柳書橋，孫建業(yè)，魏成峰

(沈陽理工大學(xué) 遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

汽車涂裝車間廠房通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

柳書橋，孫建業(yè)，魏成峰

(沈陽理工大學(xué) 遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

分析了汽車涂裝車間廠房通風(fēng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案及控制方法。采用西門子S7－300PLC、PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)、SINAMICS G120變頻器、組態(tài)軟件WinCC、遠(yuǎn)程輸入輸出模塊ET200S及PN/PN Coupler構(gòu)建控制系統(tǒng)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。在實(shí)際運(yùn)行過程中取得了良好效果，滿足了設(shè)計(jì)要求。

涂裝車間;廠房通風(fēng);PLC;PROFINET;PN/PN Coupler;WinCC

0 引言

汽車涂裝車間要求空氣經(jīng)過處理后，具有一定的溫度、氣流速度、潔凈度，廠房部分區(qū)域空氣還需具備一定的濕度條件。采用廠房通風(fēng)系統(tǒng)可以為涂裝車間提供合適的工藝噴涂環(huán)境、員工工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境［1］?；谖鏖T子S7－300PLC和組態(tài)軟件WinCC的廠房通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)保證了廠房內(nèi)的溫度在理想范圍內(nèi)變化。該系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中不但節(jié)省了大量的現(xiàn)場操作和維護(hù)管理人員，而且提供了滿足要求的空氣，為企業(yè)的健康持續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

1 系統(tǒng)機(jī)組組成

典型的機(jī)組由進(jìn)風(fēng)段、過濾段、加熱段、表冷段、風(fēng)機(jī)段、消聲段和出風(fēng)段組成。進(jìn)風(fēng)段有兩個(gè)電動(dòng)風(fēng)閥，一個(gè)控制廠房外部進(jìn)入廠房內(nèi)的新鮮空氣，另一個(gè)則控制從廠房內(nèi)部進(jìn)入的循環(huán)空氣，風(fēng)閥執(zhí)行器狀態(tài)與引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)具有連鎖控制;進(jìn)風(fēng)段設(shè)置溫濕度儀表，可以現(xiàn)場觀察。過濾段采用袋式過濾器，外側(cè)安裝有壓差表，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，需要清潔過濾袋［1］7。在加熱段和表冷段，冷旁管和熱旁管在結(jié)構(gòu)上相似:其管道上均有一個(gè)循環(huán)泵，為水在管道中的流動(dòng)提供源源不斷的動(dòng)力;連接進(jìn)水管道和出水管道的回水管道上有一個(gè)單向閥。不同的是冷旁管中進(jìn)水口處的溫度為6℃，熱旁管的進(jìn)水口處的溫度為90℃。風(fēng)機(jī)段采用西門子變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。消聲段采用折片式復(fù)合消聲器，內(nèi)填吸音材料，消聲效果好［1］8。出風(fēng)段裝有溫度傳感器檢測機(jī)組處理后空氣的溫度。該廠房通風(fēng)系統(tǒng)由六個(gè)機(jī)組組成，單個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)硬件組態(tài)中，CPU模塊選擇運(yùn)算能力較強(qiáng)、速度較快的西門子S7－300 CPU 317－2PN/DP。電源模塊主要是為CPU及接口模塊供電，要求I/O模塊、接口模塊和CPU模塊所需電流之和小于電源模塊的額定電流。選用電源模塊PS307 5 A，通過背部總線給機(jī)架上其它模塊提供5 VDC和24 VDC電源［2］。PROFINET是一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線，是TCP/IP技術(shù)在現(xiàn)場總線的應(yīng)用［3］。主控PLC通過PROFINET總線擴(kuò)展六臺(tái)ET200S(IM151－3 PN HF V7.0)接口模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O讀寫。風(fēng)機(jī)段采用SINAMICSG120系列變頻器來控制離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

