汽車涂裝控制系統(tǒng)設計概述

趙宇馳，劉 靜

(1.無錫職業(yè)技術學院 控制技術學院，江蘇 無錫 214121； 2.東北石油大學(秦皇島校區(qū)) 大數(shù)據(jù)與計算機科學系，河北 秦皇島 066004)

2020年1月13日，中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布了2020年汽車產銷數(shù)據(jù)，汽車產銷量分別為2 522.5萬輛和2 531.1萬輛，蟬聯(lián)全球銷量第一。近日，國家統(tǒng)計局發(fā)布了工業(yè)生產數(shù)據(jù)，2020年全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)營業(yè)收入106.14萬億元，同比增長0.8%，實現(xiàn)利潤總額64 516.1億元，同比增長4.1%；其中，汽車制造業(yè)2020年營業(yè)收入為81 557.7億元，同比增長3.4%，實現(xiàn)利潤總額5 093.6億元，同比增長4%。在統(tǒng)計表中，汽車制造業(yè)的營業(yè)收入僅次于“計算機、通信和其他電子設備制造業(yè)”，在41個行業(yè)中位居第二，國家統(tǒng)計局新聞發(fā)言人劉愛華表示：“汽車行業(yè)從長期來看，還會保持比較快的增長潛力”。汽車制造業(yè)已經成為國民新興經濟的基礎產業(yè)之一，中國已經成為世界最大的汽車市場，也是競爭最激烈的市場，汽車制造業(yè)的工程技術人員應掌握核心技術，提高核心競爭力。

1 汽車制造工藝流程

汽車制造工廠有4個車間：沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間和總裝車間，這些車間的基本功能如下。

1) 沖壓車間：沖出組成車體框架的各個部分，包括機艙前地板(機艙和前地板合稱機艙前地板)、后地板、左右側圍、 頂蓋和五門一蓋(4個車門加后背箱門加上機艙蓋)。

圖1 白車身圖Fig.1 White body

2) 焊裝車間：把沖壓車間中的零散部件焊接成車身，經過焊裝后的車身一般叫做白車身，如圖1所示。

3) 涂裝車間：給白車身打膠、噴涂油漆。

4) 總裝車間：把汽車各種各樣的零件裝配到車身上面，如發(fā)動機、座椅、輪胎等，經過這一步汽車的制造基本完成[1]。

焊裝車間和涂裝車間是4個車間中自動化水平最高的2個車間，基本實現(xiàn)了全自動化，沖壓、焊裝、總裝的工藝每個品牌都會有自己的特色，而涂裝工藝卻大體相同。

2 汽車涂裝工藝流程

汽車涂裝的效果主要體現(xiàn)在漆膜的效果上。直接影響涂裝質量的是涂料性能、涂裝技術和涂裝質量管理3個條件，涂裝技術和涂裝質量管理是發(fā)揮涂料性能的必要條件，漆膜的質量不僅取決于涂料本身的質量，更取決于涂裝技術和涂裝質量管理，正所謂“三分涂料，七分施工”[2]。汽車涂裝工藝流程如圖2所示，可分為4部分。

1) 前處理部分

前處理系統(tǒng)可以滿足鋁合金、冷軋板、熱鍍鋅和電鍍鋅車身的前處理要求，涂裝前處理主要包括除油脂、除銹以及磷化3部分(括號內容表示的是處理方式)：預脫脂1(洪流+噴+洪流)、預脫脂2(噴)、主脫脂3(洪流+浸+噴)、水洗1(噴)、水洗2(噴+浸+噴)、新鮮工業(yè)水噴淋、水洗3(噴+浸+噴，RO1)、新鮮RO1噴淋、薄膜(浸+噴)、新鮮RO2噴淋、水洗4(噴，RO2)、水洗5(噴+浸+噴，RO2)、水洗6(噴+浸+噴，RO2)、新鮮RO2噴淋和空槽瀝水[3]。

