廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 李幸澤 鄧詒宵 許錦標(biāo) 曾珞亞 李學(xué)聰

引言

所謂涂裝即指對金屬和非金屬表面覆蓋保護層或裝飾層。隨著我國家電行業(yè)、日用五金、鋼制家具，鋁材構(gòu)件、電器產(chǎn)品、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，我國涂裝技術(shù)開始飛速的發(fā)展。按照珠三角科學(xué)發(fā)展觀要求，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和技術(shù)升級，傳統(tǒng)的勞動密集型要向技術(shù)密集型，集約型方向發(fā)展，這對我國工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)升級是一個機遇同時也是挑戰(zhàn)。

1.現(xiàn)狀需求

涂裝工藝包括前處理和涂裝兩大部分。表面處理的質(zhì)量直接影響涂層對被涂工件基材的附著力及材料的耐腐蝕性能。因此，要獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須嚴(yán)格涂裝前的表面處理作業(yè)。通過前處理，是工件達到下列要求：①無油污及水分；②無銹跡及氧化物；③無酸、堿等殘留物；④工件表面達到一定的粗糙度。

廣東美的集團微波爐生產(chǎn)線的噴粉線是對微波爐機身進行涂裝的生產(chǎn)過程，因此，對噴粉線前處理工藝的嚴(yán)格控制直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。美的微波爐粉體線的生產(chǎn)過程由上掛、熱水洗、預(yù)脫脂、主脫脂、水洗1、水洗2、陶化、水洗3、水洗4、純水洗、烘干、噴粉、固化、下掛十四道工序組成。其中，脫脂和陶化工序是前處理工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。脫脂和陶化工序的生產(chǎn)質(zhì)量控制是通過控制工藝溶劑的合理濃度、溫度、噴淋壓力來實現(xiàn)的，目前的現(xiàn)狀是，溫度和噴淋壓力都已實現(xiàn)了自動檢測與控制，而最為關(guān)鍵的工藝溶劑的濃度還是人工的手動方式(人工定時檢驗和添加溶劑)，其結(jié)果是工藝溶劑的濃度波動大，前處理質(zhì)量控制粗放，勞動強度高，已經(jīng)不能適應(yīng)美的集團的信息化生產(chǎn)的需求。為此，提出研發(fā)“涂裝生產(chǎn)線前處理自動補藥裝置”。

2.技術(shù)方案

2.1 測量實驗

圖1 脫脂工序樣液測量曲線

圖2 陶化工序樣液測量曲線

圖3 PI控制簡化示意圖

前處理需要加藥的兩個工序是預(yù)脫脂和陶化，其有效成分游離堿度和陶化點數(shù)都不是標(biāo)準(zhǔn)可自動測量的化學(xué)參數(shù)，而是藥劑廠商自定義的關(guān)于溶液有效成分含量的單位。所以要實現(xiàn)前處理自動補藥功能，第一個環(huán)節(jié)就是找到與上述參數(shù)有相關(guān)性的標(biāo)準(zhǔn)可測量電化學(xué)參數(shù)，并可以作為間接反映溶液有效成分含量的參數(shù)。

實驗方法采用定時采集脫脂和陶化水槽樣液，采集周期至少含蓋兩次加藥周期。脫脂工序平均加藥周期為3小時/次，陶化工序平均加藥周期為1.5小時/次，由此確定脫脂采樣間隔為20min/次，陶化采樣間隔為10min/次。將采集的樣液按時間順序分類做好標(biāo)簽，做完采樣工作后，帶回實驗室使用電化學(xué)測量儀器做PH值，電導(dǎo)率，氟離子濃度測量實驗，脫脂和陶化樣液按工廠傳統(tǒng)滴定法測出游離堿度和陶化點數(shù)參數(shù)，測量完數(shù)據(jù)后按時間坐標(biāo)繪制曲線并做比較分析，找出具有相關(guān)性的參數(shù)。

按照上述實驗方法測出兩組實驗數(shù)據(jù)如圖1、2所示，脫脂工序游離堿度參數(shù)與可在線測量PH參數(shù)存在相關(guān)性，在第11個數(shù)據(jù)點水槽有加藥，兩個曲線都突變。陶化工序陶化點參數(shù)和氟離子參數(shù)具有很好的擬合性。在測量實驗不排除有誤差的存在，特別是滴定法測出數(shù)據(jù)存在手動誤差，以及電化學(xué)測量儀器的使用需要嚴(yán)格的測試環(huán)境、步驟和儀器校準(zhǔn)等，都會影響到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.2 控制方法

2.2.1 開環(huán)控制

根據(jù)歷史經(jīng)驗得到每天消耗藥液容量平均值Q(L)，以及直流電機流量P(L/min)，換算出每天加藥時間經(jīng)驗值?？刂葡到y(tǒng)采用脈寬控制，平均到每小時需要補液的時間，這樣可以按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)每天藥液的自動添加。理想控制模型如下公式所示。

y(t)為水槽藥液實時濃度值，B為0時刻水槽藥液濃度值，Kt為生產(chǎn)線消耗藥液濃度值，為時間的單調(diào)函數(shù)。系統(tǒng)控制要求y(t) ＞ B，因此加入脈寬控制，以補償生產(chǎn)線消耗的水槽藥液。如下公式所示。

