冷型噴涂自動測溫測厚系統(tǒng)

賈　英　

（邢臺軋輥機電工程有限公司，河北　邢臺　054035）

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冷型噴涂自動測溫測厚系統(tǒng)

賈英

（邢臺軋輥機電工程有限公司，河北邢臺054035）

本文簡述了以自動化測量噴涂涂料厚度代替人工測量的設(shè)計思路。通過在上位機的組態(tài)軟件Wincc中建立OPC過程驅(qū)動程序，建立變量相鏈接，完成上位機和下位機PLC的數(shù)據(jù)通訊，控制噴槍小車的移動速度和氣動控制測厚傳感器的平穩(wěn)下降，使噴涂測厚高效精準(zhǔn)，杜絕了人工測量干擾帶來的精度的降低。

噴涂；測厚；測溫；旋轉(zhuǎn)角度；自動測量

長久以來，測量冷型噴涂涂料的溫度、厚度均是人工操作［1］。人工操作存在許多不足。冷型噴涂涂料厚度測量是操作人員手持測厚儀按在涂層上，測出厚度，然后記錄下測厚結(jié)果，人工操作由于每個人測厚時按壓力量不同，或同一個人在不同點按壓力量不同，測厚儀為指針式，每個人讀數(shù)有區(qū)別，造成測得的數(shù)據(jù)有一定的人為誤差，無法確認(rèn)涂料厚度在整個冷型內(nèi)部的均勻性狀況。

冷型溫度測量通過將溫度計插入到冷型鉆孔中，人為讀取溫度計上的溫度，噴涂時，取下溫度計，噴涂中或噴涂完成后需要測溫，再把溫度計插上，讀取溫度并進行記錄。這樣人工操作也容易產(chǎn)生人為誤差，并且操作不方便。

按照工藝要求，冷型溫度達到一定時，進行噴涂作業(yè)，高于此溫度及低于此溫度作業(yè)，對涂層強度都產(chǎn)生影響，生產(chǎn)過程中不能對冷型強度進行檢測，全部依靠工藝操作執(zhí)行過程來保證涂層質(zhì)量，噴涂過程數(shù)據(jù)是人工記錄。

整個過程數(shù)據(jù)全部是人工記錄，數(shù)據(jù)記錄的及時性、準(zhǔn)確性、真實性無法評價。在后續(xù)工作中發(fā)生涂層質(zhì)量問題時，因為沒有可靠的數(shù)據(jù)支撐進行準(zhǔn)確查找，使問題解決困難。

一、機械設(shè)計部分

1.涂層自動測厚機構(gòu)

涂層自動測厚機構(gòu)是在原有冷型噴涂機基礎(chǔ)上進行改造，由于考慮到測厚探頭質(zhì)量小，控制精度高，因此考慮設(shè)計為氣動機構(gòu)，設(shè)計原理如下：

（1）氣缸的設(shè)計選型

考慮冷型涂層強度，避免氣缸壓下時將涂層壓壞，測厚氣缸壓下時的壓力必須模擬手動測厚時的壓力，不易超過 2kg·f。根據(jù)測厚探頭總重（包括固定支架等）約為0.5kg，氣包風(fēng)壓約為0.6MPa，暫取氣包后減壓閥后壓力為0.4MPa，初步計算氣缸內(nèi)徑為D=2（mg/3.14P）1/2=2×（0.5kg×10m/s2/3.14×0.4×106Pa）1/2=0.002m=4mm，考慮現(xiàn)場環(huán)境及氣缸固定安裝方式，選擇亞德克ISO6432標(biāo)準(zhǔn)型不銹鋼迷你氣缸MIC型，因該型號氣缸缸徑最小為16mm，選擇行程為200mm，故氣缸選型為MIC-16×200-CA。因氣缸內(nèi)徑較計算值大，在測厚探頭壓下時容易造成探頭及冷型涂層的損壞，故在氣缸壓下端增加一套二級減壓閥，壓力調(diào)節(jié)范圍為0.05-0.9MPa，保證氣缸下降測厚時壓力能控制在0.05MPa以下，測厚時探頭對涂層壓力為F=0.5kg×10m/s2+（0.05×106Pa×3.14×0.0082m2）=15N=1.5kg·f＜2kg·f，故選定氣缸為亞德克ISO6432標(biāo)準(zhǔn)型不銹鋼迷你氣缸，型號為MIC-16×200-CA。

