运行后显示主画面(如图5所示)，所有能够进入车间的工作人员均可以查看上位机画面，而只有管理员或获得用户权限人员才可以登陆、修改监控系统参数，实现上位机与PLC的交互。界面上的多个按钮是监控子画面的切换键。子画面包括系统概览、六台机组的结构图、报警、连锁等。画面设备通过鼠标左键事件连接小画面。小画面包含设备状态、手动操作按钮、故障报警信息。在维修员解决报警或故障后，可以通过小画面上的“复位”按钮复位系统报警或故障。报警画面分为信息画面、报警画面、故障画面，方便维修员快速查找。所有模拟量开关点包括最小值故障、最小值警告、10个备用开关点、最大值警告、最大值故障，允许有权限人员在画面上修改14个模拟量开关点的设定值;所有模拟量都有实时趋势图形和历史记录，报表画面提供每间隔5分钟记录一次的数据，可以有选择性的导出、打印数据记录信息。

图5 启动主画面

为了保证生产的顺利进行，一旦设备出现故障，上位机上将会出现故障信息，电气柜三色灯塔红色亮起，同时蜂鸣器发出声音警告，维修人员会根据故障信息进行紧急处理［7］。

5 结束语

系统经过调试后，主要性能指标均达到或超过企业的要求，各性能参数修改十分灵活，现场工程师可以根据实际需要做出一定的修改。详细而完备的故障诊断能力，帮助维修人员快速解决故障，保证生产任务按计划进行。

［1］莫军.某涂装车间空调节能优化研究［D］.吉林:吉林大学，2011.

［2］周林，郑晟，寇晓颖.基于PLC和组态王的酚酞合成监控系统［J］.制造业自动化，2013 35(3):28－30.

［3］孙书芳，柴瑞娟，孙承志，等.西门子PLC高级培训教程［M］.北京:人民邮电出版社，2011.

［4］SIEMENS.SIMATIC总线连接PN/PN耦合器硬件安装和操作手［EB/OL］.(2010－06 －29)［2014－07 －13］.http://support.automation.siemens.com/CN/view/zh/44319532.

［5］吴达，郭洪，苏锡年，等.基于PROFINET的分布式I/O在汽车变速箱装配线中的应用［J］.制造业自动化，2010，32(5):142 －146.

［6］罗萍，罗志勇，岂兴明，等.西门子S7－300/400PLC工程实例详解［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

［7］孙建业，张斌，王国勋.西门子Simotion运动控制系统在托辊管生产中的应用［J］.制造技术与机床，2013，63(9):26－29.

A Research on Plant Ventilation Monitoring System in Automobile Painting Workshops

LIU Shu-qiao，SUN Jian-ye，WEICheng-feng
(Shenyang University of Science and Engineering，Liaoning High-speed Cutting Engineering and Technological Research Center，Shenyang Liaoning110159，China)

This paper analyzes the overall design and control scheme for the automobile painting workshop ventilation system.The control system，consisting of Siemens S7－300PLC，PROFINET Industrial Ethernet，Sinamics G120 inverter，configuration softwareWinCC，remote I/Omodule ET200S and PN/PN coupler，is used for centralized management and real-timemonitoring of the collected data.The system has achieved good results in actual applications，and canmeet the design requirements.

painting workshop;plant ventilation;PLC;PROFINET;PN/PN coupler;WinCC

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.028

TP273

A

1000－3886(2015)06－0087－03

定稿日期:2014－08－29

柳书桥(1989－)，男，湖北荆门人，硕士生，研究方向为现代机电装备及自动化技术。 孙建业(1957－)，男，辽宁沈阳人，教授，研究方向为数控技术及机电一体化。