林軼韜，劉建群, ，許東偉，高偉強

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.佛山智昂科技有限公司，廣東 佛山 528225）

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，企業(yè)在生產(chǎn)中對鋁型材的要求越來越高[1]，不僅要求型材能防銹防蝕，還要求型材表面有足夠的硬度和耐磨性[2]，這就需要對型材表面進行處理。傳統(tǒng)的處理方式是空氣噴涂，而隨著現(xiàn)代噴涂技術(shù)的發(fā)展，效率更高、噴涂質(zhì)量更好、更環(huán)保的靜電粉末噴涂正逐步取而代之[3]。靜電噴涂的原理是靜電場對電荷的作用[4]：將工件接地作為陽極，噴槍作為陰極，即在噴槍上施加負電壓，令噴槍與工件之間形成靜電場，粉末從噴槍噴出時帶上負電荷，在電場力的作用下附著在工件上而形成均勻的薄膜[5]，多余的粉末通過回收系統(tǒng)回收。其效率高，經(jīng)濟效益好，對環(huán)境也很友好[6]。

采用自動化生產(chǎn)線進行鋁型材的靜電噴涂加工可以顯著提高粉末的利用率和生產(chǎn)效率。國內(nèi)部分高校和企業(yè)設計了基于編碼器和PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)的自動噴涂生產(chǎn)線[7-8]，能實現(xiàn)生產(chǎn)線的半自動噴涂，但很多操作仍需人工完成，噴槍參數(shù)調(diào)整很繁瑣，人機界面比較簡陋，不夠方便、友好。國外進口的噴涂生產(chǎn)線雖自動化程度高，但購買和維護成本不低，不適用于對成本敏感的中小型企業(yè)。

根據(jù)鋁型材靜電噴涂的特點和企業(yè)的實際需求，設計和開發(fā)了一套鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，能方便快捷地在生產(chǎn)線上對噴槍的噴涂參數(shù)進行調(diào)整，實現(xiàn)噴槍的自動噴涂控制，有效降低了企業(yè)的人力和物力成本，解決了國內(nèi)中小型鋁型材加工企業(yè)生產(chǎn)線自動化程度不高的問題。

1 硬件架構(gòu)

如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由研華PPC-3120S 工控機、意普興ESN14810L1N0-S 光幕傳感器、歐姆龍E6B2-CWZ6C 旋轉(zhuǎn)編碼器、西門子S7-200 Smart PLC、廣成科技GCAN-202 模塊和漢哲涂裝Milepost 噴槍從站等組成。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Figure 1 Hardware architecture of control system

PLC、CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))模塊、工控機均通過以太網(wǎng)與交換機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與交換。光幕傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC 相連，輸出信號到PLC。上位機軟件安裝在工控機上，通過TCP 協(xié)議讀取PLC 寄存器數(shù)據(jù)，由程序處理后經(jīng)過CAN 模塊1 將噴涂參數(shù)發(fā)送給各噴槍從站，每個噴槍從站連接一把噴槍。由于現(xiàn)場干擾較大，因此引入CAN 模塊2，當最后一個從站接收到數(shù)據(jù)后，由軟件讀取CAN 模塊2 的數(shù)據(jù)并與CAN 模塊1 發(fā)送的數(shù)據(jù)同步比對，進行糾錯。

2 PLC 控制系統(tǒng)的設計

PLC 是編碼器、光幕傳感器與工控機之間的橋梁，承擔著傳遞信號和處理信息的任務[9]。為了滿足生產(chǎn)線的工作流程和自動化的控制要求，PLC 控制系統(tǒng)設計包括生產(chǎn)線布局、PLC 控制邏輯、PLC 程序流程3 個方面。

2.1 生產(chǎn)線布局

合適的生產(chǎn)線布局是滿足PLC 控制系統(tǒng)設計的關鍵。如圖2 所示，鋁型材固定在由電動機驅(qū)動的吊掛線上，光幕傳感器用于檢測工件的位置，由于噴涂區(qū)內(nèi)粉塵較大，傳感器安裝在噴涂區(qū)之外?？刂葡到y(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號和光幕傳感器的電平信號對工件進行位置控制，由PLC 程序和上位機軟件程序進行開關槍判斷，工件噴涂后進入固化室固化處理[10]。

圖2 生產(chǎn)線布局Figure 2 Layout of production line

2.2 PLC 控制邏輯

為了確保鋁型材表面涂層厚度均勻，需要在鋁型材到達噴槍前一定距離就開啟噴槍，在離開噴槍后一定距離才關閉噴槍，所以在PLC 上對提前開槍和延遲關槍的時機進行設計。如圖3 所示，噴槍設置在噴涂區(qū)里，工件寬度為d，噴槍2 到光幕傳感器的距離為L，預先設置的提前開槍和延遲關槍距離均為l。

