華夢噴涂
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時間：2022/3/5 瀏覽次數：
針對國內鋁型材靜電噴涂加工生產線自動化程度不高的問題，開發了一套自動化生產線控制系統。搭建了基于工控機、PLC(可編程邏輯控制器)、CAN(控制器局域網)模塊與噴槍從站的控制系統硬件平臺，并以PLC為下位機，實現了生產線自動運行、傳感器信息采集、邏輯控制等功能，同時以工控機為上位機，設計了上位機與CAN模塊和PLC的通信軟件，完成了噴涂參數設置、噴槍從站控制、人機交互等功能的開發，最后在企業進行了實際應用。結果表明，該生產線控制系統能長時間穩定運行，實現了鋁型材靜電噴涂的自動化加工，提高了企業的生產效率。
隨著制造業的不斷發展，企業在生產中對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]，這就需要對型材表面進行處理。傳統的處理方式是空氣噴涂，而隨著現代噴涂技術的發展，效率更高、噴涂質量更好、更環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對電荷的作用[4]：將工件接地作為陽極，噴槍作為陰極，即在噴槍上施加負電壓，令噴槍與工件之間形成靜電場，粉末從噴槍噴出時帶上負電荷，在電場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回收。其效率高，經濟效益好，對環境也很友好[6]。
采用自動化生產線進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效率。國內部分高校和企業設計了基于編碼器和PLC ( Programm-able Logic Controller，可編程邏輯控制器)的自動噴涂生產線[7-8]，能實現生產線的半自動噴涂，但很多操作仍需人工完成，噴槍參數調整很繁瑣，人機界面比較簡陋，不夠方便、友好。國外進口的噴涂生產線雖自動化程度高，但購買和維護成本不低，不適用于對成本敏感的中小型企業。
根據鋁型材靜電噴涂的特點和企業的實際需求，設計和開發了一套鋁型材靜電噴涂生產線控制系統，能方便快捷地在生產線上對噴槍的噴涂參數進行調整，實現噴槍的自動噴涂控制，有效降低了企業的人力和物力成本，解決了國內中小型鋁型材加工企業生產線自動化程度不高的問題。
如圖1所示，該系統主要由研華PPC -3120S工控機、意普興ESN 14810 L1N0-S光幕傳感器、歐姆龍E6B2 -CWZ6C旋轉編碼器、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。PLC、CAN (Controller Area Network，控制器局域網)模塊、工控機均通過以太網與交換機連接，實現數據的傳輸與交換。光幕傳感器、旋轉編碼器與PLC相連，輸出信號到PLC。上位機軟件安裝在工控機上，通過TCP協議讀取PLC寄存器數據，由程序處理后經過CAN模塊1將噴涂參數發送給各噴槍從站，每個噴槍從站連接一把噴槍。由于現場干擾較大，因此引入CAN模塊2，當最后一個從站接收到數據后，由軟件讀取CAN模塊2的數據并與CAN模塊1發送的數據同步比對，進行糾錯。
2 PLC控制系統的設計
PLC是編碼器、光幕傳感器與工控機之間的橋梁，承擔著傳遞信號和處理信息的任務[9]。為了滿足生產線的工作流程和自動化的控制要求，PLC控制系統設計包括生產線布局、PLC控制邏輯、PLC程序流程3個方面。
2.1生產線布局
合適的生產線布局是滿足PLC控制系統設計的關鍵。如圖2所示，鋁型材固定在由電動機驅動的吊掛線上，光幕傳感器用于檢測工件的位置，由于噴涂區內粉塵較大，傳感器安裝在噴涂區之外。控制系統通過旋轉編碼器的脈沖信號和光幕傳感器的電平信號對工件進行位置控制，由PLC程序和上位機軟件程序進行開關槍判斷，工件噴涂后進入固化室固化處理[10]。
2.2 PLC控制邏輯為了確保鋁型材表面涂層厚度均勻，需要在鋁型材到達噴槍前一定距離就開啟噴槍，在離開噴槍后一定距離才關閉噴槍，所以在PLC上對提前開槍和延遲關槍的時機進行設計。如圖3所示，噴槍設置在噴涂區里，工件寬度為d，噴槍2到光幕傳感器的距離為L，預先設置的提前開槍和延遲關槍距離均為l。
