涂裝生產線前處理自動加藥裝置研制

廣東工業大學自動化學院 李幸澤 鄧詒宵 許錦標 曾珞亞 李學聰

引言

所謂涂裝即指對金屬和非金屬表面覆蓋保護層或裝飾層。隨著我國家電行業、日用五金、鋼制家具，鋁材構件、電器產品、汽車工業等領域的蓬勃發展，我國涂裝技術開始飛速的發展。按照珠三角科學發展觀要求，加快產業轉移和技術升級，傳統的勞動密集型要向技術密集型，集約型方向發展，這對我國工業生產技術升級是一個機遇同時也是挑戰。

1.現狀需求

涂裝工藝包括前處理和涂裝兩大部分。表面處理的質量直接影響涂層對被涂工件基材的附著力及材料的耐腐蝕性能。因此，要獲得高質量的產品，必須嚴格涂裝前的表面處理作業。通過前處理，是工件達到下列要求：①無油污及水分；②無銹跡及氧化物；③無酸、堿等殘留物；④工件表面達到一定的粗糙度。

廣東美的集團微波爐生產線的噴粉線是對微波爐機身進行涂裝的生產過程，因此，對噴粉線前處理工藝的嚴格控制直接關系到產品的質量和合格率。美的微波爐粉體線的生產過程由上掛、熱水洗、預脫脂、主脫脂、水洗1、水洗2、陶化、水洗3、水洗4、純水洗、烘干、噴粉、固化、下掛十四道工序組成。其中，脫脂和陶化工序是前處理工藝的關鍵環節。脫脂和陶化工序的生產質量控制是通過控制工藝溶劑的合理濃度、溫度、噴淋壓力來實現的，目前的現狀是，溫度和噴淋壓力都已實現了自動檢測與控制，而最為關鍵的工藝溶劑的濃度還是人工的手動方式(人工定時檢驗和添加溶劑)，其結果是工藝溶劑的濃度波動大，前處理質量控制粗放，勞動強度高，已經不能適應美的集團的信息化生產的需求。為此，提出研發“涂裝生產線前處理自動補藥裝置”。

2.技術方案

2.1 測量實驗

圖1 脫脂工序樣液測量曲線

圖2 陶化工序樣液測量曲線

圖3 PI控制簡化示意圖

前處理需要加藥的兩個工序是預脫脂和陶化，其有效成分游離堿度和陶化點數都不是標準可自動測量的化學參數，而是藥劑廠商自定義的關于溶液有效成分含量的單位。所以要實現前處理自動補藥功能，第一個環節就是找到與上述參數有相關性的標準可測量電化學參數，并可以作為間接反映溶液有效成分含量的參數。

實驗方法采用定時采集脫脂和陶化水槽樣液，采集周期至少含蓋兩次加藥周期。脫脂工序平均加藥周期為3小時/次，陶化工序平均加藥周期為1.5小時/次，由此確定脫脂采樣間隔為20min/次，陶化采樣間隔為10min/次。將采集的樣液按時間順序分類做好標簽，做完采樣工作后，帶回實驗室使用電化學測量儀器做PH值，電導率，氟離子濃度測量實驗，脫脂和陶化樣液按工廠傳統滴定法測出游離堿度和陶化點數參數，測量完數據后按時間坐標繪制曲線并做比較分析，找出具有相關性的參數。

按照上述實驗方法測出兩組實驗數據如圖1、2所示，脫脂工序游離堿度參數與可在線測量PH參數存在相關性，在第11個數據點水槽有加藥，兩個曲線都突變。陶化工序陶化點參數和氟離子參數具有很好的擬合性。在測量實驗不排除有誤差的存在，特別是滴定法測出數據存在手動誤差，以及電化學測量儀器的使用需要嚴格的測試環境、步驟和儀器校準等，都會影響到測量數據的準確性。

2.2 控制方法

2.2.1 開環控制

根據歷史經驗得到每天消耗藥液容量平均值Q(L)，以及直流電機流量P(L/min)，換算出每天加藥時間經驗值。控制系統采用脈寬控制，平均到每小時需要補液的時間，這樣可以按照經驗數據實現每天藥液的自動添加。理想控制模型如下公式所示。

y(t)為水槽藥液實時濃度值，B為0時刻水槽藥液濃度值，Kt為生產線消耗藥液濃度值，為時間的單調函數。系統控制要求y(t) ＞ B，因此加入脈寬控制，以補償生產線消耗的水槽藥液。如下公式所示。