PN/PNCoupler用于連接兩個(gè)PROFINET網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［4］，實(shí)現(xiàn)廠房通風(fēng)PLC與面漆噴房PLC的連鎖。在兩個(gè)項(xiàng)目中單獨(dú)組態(tài)PN/PN Coupler時(shí)，地址映射區(qū)組態(tài)為Universalmodule類型，輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的大小均組態(tài)為16字節(jié)。在確定了網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和物理層連通的前提下，PROFINET通過IP地址來建立主站PLC與分布式I/O分站之間的通訊。通訊前給主控PLC和分布式I/O設(shè)備分配單獨(dú)且唯一的IP地址［5］。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制要求

系統(tǒng)使用STEP 7結(jié)構(gòu)化編程方法進(jìn)行編程。在編寫程序前，需要編寫與設(shè)備對應(yīng)的功能塊FB，其內(nèi)部包括HMI基本信息、使能、故障及警告、運(yùn)行模式、設(shè)備控制、信息/信號(如復(fù)位故障、報(bào)警燈)六項(xiàng)內(nèi)容;FC需要通過調(diào)用對應(yīng)的FB來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)室外溫度分為冬季模式和夏季模式，既可以自動(dòng)控制，也可以在上位機(jī)上手動(dòng)操作。根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)處理的空氣量恒定，出風(fēng)口處空氣的溫度穩(wěn)定在20℃。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)

由于六臺(tái)機(jī)組的控制程序相似，控制程序以機(jī)組1為例進(jìn)行說明。機(jī)組程序按功能分為進(jìn)風(fēng)段FC1000、加熱段FC1001、表冷段FC1002、風(fēng)機(jī)段FC1003、出風(fēng)段FC1004五部分。根據(jù)每部分的控制設(shè)備相對獨(dú)立的特點(diǎn)編寫子程序。子程序通過背景數(shù)據(jù)塊DB內(nèi)部的標(biāo)志位或狀態(tài)位實(shí)現(xiàn)程序間的連鎖，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制。

OB1、OB35、OB100是組織塊。OB1是系統(tǒng)主程序，OB35為10 ms的閃爍脈沖，OB100是重新啟動(dòng)。當(dāng)CPU從Stop狀態(tài)到Run狀態(tài)時(shí)，首先執(zhí)行OB100－ ＞OB1－ ＞OB35［6］。OB35按設(shè)定的時(shí)間循環(huán)調(diào)用，與OB1無關(guān)。OB1根據(jù)程序執(zhí)行時(shí)間依次循環(huán)調(diào)用:1.循環(huán)的基本功能FC403 2.PROFINET I/O診斷管理功能FC418 3.項(xiàng)目中央控制功能 FC404 4.基本功能結(jié)束功能FC404 5.系統(tǒng)故障診斷功能塊FB218。OB35循環(huán)組織塊是嚴(yán)格按照固定周期運(yùn)作的中斷程序，符合PID功能塊對采樣周期均等的要求，在設(shè)定循環(huán)時(shí)間10 ms后，OB35調(diào)用執(zhí)行PID的功能FC。這些FC均是調(diào)用閉環(huán)控制器功能塊FB320進(jìn)行PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對變頻器頻率、冷水閥和熱水閥開合度的控制，從而實(shí)現(xiàn)在一定風(fēng)量下達(dá)到對出口段空氣溫度的控制。

OB1調(diào)用FC500實(shí)現(xiàn)主控PLC電氣柜監(jiān)控。FC600為機(jī)組1的順序啟動(dòng)，F(xiàn)C602為機(jī)組1的順序停止;FC600和FC602均兩次調(diào)用8步序列功能塊FB227和故障診斷功能塊FB221。FC900對機(jī)組1的電氣柜監(jiān)控。FC550為與面漆噴房的連鎖功能，F(xiàn)B209接收與發(fā)送連鎖信號，F(xiàn)B214、FB221監(jiān)控診斷連鎖時(shí)故障。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)框圖