圖2 汽車涂裝工藝流程圖

2) 電泳部分

電泳是一種特殊的涂漆方法，僅適用于電泳涂裝專用的水性涂料(簡稱電泳涂料)。目前一般采用陰極電泳方式，將導電的白車身浸漬在電泳涂料槽中作為陰極，并在涂料槽中設置與其對應的陽極，兩極間通以直流電，在白車身上析出均勻的涂膜，電泳的主要目的是為白車身涂裝一層防銹涂料[4]。大概分為如下階段：電泳(浸+噴)、UF1(噴)、UF2(噴+浸+噴)、UF3(噴+浸+噴)、新鮮UF噴淋、水洗1(噴+浸+噴，RO2)、水洗2(噴，RO2)、新鮮RO2噴淋、空槽瀝水、壓縮空氣吹掃、瀝水和電泳烘干。

3) PVC密封部分

PVC起密封作用，膠條焊縫密封(GAD)保證車身焊縫密封完整，不出現(xiàn)漏水，扇面底板密封(UBS)主要作用是防腐，UBS要求覆蓋整個底板，根據(jù)車身不同部分的防腐性能要求厚度不同，大概分為膠條焊縫密封(GAD)、扇面底板密封(UBC)和密封膠烘干3個階段[5]。

4) 噴涂部分

主要承擔車身面漆噴涂任務，分為噴色漆、色漆烘干、噴清漆和清漆烘干4個階段。

圖3 電泳干燥爐控制柜Fig.3 Control cabinet for electrophoretic drying oven

3 汽車涂裝控制系統(tǒng)總體設計方案

設計一個凈節(jié)拍為30輛/h的涂裝車間自動控制系統(tǒng)，涂裝車間進行混線生產(生產2種車型)，其中有50%的雙色車。汽車涂裝生產線是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產過程，涂裝車間共有107個工位，每個工位都擁有1個或多個電氣控制柜完成本工位的控制功能，本控制系統(tǒng)擁有近300個電氣控制柜，控制柜采用PLC作為主控設備，并根據(jù)需要選配觸摸屏，控制柜示例如圖3所示。

涂裝車間控制系統(tǒng)內是一個規(guī)模宏大、設備繁多、控制復雜的自動控制系統(tǒng)，涂裝車間的自動控制系統(tǒng)包含了大量的運動控制和過程控制。

白車身在機械運輸過程中涉及大量地面鏈、懸鏈、運轉車、轉臺和升降機等的控制；汽車的打膠、噴涂過程由工業(yè)機器人完成，這是主要的運動控制部分。

在前處理、電泳過程中擁有大量的溫度、液位、pH的信息采集以及大量化工泵、清水泵、電動調節(jié)閥和電磁閥自動控制任務；在烘干房、噴涂車間環(huán)境需要大量溫度、濕度和正壓力的檢測、控制任務；在“三廢”處理的生產線上也有大量pH、揮發(fā)性有機化合物(VOC)和重金屬的檢測任務以及大量的電動閥、電磁閥和計量泵等控制任務；還需設計各種純水、超濾、反滲透、涂膠和輸調漆的成套自動控制系統(tǒng)。

107個工位、數(shù)十萬個設備需要協(xié)調配合才能噴涂出質量優(yōu)良的車身，這對控制系統(tǒng)設計提出了極高的要求，現(xiàn)場總線的分布式結構能夠滿足汽車涂裝的控制要求，每個工位擁有一個或者多個電氣控制柜，控制本工位的所有設備，控制柜安裝在受控設備附近，控制機械化輸送系統(tǒng)、前處理、電泳、密封、打磨、雙色、面漆、檢查拋光、點修補、注蠟和相關附屬設備等，所有控制柜和中央控制室(CCR)采用工業(yè)以太網通訊[6]。CCR對涂裝車間的所有設備進行實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析，涂裝車間控制系統(tǒng)結構如圖4所示。本控制系統(tǒng)按功能可分為兩部分：一是涂裝車間生產控制系統(tǒng)，包含了底層IO、電氣控制柜和CCR；二是涂裝車間生產管理系統(tǒng)，包含生產管理、物料管理、質量管理和設備管理4部分，二者相輔相成，為涂裝出合格的車身，提高生產效率，降低企業(yè)成本提供了有利的保障。