（2）氣缸速度的控制

因考慮到冷型涂層溫度較高（約180℃），容易對測厚探頭造成高溫?fù)p壞，所以在氣缸進出口處各加裝一套進氣單向節(jié)流閥對氣缸在測厚過程中的“上升/下降”速度進行調(diào)節(jié)，保證測厚探頭與涂層接觸時間不超過兩秒，然后快速提升脫離與涂層的接觸；同時保證氣缸壓下時速度緩慢平穩(wěn)，不會造成測厚探頭與冷型涂層接觸時產(chǎn)生撞擊，損壞涂層與測厚探頭。此“上升/下降”速度的調(diào)節(jié)過程在安裝后現(xiàn)場進行調(diào)試完成。

（3）測厚探頭的改進

測厚探頭選用數(shù)字式探頭，并可進行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)冷型涂層溫度高，選擇耐高溫型，但是最高耐溫只有120℃，無法達到冷型噴涂溫度要求，同時探頭使用壽命大大降低。

為了進一步對測厚探頭進行高溫保護，將探頭外部加裝水冷保護套及風(fēng)冷吹風(fēng)口，對探頭進行降溫保護，保證探頭的正常使用壽命。如圖1所示。

圖1　高溫測厚儀風(fēng)冷水冷套圖

2.冷型測厚位置的確定

為了能夠保證對冷型圓周及軸向位置的準(zhǔn)確定位，并對冷型測厚值及測厚位置進行實時對應(yīng)記錄，設(shè)計時在測厚小車軸承箱及冷型托輪主動軸處各設(shè)置了一套編碼器對測厚小車行走位置及冷型轉(zhuǎn)動角度進行控制和記錄。

（1）考慮到編碼器的安裝位置，直接將編碼器安裝在托輪機構(gòu)主動軸上改造施工難度大、改造費用高，因此考慮將編碼器安裝在與托輪主動軸直連的減速機三段軸上，這樣既滿足了同樣的使用效果，又降低了改造難度及成本。由于改造前減速機三段軸為單出軸，不便于安裝編碼器，因此將減速機三段軸重新定制為雙出軸，并加工制作了編碼器連接套及編碼器固定支架對編碼器進行安裝定位。

（2）冷型轉(zhuǎn)動的制動?？紤]到冷型在隨冷型托輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動時，慣性較大，在電機停止后，冷型因慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動，無法準(zhǔn)確控制冷型轉(zhuǎn)動角度，因此在減速機一段軸處加裝一套與ZQ500減速機配套制動器：YWZ4B-300/E80。由于原減速機一段軸為單出軸，且電機與減速機為皮帶傳動，無法滿足制動器的安裝要求，因此將減速機一段軸重新定制為雙出軸，并考慮到現(xiàn)場安裝位置將電機進行重新定位，如上圖所示。

二、測厚裝置和測溫裝置

1.冷型涂層測厚裝置

在冷型涂層測厚小車前端固定安裝一個涂層測厚探頭及位置標(biāo)尺，探頭加裝風(fēng)冷吹掃裝置，在冷型涂層測厚小車后端制作一個涂層測厚儀儀表箱，將涂層測厚儀放置在儀表箱內(nèi)，涂層測厚探頭與涂層測厚儀通過測試線連接。工控機安裝在配電柜內(nèi)，并安裝無線接受模塊及測厚儀自帶標(biāo)準(zhǔn)軟件，測量時按“噴槍上升”或“噴槍下降”按鈕來調(diào)節(jié)測厚探頭達到標(biāo)尺位置，將探頭垂直壓緊測量表面，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動抬起探頭，涂層測厚儀將測量數(shù)據(jù)無限發(fā)送至計算機，計算機會實時顯示并記錄測量數(shù)據(jù)。