3.3 自動(dòng)控制流程

在機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)后，程序?qū)⒁来巫詣?dòng)執(zhí)行開風(fēng)門、熱旁管預(yù)熱、開送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)、熱水閥使能、冷水閥使能五個(gè)步驟。利用 PID控制器調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)頻率，使進(jìn)入廠房的風(fēng)量保持恒定;通過比較出風(fēng)段溫度值與設(shè)定溫度值，利用PID控制器調(diào)節(jié)熱水閥或冷水閥的開合度，實(shí)現(xiàn)出口段空氣恒溫控制的目的。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SIEMENS公司的WinCC作為上位機(jī)。除故障、報(bào)警、操作信息采用M點(diǎn)觸發(fā)外，上位機(jī)通過DB塊號從PLC中讀取信息，方便系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)。由于故障和報(bào)警信息已經(jīng)存在于PLC的FB中，每一次相同功能塊的調(diào)用，其背景數(shù)據(jù)塊DB中故障報(bào)警信息都具有相同的結(jié)構(gòu)，編寫批處理程序，為上位機(jī)處理故障報(bào)警信息節(jié)省大量人力物力。

上位機(jī)開機(jī)運(yùn)行后顯示主畫面(如圖5所示)，所有能夠進(jìn)入車間的工作人員均可以查看上位機(jī)畫面，而只有管理員或獲得用戶權(quán)限人員才可以登陸、修改監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的交互。界面上的多個(gè)按鈕是監(jiān)控子畫面的切換鍵。子畫面包括系統(tǒng)概覽、六臺(tái)機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖、報(bào)警、連鎖等。畫面設(shè)備通過鼠標(biāo)左鍵事件連接小畫面。小畫面包含設(shè)備狀態(tài)、手動(dòng)操作按鈕、故障報(bào)警信息。在維修員解決報(bào)警或故障后，可以通過小畫面上的“復(fù)位”按鈕復(fù)位系統(tǒng)報(bào)警或故障。報(bào)警畫面分為信息畫面、報(bào)警畫面、故障畫面，方便維修員快速查找。所有模擬量開關(guān)點(diǎn)包括最小值故障、最小值警告、10個(gè)備用開關(guān)點(diǎn)、最大值警告、最大值故障，允許有權(quán)限人員在畫面上修改14個(gè)模擬量開關(guān)點(diǎn)的設(shè)定值;所有模擬量都有實(shí)時(shí)趨勢圖形和歷史記錄，報(bào)表畫面提供每間隔5分鐘記錄一次的數(shù)據(jù)，可以有選擇性的導(dǎo)出、打印數(shù)據(jù)記錄信息。

圖5 啟動(dòng)主畫面

為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，上位機(jī)上將會(huì)出現(xiàn)故障信息，電氣柜三色燈塔紅色亮起，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音警告，維修人員會(huì)根據(jù)故障信息進(jìn)行緊急處理［7］。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，主要性能指標(biāo)均達(dá)到或超過企業(yè)的要求，各性能參數(shù)修改十分靈活，現(xiàn)場工程師可以根據(jù)實(shí)際需要做出一定的修改。詳細(xì)而完備的故障診斷能力，幫助維修人員快速解決故障，保證生產(chǎn)任務(wù)按計(jì)劃進(jìn)行。

［1］莫軍.某涂裝車間空調(diào)節(jié)能優(yōu)化研究［D］.吉林:吉林大學(xué)，2011.

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［3］孫書芳，柴瑞娟，孫承志，等.西門子PLC高級培訓(xùn)教程［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

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A Research on Plant Ventilation Monitoring System in Automobile Painting Workshops

LIU Shu-qiao，SUN Jian-ye，WEICheng-feng
(Shenyang University of Science and Engineering，Liaoning High-speed Cutting Engineering and Technological Research Center，Shenyang Liaoning110159，China)

This paper analyzes the overall design and control scheme for the automobile painting workshop ventilation system.The control system，consisting of Siemens S7－300PLC，PROFINET Industrial Ethernet，Sinamics G120 inverter，configuration softwareWinCC，remote I/Omodule ET200S and PN/PN coupler，is used for centralized management and real-timemonitoring of the collected data.The system has achieved good results in actual applications，and canmeet the design requirements.

painting workshop;plant ventilation;PLC;PROFINET;PN/PN coupler;WinCC

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.028

TP273

A

1000－3886(2015)06－0087－03

定稿日期:2014－08－29

柳書橋(1989－)，男，湖北荊門人，碩士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)電裝備及自動(dòng)化技術(shù)。 孫建業(yè)(1957－)，男，遼寧沈陽人，教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)及機(jī)電一體化。