圖3 PLC 控制邏輯Figure 3 PLC control logic

當工件在吊掛線上運行至其前沿接觸到光幕傳感器時，PLC 記錄下此時編碼器的脈沖數(shù)值，當工件整體離開光幕時，PLC 再次記錄下此時編碼器的數(shù)值。以噴槍2 為例，經(jīng)過(L-l-d)的距離后，噴槍2開槍提前噴涂；再走過(2l + d)的距離后噴槍2 關槍。為了提高噴涂效率，可根據(jù)實際生產(chǎn)需要，在噴涂區(qū)同側(cè)或兩側(cè)交錯設置多把噴槍，同時在PLC 程序上寫入多把噴槍的子程序，上位機讀取每把噴槍的開槍標志位寄存器狀態(tài)即可判斷噴槍的開關槍。

2.3 PLC 程序流程

PLC 的輸入信號有光幕傳感器(輸入電平信號)，旋轉(zhuǎn)編碼器(輸入脈沖信號)以及急停、啟動、暫停按鈕(輸入IO 數(shù)字信號，24 V)；輸出信號為啟動、關閉噴槍信號?？刂葡到y(tǒng)開始運行后，上位機軟件讀取位置參數(shù)文件，將各參數(shù)寫入PLC 的相應寄存器中，第一把噴槍的位置寄存器地址為VD0，提前值寄存器為VD4，延遲值寄存器為VD8，開槍標志位寄存器為V1500.0，第二把噴槍的位置參數(shù)寄存器地址分別為VD12、VD16、VD20、V1500.1，以此類推，最多支持60 把噴槍的參數(shù)設置。光幕傳感器輸入為I0.6，編碼器數(shù)值的寄存器為VD1620。

如圖4 所示，設置完位置參數(shù)后PLC 開始讀取光幕傳感器信號，當鋁型材進入光幕時(光幕輸入信號由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，上升?記錄當前編碼器的脈沖數(shù)值(起始位置)，并置位一個開始記錄標志位。當開始記錄標志位有效且工件離開光幕時(光幕輸入信號由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑陆笛?，記錄當前編碼器的脈沖數(shù)值(結(jié)束位置)，復位開始記錄標志位。工件到達開槍位置時，PLC 開槍標志位置位。工件到達關槍位置時，開槍標志位復位。如此循環(huán)往復，直到噴涂結(jié)束。

圖4 PLC 程序流程Figure 4 Flowchart of PLC program

3 上位機軟件的設計

上位機軟件作為整個生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的核心組成部分，功能眾多?；赪indows 操作系統(tǒng)，以Qt 5.12 為開發(fā)平臺設計了界面美觀、交互友好的上位機軟件。軟件的開發(fā)包括人機界面設計、CAN 模塊通信設計和PLC 通信設計。

3.1 人機界面設計

如圖5 所示，人機界面實現(xiàn)了吊掛線速度、系統(tǒng)運行狀態(tài)、運行模式、工件識別參數(shù)、CAN 模塊狀態(tài)、PLC 狀態(tài)的顯示，2 個噴位噴涂參數(shù)的調(diào)整，噴涂配方的設置，每把噴槍的位置管理，系統(tǒng)的配置以及日志等功能。

在實際生產(chǎn)過程中，由于控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動開關槍的功能，用戶只需要根據(jù)經(jīng)驗和鋁型材狀態(tài)判斷膜厚情況，在人機界面上改變粉量、霧化(空氣流量)、高壓、電流4 個參數(shù)，通過上位機與噴槍從站的數(shù)據(jù)傳輸即可實時調(diào)整噴槍的噴涂狀態(tài)。

圖5 上位機軟件的人機界面Figure 5 Human-machine interface of upper computer software

3.2 CAN 模塊通信設計

CAN 模塊選用廣成科技GCAN-202，該型號支持TCP/IP 協(xié)議，開發(fā)基于標準的Socket 套接字規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和CAN-BUS 總線數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，是噴槍從站與上位機軟件的媒介。PC 通過以太網(wǎng)與CAN 模塊連接，IP 地址為192.168.1.5，端口為56043，CAN 模塊的工作模式都設置為TCP Server，模塊1 的IP 地址為192.168.1.10，端口1 為4001，端口2 為4002，而模塊2 的 IP 地址為192.168.1.12，端口1 為4001，端口2 為4002。上位機與2 個模塊的通信通過Qt 中的QTcpSocket 類實現(xiàn)，在軟件中新建TCPControllerDevice 類，繼承于QTcpSocket。開設 2 個獨立線程類CANControllerModule 和CANReceiverModule，前者服務于CAN 消息發(fā)送，后者服務于CAN 消息接收，在這2 個類中分別創(chuàng)建2 個TCPControllerDevice 類的實例，調(diào)用connectToHost(QHostAddress &address, quint16 port)函數(shù)分別連接對應模塊的2 個端口，使用waitForConnected(int msecs)函數(shù)判斷是否連接成功，成功則返回true，否則為false。發(fā)送消息時，上位機通過write(const char *data, qint64 maxSize)函數(shù)將數(shù)據(jù)幀寫入Socket 緩存，利用waitForBytesWritten()函數(shù)將緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN 模塊。若要斷開Socket 連接，則通過disconnectFromHost()函數(shù)實現(xiàn)。