當工件在吊掛線上運行至其前沿接觸到光幕傳感器時，PLC記錄下此時編碼器的脈沖數值，當工件整體離開光幕時，PLC再次記錄下此時編碼器的數值。以噴槍2為例，經過(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關槍。為了提高噴涂效率，可根據實際生產需要，在噴涂區同側或兩側交錯設置多把噴槍，同時在PLC程序上寫入多把噴槍的子程序，上位機讀取每把噴槍的開槍標志位寄存器狀態即可判斷噴槍的開關槍。2.3 PLC程序流程PLC的輸入信號有光幕傳感器(輸入電平信號)，旋轉編碼器(輸入脈沖信號)以及急停、啟動、暫停按鈕(輸入IO數字信號，24V)；輸出信號為啟動、關閉噴槍信號。控制系統開始運行后，上位機軟件讀取位置參數文件，將各參數寫入PLC的相應寄存器中，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，開槍標志位寄存器為V1500.0，第二把噴槍的位置參數寄存器地址分別為VD12、VD16、VD20、V1500.1，以此類推，最多支持60把噴槍的參數設置。光幕傳感器輸入為I0.6，編碼器數值的寄存器為VD1620。
如圖4所示，設置完位置參數后PLC開始讀取光幕傳感器信號，當鋁型材進入光幕時(光幕輸入信號由低電平轉變為高電平，上升沿)記錄當前編碼器的脈沖數值(起始位置)，并置位一個開始記錄標志位。當開始記錄標志位有效且工件離開光幕時(光幕輸入信號由高電平轉變為低電平，下降沿)，記錄當前編碼器的脈沖數值(結束位置)，復位開始記錄標志位。工件到達開槍位置時，PLC開槍標志位置位。工件到達關槍位置時，開槍標志位復位。如此循環往復，直到噴涂結束。
3 上位及軟件的設計
上位機軟件作為整個生產線控制系統的核心組成部分，功能眾多。基于Windows操作系統，以Qt5.12為開發平臺設計了界面美觀、交互友好的上位機軟件。軟件的開發包括人機界面設計、CAN模塊通信設計和PLC通信設計。3.1 人機界面設計如圖5所示，人機界面實現了吊掛線速度、系統運行狀態、運行模式、工件識別參數、CAN模塊狀態、PLC狀態的顯示，2個噴位噴涂參數的調整，噴涂配方的設置，每把噴槍的位置管理，系統的配置以及日志等功能。
在實際生產過程中，由于控制系統實現了自動開關槍的功能，用戶只需要根據經驗和鋁型材狀態判斷膜厚情況，在人機界面上改變粉量、霧化(空氣流量)、高壓、電流4個參數，通過上位機與噴槍從站的數據傳輸即可實時調整噴槍的噴涂狀態。
3.2 CAN模塊通信設計CAN模塊選用廣成科技GCAN -202，該型號支持TCP/IP協議，開發基于標準的Socket套接字規范，能夠實現以太網數據和CAN-BUS總線數據的相互轉換，是噴槍從站與上位機軟件的媒介。PC通過以太網與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。上位機與2個模塊的通信通過Qt中的QTcp Socket類實現，在軟件中新建TCP Controller Device類，繼承于QTcp Socket。開設2個獨立線程類CAN Controller Module和CAN Receiver Module，前者服務于CAN消息發送，后者服務于CAN消息接收，在這2個類中分別創建2個TCP Controller Device類的實例，調用connect To Host (QHost Address& address,quint16 port)函數分別連接對應模塊的2個端口，使用waitForConnected(intmsecs)函數判斷是否連接成功，成功則返回true，否則為false。發送消息時，上位機通過write(constchar *data,qint64 max Size)函數將數據幀寫入Socket緩存，利用wait For Bytes Written ()函數將緩存中的數據發送到CAN模塊。若要斷開Socket連接，則通過disconnect From Host ()函數實現。
如圖6所示，上位機軟件與CAN模塊建立通信后，將噴涂參數以數據幀的形式發送到CAN模塊。數據幀包括13個字節，第1個字節為幀信息，用來標識數據幀的長度；第2至第5個字節為噴槍從站的ID和開關槍信息；第6至第13個字節為數據幀的數據信息，霧化、粉量、高壓、電流、清掃氣等噴涂參數存儲在此字節段。用戶在界面上設定的參數通過以太網傳輸到CAN模塊，模塊將數據幀轉換成CAN-BUS數據發送給噴槍從站，由從站內置的CAN-BUS模塊進行分析處理，識別到噴涂參數的改變后對噴槍進行參數調整。
3.3 PLC通信設計在工業自動化生產中，西門子的S7系列PLC由于功能強大、運行速度快、擴展性強而應用廣泛。選用西門子S7系列中S7-200Smart型號的PLC。它擁有12點輸入、8點繼電器輸出、以太網口，能滿足系統控制和通信的需要；擁有高速計數器對編碼器的脈沖進行計數，能滿足程序設計的需求；并且具有價格低廉、性能穩定的優勢。
S7-200 Smart可以通過以太網口與PC進行程序的下載和數據的交換，數據傳輸所用到的通信協議是西門子的S7 Communication協議(簡稱S7協議)。PC與PLC的通信分為3個階段：
