農(nóng)用車自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：傳統(tǒng)農(nóng)用車配漆工藝存在諸多問題，如人工操作效率低、配比精度差、環(huán)境污染等，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。針對(duì)上述問題，此研究提出了一種基于S7-1200 PLC的自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過智能給料、精準(zhǔn)稱量、高效混合，實(shí)現(xiàn)配漆過程的自動(dòng)化、智能化；同時(shí)，采用HMI組態(tài)軟件建立人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)配漆過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整；重點(diǎn)優(yōu)化了系統(tǒng)在農(nóng)用車配漆場景下的適應(yīng)性，如針對(duì)農(nóng)用車漆料黏度高、配比要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，對(duì)稱量傳感器、混合攪拌裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，方便管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)狀況，提高生產(chǎn)管理效率。該系統(tǒng)的應(yīng)用將顯著提升農(nóng)用車配漆的自動(dòng)化水平，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用車；自動(dòng)配漆；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2024）11-144-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.11.033

0 引言

隨著農(nóng)用機(jī)械裝備現(xiàn)代化程度的不斷提高，對(duì)車輛外觀質(zhì)量的要求也日益嚴(yán)苛。農(nóng)用車涂裝作為提升產(chǎn)品價(jià)值的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到車輛的外觀形象。然而，農(nóng)用車涂料成分復(fù)雜、性能要求多樣，傳統(tǒng)的自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)往往存在配比精度不足、適應(yīng)性差等問題［1］。

配料精度是影響農(nóng)用車涂裝質(zhì)量的關(guān)鍵因素。配料不準(zhǔn)可能導(dǎo)致涂層不均勻、附著力下降、耐候性變差等問題，嚴(yán)重影響涂層的防護(hù)性能和車輛的使用壽命［2-3］。因此，優(yōu)化農(nóng)用車自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)，提高其計(jì)量精度和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

此研究旨在通過深入分析農(nóng)用車涂裝工藝的特點(diǎn)，探討現(xiàn)有的自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)在提高配料精度和適應(yīng)性方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過引入先進(jìn)的傳感技術(shù)、智能算法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法［4-5］，旨在構(gòu)建一種能夠適應(yīng)多種農(nóng)用車涂料配方，具有高精度、高穩(wěn)定性和良好適應(yīng)性的自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制要求及總體方案設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)主要用于農(nóng)用車涂料的自動(dòng)配制。系統(tǒng)以S7-1200 PLC為核心控制器，通過HMI界面與操作人員交互。系統(tǒng)具備手動(dòng)、自動(dòng)和清洗等3種工作模式。在手動(dòng)與清洗模下，此系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)注入原料、手動(dòng)攪拌、手動(dòng)稱量、手動(dòng)裝漆等功能。在自動(dòng)模式下，工作人員只需要按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)控制要求自動(dòng)將A閥、B閥、C閥打開，然后開啟A供料泵、B供料泵、C供料泵；隨后，原料A、原料B、原料C流入反應(yīng)釜容器內(nèi)，通過稱量檢測儀檢測原料達(dá)到相應(yīng)設(shè)置配方后，關(guān)閉A閥、B閥、C閥，停止A供料泵、B供料泵、C供料泵；通過變頻器控制電機(jī)進(jìn)行周期性攪拌，攪拌完成后D供料閥將開啟，最后裝入成品桶；當(dāng)稱量檢測儀檢測原料達(dá)到0時(shí)自動(dòng)進(jìn)行下一輪回。

系統(tǒng)由配料攪拌裝置、G120變頻器、PLC控制器、HMI界面、傳感器等組成。PLC接收來自按鈕和傳感器的信號(hào)，控制A、B、C、D閥，A、B、C供料泵等執(zhí)行部件。HMI界面提供直觀的操作界面，方便用戶設(shè)置參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。通過組態(tài)軟件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC的動(dòng)作?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 攪拌裝置