圖4 控制系統(tǒng)結構圖

4 涂裝車間生產控制系統(tǒng)和生產管理系統(tǒng)主要功能

4.1 涂裝車間生產控制系統(tǒng)主要功能

4.1.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

涂裝車間的生產控制系統(tǒng)在主要工藝段、危險位置能實現(xiàn)對設備及車輛的實時視頻監(jiān)控，監(jiān)控主要包括以下區(qū)域：涂裝入口、前處理入口/出口、電泳入口/出口、各烘爐出口、車間內所有滑橇更換點、自動內部密封、自動底盤密封、色漆內噴、色漆外噴、清漆內噴、清漆外噴、涂裝完成點和涂裝車間出口，共計擁有攝像頭近50個，特殊區(qū)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可滿足現(xiàn)場防爆、防水等的要求。視頻監(jiān)控主要有以下功能：① 生產線畫面視頻監(jiān)控；② 在滑撬更換點拍攝車身信息，遠程錄入RFID信息；③ 在滑撬解鎖、鎖緊站進行滑撬鎖緊狀態(tài)對比，可調取視頻畫面進行人工對比和錄入操作。

4.1.2 車身信息識別系統(tǒng)

隨著人民對汽車個性化需求的發(fā)展，汽車的生產模式已經由生產者主導逐漸轉變?yōu)橛上M者主導，且車型更新?lián)Q代越來越快。混線生產、雙色噴涂、訂單化生產、生產準備周期短、投放市場速度快，這些變化對汽車的從業(yè)者提出了更高的要求，汽車企業(yè)需要進行個性化生產、柔性化生產。要實現(xiàn)這個過程首先要知道被加工車身的具體信息(如車型、顏色)，車身識別系統(tǒng)將通過控制系統(tǒng)采集每輛車所包含的生產信息，然后組織生產并進行產后管理，所以車身識別系統(tǒng)也是生產管理重要組成部分。

射頻識別(RFID)是無線電技術在自動識別領域中的應用，它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別并交換數(shù)據(jù)，再通過現(xiàn)場總線可進一步實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。射頻識別技術利用無線電波來傳送識別資料，因此可不受空間的限制，識別工作無須人工干預，適用于各種惡劣環(huán)境，快速進行物品追蹤、資料交換、分類、統(tǒng)計、分析等工作[7]?？刂葡到y(tǒng)RFID讀碼器安裝位置如圖5所示，讀碼器功能見表1。

4.1.3 安燈系統(tǒng)

安燈系統(tǒng)是指工廠分布于車間各處的聲光報警系統(tǒng)以及收集生產線上相關設備信息的信息管理工具。安燈系統(tǒng)能夠實現(xiàn)車間現(xiàn)場的目視管理：每個設備或工作站都配有呼叫燈，如果生產過程中出現(xiàn)問題，設備會自動將燈點亮(也可操作員手動)。汽車涂裝生產線包括上百個工位，任何工位發(fā)生故障，操作員就必須停止整條生產線，安燈系統(tǒng)可以使生產過程中的問題得到及時處理[8]。控制系統(tǒng)的安燈系統(tǒng)布局在前處理線、電泳線、電泳打磨線、夾具線、密封膠線、面漆線、面漆檢查精修線、面漆修補區(qū)、注蠟線、辦公室和中控室中。

表1 RFID功能描述

4.1.4 生產監(jiān)控系統(tǒng)

生產監(jiān)控系統(tǒng)主要功能為：

1) 對所有的工藝參數(shù)進行實時監(jiān)控，如前處理和電泳各槽內液體的溫度、液位，噴漆室的溫度、濕度和壓力，電泳槽內的車身電壓和電流，輸調漆系統(tǒng)的參數(shù)，烘房溫度等；

2) 改變生產運行狀態(tài)，可切換手動、自動和調試3種模式；

3) 顯示報警信息，如前處理、電泳槽溫度異常報警，風機故障報警，泵、電機故障報警，輸送線故障報警，傳感器和開關故障報警，烘房溫度異常報警，輸調漆系統(tǒng)故障報警，機器人噴涂系統(tǒng)故障報警等；