(1)握手階段。當PC與PLC通過Socket建立連接時，會在此階段進行“3次握手”，這是標準的TCP連接方式，由Socket自動完成。
(2)通信請求和確認階段。在握手階段之后，并不能馬上進行數據交換，還需要經過通信請求和確認過程。這個過程包含兩次報文交換：第一次，PC發送S7協議的“握手包”COTP (Connection Oriented Transport Protocol，面向連接的傳輸協議)連接包給PLC，連接包的類型為CR (Connect Request，連接請求)，請求與PLC進行連接，而PLC反饋COTP連接包，連接包的類型為CC (Connect Confirm，連接確認)，確認與PC進行連接，同時PLC明確所連接PC的IP地址和端口；第二次，PC發送S7協議中類型為“Setup communication(建立通信)”的作業請求，PLC反饋“連接確認”的數據響應，從而建立起PC與PLC的通信。
(3)交換數據階段。在此階段，根據控制需要對PLC發送作業請求，作業類型包括Run(運行)、Read(讀取)、Write(寫入)、Stop(停止)等，在PC發送作業請求之前，S7協議會自動發送一個類型為DT(即Data──數據)的COTP功能包，表明后續要發送的幀為數據幀，PLC不會對此功能包進行反饋；PC發送作業請求后PLC反饋報文，確認數據響應，回復報文內容為成功、失敗或是PC讀取某個寄存器返回的數據內容。
上位機軟件開設一個獨立線程類PLC Controller Module，在類中創建一個TCP Controller Device類的實例，軟件啟動時連接PLC的IP地址和端口，PLC的IP地址為192.168.1.11，端口為102，經過“握手階段”、“通信請求和確認階段”建立與PLC的通信。在“交換數據階段”，上位機軟件通過S7協議中的“Run”作業請求運行PLC，PLC返回“success”后繼續通過“Write”作業請求對PLC各位置值、各提前延遲值寄存器進行數據的寫入，并設置一個定時器m_p Plc Read Data Timer，每隔100ms發送一次“Read”作業請求，讀取從V1500.0開始的各開槍標志位的寄存器狀態，PLC返回“1”時上位機軟件向對應從站發送開槍消息，返回“0”時發送關槍消息。噴涂結束后，軟件發送“Stop”作業請求停止PLC的運行。
4 實際應用
以廣東肇慶某鋁型材加工企業為例，鋁型材靜電噴涂生產線控制系統如圖7所示，24個噴槍從站、工控機、CAN模塊、PLC、交換機均安裝在左側電柜，右側電柜為供粉中心。系統應用于該企業的2個噴涂區(如圖8所示)，每個噴涂區高10m，為了便于回收粉末，區域設置為三角形，24把噴槍交錯設置在同側，由往復機帶動上下噴涂。
現場設置的光幕傳感器距離噴涂區內第一把噴槍5000mm，往復機上噴槍之間間隔150mm，用戶在上位機軟件上寫入每把噴槍的位置參數，提前延遲值設置為200mm，靜電噴涂參數設置如下：粉量60%，霧化(空氣流量)2Nm3/h，高壓70kV，電流40mA。噴涂過程中，當涂層較薄時可適當增大粉量、高壓和電流，從而增加粉末的數量和帶電量；當涂層較厚時，適當增大霧化以擴大粉末的霧幅、分散粉末涂料，或是減小粉量、高壓和電流。
待加工鋁型材長7000mm、寬100mm、厚50mm，鋁型材之間距離為100mm。噴涂過程如圖9所示，此時鋁型材處于往復機上左側12把噴槍的開槍范圍內，但未進入右側12把噴槍的開槍范圍，所以左側噴槍開啟，右側噴槍關閉。生產線連續運行72h后，上位機軟件、PLC、CAN模塊等仍正常工作，表明控制系統性能穩定，滿足了自動化加工的控制要求。
GB/T5237.4–2017《鋁合金建筑型材》規定鋁型材表面應光滑、有光澤[11]，不允許出現鼓泡、腐蝕、裂紋、起皮等現象，涂層厚度應在40~120μm范圍內。從圖10可以看出，由控制系統加工后的鋁型材表面光滑，隨機選取20個點用天星ED300型測厚儀測得涂層厚度為60~80μm，符合國標的要求。
5 結語
根據鋁型材靜電噴涂的特點和企業的實際需求開發了一套鋁型材靜電噴涂自動化生產線控制系統，完成了硬件平臺的搭建、PLC控制系統的設計和上位機軟件的開發。控制系統性能可靠，成本低廉，已投入企業實際生產4個多月，運行穩定，實現了鋁型材靜電噴涂的自動化加工，提高了企業的生產效率和粉末的利用率，且加工后的鋁型材質量符合國標要求，是中小型鋁型材加工企業對靜電噴涂生產線進行自動化升級改造的理想方案，具有良好的應用前景。
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