2.1.1 小型反應(yīng)釜和原料罐的介紹

配料攪拌裝置主要由透明亞克力制成的反應(yīng)釜和原料儲(chǔ)罐組成。反應(yīng)釜頂部設(shè)有稱量傳感器、攪拌電機(jī)和攪拌槳，用于物料的稱重、攪拌和反應(yīng)，透明設(shè)計(jì)便于觀察反應(yīng)過程。原料儲(chǔ)罐用于儲(chǔ)存A、B、C等3種原料，底部設(shè)有出料口連接至反應(yīng)釜。所有管路均采用透明亞克力材質(zhì)，并采用標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接，確保密封性。通過手動(dòng)截止閥控制物料的流動(dòng)。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，可直觀觀察試驗(yàn)過程。

2.1.2 儀表檢測系統(tǒng)

通過稱量傳感器檢測加料液體質(zhì)量，將模擬量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；旋轉(zhuǎn)編碼器則可以反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制攪拌速度；液位開關(guān)可以檢測水位是否到達(dá)限位，以上3種信號(hào)采集后輸出至PLC控制器，由控制器進(jìn)行分析處理并使用，如圖2所示。

2.1.3 執(zhí)行器系統(tǒng)

此系統(tǒng)的執(zhí)行器包括攪拌電機(jī)、電磁閥及供料泵，如圖3所示。根據(jù)PLC控制器指令執(zhí)行，控制3種原料配比、閥門通斷節(jié)點(diǎn)、電機(jī)的攪拌時(shí)間等工作任務(wù)。

2.1.4 按鈕盒模塊

按鈕盒包括啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、遠(yuǎn)程/就地切換按鈕、調(diào)速電位器、急停按鈕共5個(gè)開關(guān)，實(shí)物圖如圖4所示。

2.2 PLC地址分配

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的I/O地址分配，如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

配漆自動(dòng)攪拌系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位完成后，當(dāng)稱量傳感器反饋質(zhì)量為0時(shí)，A閥、B閥、C閥、A泵、B泵、C泵開啟，往小型反應(yīng)釜中注入原料；等達(dá)到設(shè)定配方值時(shí)，停止注入原料，A閥、B閥、C閥、A泵、B泵、C泵關(guān)閉，此時(shí)啟動(dòng)信號(hào)給變頻器開始攪拌；完成攪拌周期后，停止攪拌，打開供料D閥、啟動(dòng)裝料D泵。流程如圖5所示。

3.2 手動(dòng)模式功能設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，手動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)子程序功能分別包括手動(dòng)啟動(dòng)A閥、B閥、C閥，手動(dòng)修改原料配比，手動(dòng)修改變頻器參數(shù)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的攪拌功能。手動(dòng)模式具體操作步驟如下。

系統(tǒng)復(fù)位：進(jìn)入“觸摸屏手動(dòng)模式”界面，在沒有自動(dòng)復(fù)位之前按下啟動(dòng)、停止按鈕，系統(tǒng)不會(huì)有任何動(dòng)作。

A泵、B泵、C泵、A閥、B閥、C閥調(diào)試：進(jìn)入“觸摸屏手動(dòng)模式”界面，依次按下A泵、B泵、C泵、A閥、B閥、C閥按鈕之后，A泵、B泵、C泵A閥、B閥、C閥依次啟動(dòng)，此時(shí)開始輸入原料。

A、B、C原料比例調(diào)試：進(jìn)入“觸摸屏手動(dòng)模式”界面；通過HMI輸入框?qū)、B、C原料輸入比例值，配出對(duì)應(yīng)的漆。

攪拌電機(jī)調(diào)試：進(jìn)入“觸摸屏手動(dòng)模式”界面；按下正啟動(dòng)按鈕輸入相應(yīng)轉(zhuǎn)速之后，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)；按下反啟動(dòng)按鈕輸入相應(yīng)轉(zhuǎn)速之后，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)；按下停止按鈕之后，電機(jī)停止工作。