2.冷型溫度檢測裝置

冷型測溫現(xiàn)場安裝德國歐普士帶激光瞄準(zhǔn)的紅外測溫探頭，以及溫度顯示控制箱，測量位置對準(zhǔn)冷型軌道，因為冷型軌道為加工面，測溫準(zhǔn)確，控制向內(nèi)溫控儀表通過RS-232轉(zhuǎn)RS-485通訊模塊與計算機連接。在噴粉罐風(fēng)管路安裝一個電磁閥，工件安放到位后開啟測溫裝置電源，對熱處理后冷型進行實時溫度測量，測量范圍-45—-975℃，測量結(jié)果傳送至控制箱無紙記錄儀，同時工件溫度數(shù)據(jù)通過 RS485數(shù)據(jù)線實時傳送數(shù)據(jù)到計算機，計算機安裝無紙記錄儀標(biāo)準(zhǔn)配套軟件，可實現(xiàn)溫度的實時顯示以及歷史數(shù)據(jù)分析，并可形成電子表格文件。

當(dāng)冷型溫度降至生產(chǎn)工藝要求噴涂溫度時，由設(shè)定好的無紙記錄儀發(fā)出信號，控制繼電器接點閉合，控制噴粉罐風(fēng)管路電磁閥開，噴涂開始，本系統(tǒng)設(shè)置手動自動選擇開關(guān)，自動時依據(jù)無紙記錄儀溫度信號控制噴涂電磁閥開啟，噴涂完成手動關(guān)閉噴涂設(shè)備。

三、冷型噴涂自動測溫測厚控制系統(tǒng)

下位機采用西門子S7-200PLC控制系統(tǒng)運行，上位機用WICC進行監(jiān)控及工藝參數(shù)設(shè)置。通過一根PC/PPI電纜完成上位機和下位機的硬件連接。通過PC Access創(chuàng)建OPC服務(wù)器，并建立變量與S7-200PLC的地址相鏈接；在Wincc中建立OPC過程驅(qū)動程序，和OPC服務(wù)器中建立的變量相鏈接，從而完成上位機和下位機的數(shù)據(jù)通訊?？刂葡到y(tǒng)各組成部分及功能介紹如下：

1.噴槍上升/下降

通過按控制臺的噴槍上升/下降按鈕，將輸入信號傳送給PLC，通過PLC程序控制，輸出信號令噴槍上升/下降繼電器得電，進而噴槍上升/下降接觸器得電，從而完成噴槍電機正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，來調(diào)節(jié)噴槍的上升/下降。在測厚前，應(yīng)該通過操作控制臺上的噴槍上升/下降按鈕，將測厚探頭調(diào)節(jié)到合適的標(biāo)尺位置。

2.小車運行

（1）小車前進/后退/停止

圖2　控制系統(tǒng)控制邏輯圖

小車前進原理：在上位機Wincc系統(tǒng)中設(shè)定好小車前進位置，設(shè)定值傳送到PLC中，小車實際位置信息通過編碼器反饋到PLC中，通過PLC程序運算比較后，當(dāng)實際位置沒有達到設(shè)定位置時，PLC向變頻器發(fā)出前進指令，變頻器驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，小車前進；當(dāng)實際位置等于或大于設(shè)定位置時，PLC向變頻器發(fā)出停止前進指令，變頻器驅(qū)動電機停轉(zhuǎn)，小車自動停止。

（2）小車行進速度

圖3　小車控制邏輯圖

調(diào)速原理：在上位機Wincc系統(tǒng)中設(shè)定好電機的轉(zhuǎn)速，設(shè)定值傳送到PLC中，經(jīng)過PLC程序運算后，運算結(jié)果通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成 0-10V的電壓信號，將電壓信號傳給變頻器，通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

3.冷型轉(zhuǎn)動角度

圖4　冷型轉(zhuǎn)動控制邏輯圖

控制原理：在上位機Wincc系統(tǒng)中設(shè)定好冷型轉(zhuǎn)動角度，設(shè)定值傳送到PLC中，冷型實際轉(zhuǎn)角信息通過編碼器反饋到PLC中，通過PLC程序運算比較后，當(dāng)實際轉(zhuǎn)角沒有達到設(shè)定轉(zhuǎn)角時，PLC令繼電器得電，進而接觸器得電，從而電機轉(zhuǎn)動，帶動拖輪和冷型轉(zhuǎn)動；當(dāng)實際位置等于或大于設(shè)定位置時，PLC令繼電器斷電，進而接觸器斷電，通過抱閘從而使電機立即停轉(zhuǎn)，冷型轉(zhuǎn)動自動立即停止。

