鋁型材靜電噴涂生產線控制系統的開發

林軼韜，劉建群, ，許東偉，高偉強

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.佛山智昂科技有限公司，廣東 佛山 528225）

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(Programmable 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。

1 硬件架構

如圖1 所示，該系統主要由研華PPC-3120S 工控機、意普興ESN14810L1N0-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。

圖1 控制系統硬件架構Figure 1 Hardware architecture of control system

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?？刂葡到y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]。

圖2 生產線布局Figure 2 Layout of production line

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。

圖3 PLC 控制邏輯Figure 3 PLC control logic

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，24 V)；輸出信號為啟動、關閉噴槍信號?？刂葡到y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。

圖4 PLC 程序流程Figure 4 Flowchart of PLC program

3 上位機軟件的設計

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?；赪indows 操作系統，以Qt 5.12 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。

圖5 上位機軟件的人機界面Figure 5 Human-machine interface of upper computer software

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QTcpSocket 類實現，在軟件中新建TCPControllerDevice 類，繼承于QTcpSocket。開設 2 個獨立線程類CANControllerModule 和CANReceiverModule，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TCPControllerDevice 類的實例，調用connectToHost(QHostAddress &address, quint16 port)函數分別連接對應模塊的2 個端口，使用waitForConnected(int msecs)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(const char *data, qint64 maxSize)函數將數據幀寫入Socket 緩存，利用waitForBytesWritten()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disconnectFromHost()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。

圖6 噴涂參數的發送過程Figure 6 Process for sending the spraying parameters

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S7-200 Smart 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PLCControllerModule，在類中創建一個TCPControllerDevice 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_pPlcReadDataTimer，每隔100 ms 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10 m，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。

圖7 鋁型材靜電噴涂生產線控制系統Figure 7 Control system for aluminum profile electrostatic powder spraying production line

圖8 噴涂區Figure 8 Spraying area

現場設置的光幕傳感器距離噴涂區內第一把噴槍5 000 mm，往復機上噴槍之間間隔150 mm，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200 mm，靜電噴涂參數設置如下：粉量60%，霧化(空氣流量)2 Nm3/h，高壓70 kV，電流40 mA。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7 000 mm、寬100 mm、厚50 mm，鋁型材之間距離為100 mm。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72 h 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/T 5237.4-2017《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 ～ 120 μm 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 ～ 80 μm，符合國標的要求。

圖9 噴涂過程Figure 9 Spraying process

圖10 噴涂結果Figure 10 Spraying result

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?？刂葡到y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。

附錄

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