要滿足y(t)＞B，需要R＞=K。由此需要經驗數據推算出K值，R為蠕動泵流量，可以通過脈寬控制調整。

圖4 補液裝置硬件方案

圖5 裝置前端技術方案

圖6 PLC控制軟件流程圖

圖7 觸摸屏監控主界面

2.2.2 閉環控制

前面介紹的控制方案不帶反饋環節，因此也不具備修正功能。閉環控制加入了檢測單元，根據測量值與設定值偏差量作為控制輸入，實現具有修正功能的反饋控制。控制模型如圖3所示。u為控制加藥泵加藥時長的脈寬比。e為水槽有效成分濃度期望值與測量值偏差。a為生產線工件對水槽有效成分消耗。數字PI控制器算法如下。

2.3 硬件方案

補液裝置硬件方案如圖4所示。考慮到工業現場對裝置穩定性可靠性高要求，選用三菱FX2N作為控制器，實現整個檢測和控制任務的調度和管理。蠕動泵是裝置的主要執行器件，共有四路，分別對應采樣，清洗，排水和補液四個功能，通過控制器合理控制邏輯，完成從水槽提取樣液，對電極清洗保養，以及向水槽添加藥劑溶液等控制任務。繼電器結合控制器對蠕動泵電源換向實現正反轉功能。

控制器前端技術方案如圖5所示。選用昆侖MCGS觸摸面板作現場操作界面，實現對控制器參數設置以及裝置運轉狀況查看和歷史數據查詢功能。觸摸屏面板與生產線信息服務器通過TCP/IP互聯，實現生產現場工藝參數備份和遠程查看等功能。

3.軟件實現

3.1 現場PLC程序

裝置軟件設計分為兩個部分，一個是現場控制器即可編程控制器PLC的程序設計，具備脫機運行功能，一個是面板人機交互界面程序設計，要求具備操作簡單，一目了然等特點。

PLC控制器軟件流程如圖6所示。裝置默認為啟動運行狀態，可選兩種控制方式，即開環控制和反饋控制。開環控制取消了反饋環節，通過對生產線長時間運行統計得出經驗控制數據，定時補充水槽藥劑容量。反饋控制按水槽溶劑期望值與當前測量值的偏差，使用PI控制算法計算每個檢測周期加藥時間占空比，達到對水槽溶劑濃度有效控制。軟件開發環境在windows系統下GX Developer 8.0編程軟件，用梯形圖編程語言編寫程序，通過自帶編程線下載程序代碼，也可以上載PLC內部數據寄存器歷史數據到PC端。

3.2 操作界面程序

MCGS觸摸屏作為裝置現場人機交互界面，需要編寫組態程序。MCGS系統包括組態環境和運行環境兩個部分。用戶的所有組態配置過程都在組態環境中進行，它幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境是一個獨立的運行系統，它按照組態結果數據庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。圖7給出了主監控界面圖。

本設計經過系統分析、搭建框架、制作動畫顯示畫面、編寫控制流程程序、連接設備驅動程序等工作實現了對系統的監控軟件設計。本軟件包括主監控界面、參數設定界面、歷史數據查詢界面、系統調試界面和系統配置界面。

4.問題思考

4.1 電極使用與維護

電化學傳感器應用在實驗室環境比較多，且使用條件嚴謹，不能長期浸泡在待測溶液中，否則會影響電極使用壽命；每次測量完成需要及時清洗電極至標準狀態，否則會影響下次測量數據的有效性；單次測量需要一個反應時間，待測量數據穩定，沒有大幅度跳變才算一次測量結束，大概2到3分鐘。本裝置是應用在工業現場環境，所以為了做到自動采集，需要給電極使用模擬一個合適的測量環境，以便在得到有效測量數據同時延長電極壽命。

電極長時間使用于油脂類溶液環境，而得不到有效清洗會在電極表面形成一層污垢，，這對電極測量準確性帶來很大影響。因此每隔兩到三個月對電極做一次檢查，用標準清洗液對電極做有效清洗是十分必要的。

4.2 數據備份

在PLC數據寄存器區開辟一塊區域作裝置關鍵數據備份。裝置測量周期可以手動設置，單次有效測量后做一次數據備份處理。采樣循環覆蓋存儲方法，當數據存儲地址超過設定存儲區域范圍，地址自動恢復到設定區域低地址，覆蓋存儲歷史測量數據，以便在應急情況能拿到第一手數據。按最大余量統計，測量周期為半小時一次，可以存儲最近10天的數據，測量周期越長，存儲數據時間范圍越大。

5.總結

涂裝生產線前處理自動補藥裝置在制造業生產線上應用前景廣闊，對生產線技術升級改造作用顯著。該裝置穩定有效運行，提高了生產線生產效率，并從客觀上很好的控制產品質量的穩定性。該裝置含有消耗溶劑原料統計功能，為生產物料管理提供可靠數據，提高了生產自動化水平，加快工廠現代化腳步。

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