3.3 自動(dòng)模式功能設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，自動(dòng)模式功能如圖6所示。

進(jìn)入“觸摸屏自動(dòng)模式”界面，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)復(fù)位。自動(dòng)控制系統(tǒng)操作步驟如下。

①A、B、C液體檢測器處于高液位時(shí)，稱量傳感器測量數(shù)據(jù)為0 kg，啟動(dòng)按鈕接通。

②A、B、C液體檢測器處于高液位時(shí)，對(duì)應(yīng)配方A閥啟動(dòng)500 ms后，A泵啟動(dòng)開始輸入原料A。

③A原料質(zhì)量=A原料設(shè)置值時(shí)，經(jīng)過500 ms延時(shí)，A閥關(guān)閉且B閥接通，開始輸入原料B。

④B原料質(zhì)量=B原料設(shè)置值時(shí)，經(jīng)過500 ms延時(shí)，B閥關(guān)閉且C閥接通，開始輸入原料C。

⑤C原料質(zhì)量=C原料設(shè)置值時(shí)，經(jīng)過500 ms延時(shí)，C閥關(guān)閉且電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)。

⑥正轉(zhuǎn)攪拌時(shí)間到達(dá)后，開始反轉(zhuǎn)攪拌。

⑦500 ms后D閥開啟；原料總質(zhì)量為0 kg后，D閥關(guān)閉；500 ms后循環(huán)執(zhí)行步驟（2）—（7）。

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互采用TIA portal配套的HMI進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)建過程包含添加新畫面、參數(shù)設(shè)置、配方設(shè)置、手動(dòng)與清洗操作界面、自動(dòng)操作界面，如圖7所示。

手動(dòng)與清洗操作界面如圖8所示，只有手動(dòng)模式啟動(dòng)后，才可進(jìn)行手動(dòng)操作。同時(shí)，為了更方便地觀察實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真界面的動(dòng)態(tài)，在實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真界面也有對(duì)應(yīng)的手動(dòng)按鈕，方便操作電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和4個(gè)閥門3個(gè)泵的啟停。同時(shí)，還可以在該界面上設(shè)定轉(zhuǎn)速。此外，界面上可以顯示物料質(zhì)量和電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流大小的數(shù)據(jù)。

自動(dòng)操作界面：當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)界面后，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，按鈕啟動(dòng)便開始自動(dòng)完成原料輸入、攪拌、裝漆等工序，自動(dòng)界面可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，通過該界面可以切換至手動(dòng)模式界面，如圖9所示。

參數(shù)設(shè)置界面：當(dāng)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，可以根據(jù)參數(shù)比進(jìn)行原料質(zhì)量、電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)時(shí)間、加料速度及配料周期等參數(shù)的設(shè)置，還可以通過此界面切換到配方和重量測量界面，如圖10所示。

配方設(shè)置界面：當(dāng)進(jìn)入配方設(shè)置界面，可根據(jù)不同產(chǎn)品需求進(jìn)行配方設(shè)置，可以為配方進(jìn)行命名，方便下次調(diào)用，如圖11所示。

4 組態(tài)監(jiān)控畫面的調(diào)試

程序下載完畢調(diào)試完成確認(rèn)無誤之后，打開設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)通信之后可以進(jìn)行HMI組態(tài)監(jiān)控畫面的通信調(diào)試，在仿真界面中可以模擬出儲(chǔ)料罐的注入與排出，以及攪拌電機(jī)對(duì)產(chǎn)品的模擬工作，如圖12所示。

5 結(jié)束語

此研究提出了一種基于S7-1200 PLC的自動(dòng)配漆控制系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)通過精確的稱量控制、智能給料系統(tǒng)和HMI人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了配料過程的自動(dòng)化和智能化。與傳統(tǒng)人工配料相比，該系統(tǒng)顯著提高了配料精度、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的引入，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，為企業(yè)提供了更靈活、高效的生產(chǎn)管理方式。

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