4.測厚原理

圖5　測厚原理圖

按下控制臺的“測厚”按鈕，將測厚信號傳到PLC，PLC令繼電器得電，進而電磁閥得電，從而氣缸動作，帶動測厚探頭緩慢下移，待探頭接觸到涂層，測得數(shù)據(jù)后，繼電器斷電，進而電磁閥斷電，氣缸帶動測厚探頭迅速上移，將探頭收回到初始位置。

由于冷型溫度較高，必須對測厚探頭進行水冷，否則容易燒壞探頭。在PLC程序中做了相應(yīng)的保護工作，如果測厚時未打開水冷電磁閥，系統(tǒng)不會進行測厚操作，電腦監(jiān)控界面也顯示“水冷閥門未開禁止測厚”。

另設(shè)上位機監(jiān)控畫面顯示小車位置、冷型轉(zhuǎn)角、測厚數(shù)據(jù)、冷型溫度實時顯示，并進行小車速度、測厚位置、冷型光帶外徑、母線數(shù)等工藝參數(shù)設(shè)置。

上位機還可檢測對比歷史曲線，對于小車位置、冷型轉(zhuǎn)角、測厚數(shù)據(jù)進行歸檔，可以查詢其歷史記錄。記錄噴涂小車實際動作的時間，涂料電磁閥實際打開的時間，來間接反應(yīng)實際噴涂開始時間，以便實際操作和工藝要求進行對比。

四、測厚測溫數(shù)據(jù)采集及報表生成

1.測厚模塊

涂層測厚采用藍(lán)牙無線自動測厚儀，通過藍(lán)牙適配器，接收測厚儀的數(shù)據(jù)信號，藍(lán)牙適配器在計算機端被識別成計算機多串口，在WinCC中的圖形編輯器中直接加入ActiveX控件MSComm實現(xiàn)串行通訊，利用WinCC中自帶的Global Script（全局腳本編輯器），生成用戶的VB腳本。測厚程序就是依據(jù)Global Script，通過對ActiveX控件MSComm進行控制，編制一個從串口采集數(shù)據(jù)的通訊程序，對采集過來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，用于數(shù)據(jù)的顯示和歸檔。上位機工作時，運行這個程序即可實現(xiàn)上位監(jiān)控系統(tǒng)與串口采集數(shù)據(jù)的通訊任務(wù)。MSComm（即Microsoft Communications Control）是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通訊編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。

MSComm控件的主要屬性：

（1）CommPort設(shè)置并返回通訊端口號。

（2）Settings以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位。

（3）PortOpen設(shè)置并返回通訊端口的狀態(tài)。也可以打開和關(guān)閉端口。

（4）Input從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。

（5）Output向傳輸緩沖區(qū)寫一個字符串。

在WinCC中，VBScript是基于Visual Basic的運行腳本語言。腳本本身能訪問所有WinCC圖形對象的屬性和方法，也能訪問ActiveX控件和其他制造商的應(yīng)用程序?qū)ο竽Ｐ汀Ｒ蚨芸刂茖ο蟮膭討B(tài)性能，方便地建立與其他制造商應(yīng)用程序的連接。

具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）首先需要將Mscomm32.ocx在WinCC中注冊。

（2）運行WinCC控制中心，建立需要的內(nèi)部變量（該程序建立的變量是houdu），變量均為16位文本變量。

（3）在圖形編輯器中建立相應(yīng)的操作界面，在界面中加入 ActiveX 控件，然后選擇 Microsoft Communication Control6.0選項。出現(xiàn)電話式的圖標(biāo)，這就是我們需要的串口通訊的控件。

（4）在畫面中添加開始、停止、復(fù)位等按鈕，在click事件中編輯VBS動作，對MSComm進行初始化。

（5）在ActiveX控件MSComm屬性中有OnComm事件。在該事件下輸入VBS動作，對接收到的字符進行處理。

再將數(shù)據(jù)賦給Internal tag（內(nèi)部變量“houdu”）之后，上位監(jiān)控系統(tǒng)就可在監(jiān)控界面需要時，隨時用于顯示或計算，也可以把這些數(shù)據(jù)作歷史數(shù)據(jù)歸檔，以用于報表輸出或查看數(shù)據(jù)的變化趨勢圖等。