4) 完成PLC組網后，能滿足接入工廠總控的需要，并能與廠區(qū)生產管理系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交換；

5) 有查詢和統(tǒng)計功能，如車身數(shù)量和車身位置等，所有報表(如生產報表和故障統(tǒng)計報表)和重要的工藝信息在本地保存至少3個月，并定期自動上傳云端。

4.2 涂裝車間生產管理系統(tǒng)主要功能

MES是美國AMR(Advanced Manufacturing Research)公司在20世紀90年代初提出的，意為“上層的計劃管理系統(tǒng)和底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的信息管理系統(tǒng)”。制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會MESA(Manufacturing Execution System Association)對MES所下的定義為： MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優(yōu)化管理。當工廠發(fā)生實時事件時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數(shù)據(jù)對它們進行指導和處理[8]。

系統(tǒng)通過工業(yè)互聯(lián)網構建設備、人、物料和信息系統(tǒng)的基礎網絡，實現(xiàn)對車間相關數(shù)據(jù)的感知、傳輸和實時分析，并形成科學決策和實現(xiàn)智能控制，能夠為企業(yè)降低生產成本，提高生產效率，系統(tǒng)分為4大部分：

1) 物料管理系統(tǒng)

能夠實現(xiàn)對汽車廠規(guī)模巨大的原材料的數(shù)量、質量和去向的管控，物料低于閥值時會提醒后勤系統(tǒng)對相關物料進行補給。

2) 能耗監(jiān)控系統(tǒng)

對烘干爐、工藝空調、廢氣處理和暖通空調進行天然氣流量監(jiān)控，對前處理電泳、工藝空調、暖通空調和余熱回收進行熱水流量監(jiān)控，對前處理電泳、溫控系統(tǒng)、烘干房和噴房系統(tǒng)進行冷水系統(tǒng)流量監(jiān)控，對工業(yè)水進行流量監(jiān)控，對前處理電泳、噴房系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、機器人、廢氣處理系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)和作業(yè)線照明系統(tǒng)進行電能監(jiān)控，對全車件的壓縮空氣進行流量監(jiān)控，對純水進行流量監(jiān)控，對高耗能的風機、電機、機器人、燃燒器、冷凍機、油漆循環(huán)泵、照明等單臺設備進行能耗的監(jiān)控，實現(xiàn)精細化在線監(jiān)控，具備報表功能，可導出任意時段、任意設備的能源消耗報表，可按生產班次、日、周、月、年等導出能耗報表，可顯示能耗的變化趨勢，結合設備運行時序圖進行分析，可計算單臺能耗并與目標值對比[9]。

3) 設備管理系統(tǒng)

采集設備的電壓、電流、溫度、聲音、振動、轉速等信息，存儲至CCR和云服務器中，依據(jù)大數(shù)據(jù)分析形成報表、趨勢圖等，通過運行時間、電機轉動軸溫度、振動等信息預測電機故障時間，形成設備維護計劃，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結果實時更新，給出維護建議，包括維護內容、維護方法、維護周期等，并支持導出維護工單，可在線確認維護效果，具備維護查詢及定時提醒功能。

4) 質量監(jiān)控、追溯系統(tǒng)

在每條線的末端設立一個人工質量錄入系統(tǒng)，對車輛狀況進行錄入，可以根據(jù)車輛信息，查詢到過線設備信息，所有設備的信息和工藝參數(shù)可根據(jù)需要自動保存到系統(tǒng)；所有數(shù)據(jù)具備自動備份及上傳云端功能，具備故障信息分析功能。

5 結 論

隨著射頻識別技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，工業(yè)控制網絡化和識別自動化己經成為工業(yè)控制的發(fā)展趨勢。文章設計了基于RFID和現(xiàn)場總線技術的汽車涂裝控制系統(tǒng)，且已在天津工廠投入運行3 a，客戶整體反饋良好。汽車行業(yè)已經從批量生產過渡到客戶訂制的生產模式，愈發(fā)注重生產的質量控制和管理，文章汽車涂裝自動控制系統(tǒng)具有較好的推廣和借鑒價值。