要滿足y(t)＞B，需要R＞=K。由此需要經(jīng)驗數(shù)據(jù)推算出K值，R為蠕動泵流量，可以通過脈寬控制調(diào)整。

圖4 補液裝置硬件方案

圖5 裝置前端技術(shù)方案

圖6 PLC控制軟件流程圖

圖7 觸摸屏監(jiān)控主界面

2.2.2 閉環(huán)控制

前面介紹的控制方案不帶反饋環(huán)節(jié)，因此也不具備修正功能。閉環(huán)控制加入了檢測單元，根據(jù)測量值與設(shè)定值偏差量作為控制輸入，實現(xiàn)具有修正功能的反饋控制?？刂颇Ｐ腿鐖D3所示。u為控制加藥泵加藥時長的脈寬比。e為水槽有效成分濃度期望值與測量值偏差。a為生產(chǎn)線工件對水槽有效成分消耗。數(shù)字PI控制器算法如下。

2.3 硬件方案

補液裝置硬件方案如圖4所示?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場對裝置穩(wěn)定性可靠性高要求，選用三菱FX2N作為控制器，實現(xiàn)整個檢測和控制任務(wù)的調(diào)度和管理。蠕動泵是裝置的主要執(zhí)行器件，共有四路，分別對應(yīng)采樣，清洗，排水和補液四個功能，通過控制器合理控制邏輯，完成從水槽提取樣液，對電極清洗保養(yǎng)，以及向水槽添加藥劑溶液等控制任務(wù)。繼電器結(jié)合控制器對蠕動泵電源換向?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能。

控制器前端技術(shù)方案如圖5所示。選用昆侖MCGS觸摸面板作現(xiàn)場操作界面，實現(xiàn)對控制器參數(shù)設(shè)置以及裝置運轉(zhuǎn)狀況查看和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。觸摸屏面板與生產(chǎn)線信息服務(wù)器通過TCP/IP互聯(lián)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場工藝參數(shù)備份和遠程查看等功能。

3.軟件實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場PLC程序

裝置軟件設(shè)計分為兩個部分，一個是現(xiàn)場控制器即可編程控制器PLC的程序設(shè)計，具備脫機運行功能，一個是面板人機交互界面程序設(shè)計，要求具備操作簡單，一目了然等特點。

PLC控制器軟件流程如圖6所示。裝置默認為啟動運行狀態(tài)，可選兩種控制方式，即開環(huán)控制和反饋控制。開環(huán)控制取消了反饋環(huán)節(jié)，通過對生產(chǎn)線長時間運行統(tǒng)計得出經(jīng)驗控制數(shù)據(jù)，定時補充水槽藥劑容量。反饋控制按水槽溶劑期望值與當(dāng)前測量值的偏差，使用PI控制算法計算每個檢測周期加藥時間占空比，達到對水槽溶劑濃度有效控制。軟件開發(fā)環(huán)境在windows系統(tǒng)下GX Developer 8.0編程軟件，用梯形圖編程語言編寫程序，通過自帶編程線下載程序代碼，也可以上載PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器歷史數(shù)據(jù)到PC端。

3.2 操作界面程序

MCGS觸摸屏作為裝置現(xiàn)場人機交互界面，需要編寫組態(tài)程序。MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進行，它幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標(biāo)和功能。圖7給出了主監(jiān)控界面圖。

本設(shè)計經(jīng)過系統(tǒng)分析、搭建框架、制作動畫顯示畫面、編寫控制流程程序、連接設(shè)備驅(qū)動程序等工作實現(xiàn)了對系統(tǒng)的監(jiān)控軟件設(shè)計。本軟件包括主監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)定界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、系統(tǒng)調(diào)試界面和系統(tǒng)配置界面。

4.問題思考

4.1 電極使用與維護

電化學(xué)傳感器應(yīng)用在實驗室環(huán)境比較多，且使用條件嚴(yán)謹，不能長期浸泡在待測溶液中，否則會影響電極使用壽命；每次測量完成需要及時清洗電極至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，否則會影響下次測量數(shù)據(jù)的有效性；單次測量需要一個反應(yīng)時間，待測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，沒有大幅度跳變才算一次測量結(jié)束，大概2到3分鐘。本裝置是應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，所以為了做到自動采集，需要給電極使用模擬一個合適的測量環(huán)境，以便在得到有效測量數(shù)據(jù)同時延長電極壽命。

電極長時間使用于油脂類溶液環(huán)境，而得不到有效清洗會在電極表面形成一層污垢，，這對電極測量準(zhǔn)確性帶來很大影響。因此每隔兩到三個月對電極做一次檢查，用標(biāo)準(zhǔn)清洗液對電極做有效清洗是十分必要的。

4.2 數(shù)據(jù)備份

在PLC數(shù)據(jù)寄存器區(qū)開辟一塊區(qū)域作裝置關(guān)鍵數(shù)據(jù)備份。裝置測量周期可以手動設(shè)置，單次有效測量后做一次數(shù)據(jù)備份處理。采樣循環(huán)覆蓋存儲方法，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲地址超過設(shè)定存儲區(qū)域范圍，地址自動恢復(fù)到設(shè)定區(qū)域低地址，覆蓋存儲歷史測量數(shù)據(jù)，以便在應(yīng)急情況能拿到第一手數(shù)據(jù)。按最大余量統(tǒng)計，測量周期為半小時一次，可以存儲最近10天的數(shù)據(jù)，測量周期越長，存儲數(shù)據(jù)時間范圍越大。

5.總結(jié)

涂裝生產(chǎn)線前處理自動補藥裝置在制造業(yè)生產(chǎn)線上應(yīng)用前景廣闊，對生產(chǎn)線技術(shù)升級改造作用顯著。該裝置穩(wěn)定有效運行，提高了生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，并從客觀上很好的控制產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。該裝置含有消耗溶劑原料統(tǒng)計功能，為生產(chǎn)物料管理提供可靠數(shù)據(jù)，提高了生產(chǎn)自動化水平，加快工廠現(xiàn)代化腳步。

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