2.測溫模塊

現(xiàn)場冷型測溫采用紅外測溫儀［2］連接無紙記錄儀的方式測溫，因無紙記錄儀能夠直接識別紅外測溫儀傳輸?shù)男盘?，在無紙記錄儀上顯示出來，上位機直接從無紙記錄儀上取得溫度數(shù)據(jù)即可。由于無紙記錄儀采用的是Modbus串口通訊協(xié)議，在WinCC的圖形編輯器中，WinCC自帶的Global Script（全局腳本編輯器）有一定的局限性，對ActiveX控件MSComm進行Modbus協(xié)議編程控制有一定的難度，在此，選擇采用 vb6.0高級編程語言編寫讀取無紙記錄儀數(shù)據(jù)的程序，處理起來較為靈活，在 vb編程中編寫Modbus串口協(xié)議，對串口接收到的數(shù)據(jù)進行處理，得出溫度數(shù)據(jù)，再通過DDE方式，將vb中的溫度數(shù)據(jù)，傳送到WINCC圖形界面中，用于溫度數(shù)據(jù)的顯示與歸檔。DDE通訊組態(tài)方式：

（1）VB6.0作為DDE通訊的服務(wù)器的組態(tài)。

（2）WINCC作為DDE通訊的客戶的組態(tài)；DDE作為WINCC的通訊驅(qū)動程序，可以在變量管理器的新建驅(qū)動程序中添加，它存在于siemenswinccin的文件夾中。在WINCC中建立DDE通道的變量，這些變量就可以在WINCC組態(tài)時直接的使用。

（3）在VB程序中通過加載WINCC組件，將WINCC中的噴涂涂料開關(guān)狀態(tài)、噴涂小車動作開關(guān)狀態(tài)讀取到VB程序界面中，用于數(shù)據(jù)的對比、存儲以及數(shù)據(jù)報表的輸出。

由于WINCC和VB的報表功能有限，而且一旦報表格式發(fā)生變化，就得相應(yīng)修改程序，給應(yīng)用軟件的維護工作帶來極大的不便。因此在此充分利用EXECL的強大報表功來實現(xiàn)報表功能。數(shù)據(jù)報表采用EXCEL報表的形式，在工程中引用Microsoft Excel類型庫，從"工程"菜單中選擇"引用"欄，選擇Microsoft Excel9.0Object Library（EXCEL2000）。再通用對象的聲明過程中定義EXCEL對象，便可以在VB程序中操作EXCEL表常用命令了，可以通過自由設(shè)定固定的報表形式，在程序中添加相應(yīng)的變量，用于報表中數(shù)據(jù)的填充，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)對應(yīng)報表。

五、實施效果

通過開發(fā)應(yīng)用《冷型噴涂自動測溫測厚系統(tǒng)》，實現(xiàn)了在工藝要求位置自動測量冷型噴涂厚度，自動生成具有時間、測厚小車位置、冷型角度、涂料厚度的報表；實時自動記錄冷型溫度，并自動生成具有時間、冷型溫度、噴涂小車動作、涂料閥門打開的報表，記錄工藝要求噴涂開始溫度及時間，記錄實際噴涂開始溫度及時間，完成實際操作與工藝要求的對比。

［1］楊晉.水性涂料的特點及其噴涂施工要求［J］.科技信息，2011（34）.

［2］吳建平.熱釋電紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化信息，2011（3）.

（責(zé)任編輯 王傲冰）

Cold Spraying Automatic Temperature and Thickness Measuring System

JIA Ying

(XingtaiRollMachineryEngineeringCo.Ltd., Xingtai, Hebei 054035, China)

This paper describes the design idea of automatic measurement of coating thickness instead of manua l measurement.Through the establishment of OPC drivers in the PC configuration software Wincc process.Variable phase link is established.Data communications between upper machine and lower machine PLC are completed.The spray gun carriage movement speed is controlled，and pneumatic control thickness sensor fell steadily，making coating thickness measurement precise，reducing accuracy of artificial interference measurement.

flame plating；thickness measuring；temperature measuring；rotation angle；automatic measurement

TQ630.7

A

1008—6129（2016）01—0096—06

2016—01—12

賈英（1974—），女，河北廣宗人，邢臺軋輥機電工程有限公司，電氣工程師。