基于西門子PLC 車身涂裝烘干控制系統設計

劉甘霖，劉竹林，鮑連升

（湖北工業職業技術學院，湖北 十堰，442000）

引言

現代汽車生產涂裝工藝流程中車身需經過三次烘干程序，分別為電泳烘干、密封膠烘干、面漆烘干[1]。面漆烘干是工藝中最復雜、參數最難控制的環節。為了獲得高質量的涂層，在面漆烘干中的溫度、時間、空氣濕度等參數必須嚴格控制，優良的烘干參數控制才能使車漆質量得以保證，目前由于部分規模較小的汽車車身制造廠家面臨自動化升級改造，多采用繼電器控制的烘干房設計，為節省改造成本，在原有的直通式烘房結構的基礎上，將繼電器控制系統改造成PLC 控制系統。本文以西門子S7-200smartPLC 為控制器，從總體設計方案、控制系統設計、人機界面設計幾個方面設計出直通式烘房的烘干控制系統，對小廠區自動化改造具有一定的通用性。

1 直通式烘干房結構

直通式烘房為長方體結構，因其結構簡單、制造成本低而被很多車身部件生產企業所使用，但存在熱量損失大、空氣雜質含量較高、生產時產生廢氣較多等缺點[2]，隨著自動化升級改造以及保溫材料的改善和工藝的提升，部分缺點得到逐步控制。直通式烘房結構圖如圖1 所示。

圖1 直通式烘房結構示意圖

2 車身噴漆烘干控制系統總體設計方案

本控制系統適用于簡單的直通式烘房，加熱方式采用燃氣集中加熱，分段控制的方式，即采用一個主燃燒器，每一組的溫度由本段單獨控制，整個烘干房溫控系統較復雜，控制信號數量多，按功能分為溫度檢測系統、燃燒器控制系統、熱風循環控制系統、風嘴方向控制系統、輸送鏈控制系統、上位機交互顯示系統[3-4]。控制系統的總體結構圖如圖2 所示：

圖2 控制系統總體結構圖

3 控制系統設計

3.1 控制系統的硬件設計

采用西門子S7-200smartPLC 作為控制器，人機交互采用昆侖通態觸摸屏，按功能不同分為溫度采集系統、燃燒器控制系統、熱風循環控制系統、風嘴方向控制系統、輸送鏈控制系統、上位機監控系統。其PLC 部分硬件接線圖如圖3 所示。

圖3 PLC 部分硬件接線圖

溫度采集主要使用PT100 熱電阻傳感器將其轉換為電信號后經過變送器轉換成4-20ma 信號再傳送至PLC 模擬量輸入模塊。燃燒器控制系統比較復雜，主要由送風、燃料、點火、監測以及電控五部分組成，由于燃燒器設備由其他廠家提供，故本系統僅對燃燒器出口壓力及溫度進行監控采集。熱風循環控制系統直接作用于烘房，本系統通過調節風閥的開度和風機的頻率控制送風量。風嘴方向控制系統主要作用于不同車型的烘干，在烘干房周圍布置多個風嘴，可以機械手動調節位置方向，也可以通過參數設置進行軟件自動調節方向。輸送鏈控制系統由輸送鏈電機變頻器控制，主要控制輸送鏈的速度以適應不同類型的烘干工藝。上位機監控系統采用MCGSE 嵌入版進行開發。

3.2 控制系統的軟件設計

根據車身烘干工藝要求，要求將車身置于185+10°環境下烘干約30 分鐘[5-6]。由此得出輸送鏈的速度v（m/min）設定與烘房長度L（m）的關系v=L/30，本系統烘房設計長度為25m，則設定速度約0.83m/min。熱風循環控制系統為了避免兩者同時調節產生干擾，采用先調節風閥再調節風機頻率的方式，通過先給定一個風閥開度和頻率初始值，在調節過程中，當風閥調節至最大時，如果溫度監測值達不到要求，再通過調節風機頻率來控制送風量。其溫度控制系統的基本組成如圖4 所示。

圖4 控制系統基本組成

本系統由于烘房空間大，加熱速度緩慢，具有典型的大時滯特性[7]，采用分段PID 控制，在溫度未達到160℃之前采用純比例加熱模式，采取循環風閥開度100%，循環風機工頻運行。溫度達到160℃以后采取PID 控制使溫度穩定在185+10℃，當溫度達到175℃時啟動輸送鏈電機，將待烘干車身運送至烘干室。

4 人機界面設計

觸摸屏操作界面采用MCGSE 嵌入版進行開發，觸摸屏主要提供給操作人員設置系統啟動、停止，風嘴方向，輸送鏈啟停，顯示風閥開度、風機頻率及其運行信息等，部分設計界面如圖5 所示。

圖5 觸摸屏設計界面

5 結語

本文根據直通式汽車烘干房的工藝要求，設計了以西門子S7-200smart PLC 為核心控制器的通用控制系統，采用MCGSE 嵌入版組態軟件開發觸摸屏界面，使用分段PID 控制烘干房內溫度，與輸送鏈控制系統、燃燒機控制系統聯動，實現了整個汽車漆面烘干過程的自動化生產，特別適合規模較小的廠區進行自動化改造，系統具有良好的通用性，降低原材料損耗，節約生產成本。