如圖6 所示，上位機軟件與CAN 模塊建立通信后，將噴涂參數(shù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到CAN 模塊。數(shù)據(jù)幀包括13 個字節(jié)，第1 個字節(jié)為幀信息，用來標識數(shù)據(jù)幀的長度；第2 至第5 個字節(jié)為噴槍從站的ID 和開關槍信息；第6 至第13 個字節(jié)為數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)信息，霧化、粉量、高壓、電流、清掃氣等噴涂參數(shù)存儲在此字節(jié)段。用戶在界面上設定的參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)紺AN 模塊，模塊將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成CAN-BUS 數(shù)據(jù)發(fā)送給噴槍從站，由從站內(nèi)置的CAN-BUS 模塊進行分析處理，識別到噴涂參數(shù)的改變后對噴槍進行參數(shù)調(diào)整。

圖6 噴涂參數(shù)的發(fā)送過程Figure 6 Process for sending the spraying parameters

3.3 PLC 通信設計

在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，西門子的S7 系列PLC 由于功能強大、運行速度快、擴展性強而應用廣泛。選用西門子S7 系列中S7-200 Smart 型號的PLC。它擁有12 點輸入、8 點繼電器輸出、以太網(wǎng)口，能滿足系統(tǒng)控制和通信的需要；擁有高速計數(shù)器對編碼器的脈沖進行計數(shù)，能滿足程序設計的需求；并且具有價格低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢。

S7-200 Smart 可以通過以太網(wǎng)口與PC 進行程序的下載和數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)傳輸所用到的通信協(xié)議是西門子的S7 Communication 協(xié)議(簡稱S7 協(xié)議)。PC 與PLC 的通信分為3 個階段：

(1) 握手階段。當PC 與PLC 通過Socket 建立連接時，會在此階段進行“3 次握手”，這是標準的TCP 連接方式，由Socket 自動完成。

(2) 通信請求和確認階段。在握手階段之后，并不能馬上進行數(shù)據(jù)交換，還需要經(jīng)過通信請求和確認過程。這個過程包含兩次報文交換：第一次，PC 發(fā)送S7 協(xié)議的“握手包”COTP(Connection Oriented Transport Protocol，面向連接的傳輸協(xié)議)連接包給PLC，連接包的類型為CR(Connect Request，連接請求)，請求與PLC 進行連接，而PLC 反饋COTP 連接包，連接包的類型為CC(Connect Confirm，連接確認)，確認與PC 進行連接，同時PLC 明確所連接PC 的IP 地址和端口；第二次，PC 發(fā)送S7 協(xié)議中類型為“Setup communication(建立通信)”的作業(yè)請求，PLC 反饋“連接確認”的數(shù)據(jù)響應，從而建立起PC 與PLC 的通信。

(3) 交換數(shù)據(jù)階段。在此階段，根據(jù)控制需要對PLC 發(fā)送作業(yè)請求，作業(yè)類型包括Run(運行)、Read(讀取)、Write(寫入)、Stop(停止)等，在PC 發(fā)送作業(yè)請求之前，S7 協(xié)議會自動發(fā)送一個類型為DT(即Data──數(shù)據(jù))的COTP 功能包，表明后續(xù)要發(fā)送的幀為數(shù)據(jù)幀，PLC 不會對此功能包進行反饋；PC發(fā)送作業(yè)請求后PLC 反饋報文，確認數(shù)據(jù)響應，回復報文內(nèi)容為成功、失敗或是PC 讀取某個寄存器返回的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

上位機軟件開設一個獨立線程類PLCControllerModule，在類中創(chuàng)建一個TCPControllerDevice 類的實例，軟件啟動時連接PLC 的IP 地址和端口，PLC 的IP 地址為192.168.1.11，端口為102，經(jīng)過“握手階段”、“通信請求和確認階段”建立與PLC 的通信。在“交換數(shù)據(jù)階段”，上位機軟件通過S7 協(xié)議中的“Run”作業(yè)請求運行PLC，PLC 返回“success”后繼續(xù)通過“Write”作業(yè)請求對PLC 各位置值、各提前延遲值寄存器進行數(shù)據(jù)的寫入，并設置一個定時器m_pPlcReadDataTimer，每隔100 ms 發(fā)送一次“Read”作業(yè)請求，讀取從V1500.0 開始的各開槍標志位的寄存器狀態(tài)，PLC 返回“1”時上位機軟件向?qū)獜恼景l(fā)送開槍消息，返回“0”時發(fā)送關槍消息。噴涂結(jié)束后，軟件發(fā)送“Stop”作業(yè)請求停止PLC的運行。

4 實際應用

以廣東肇慶某鋁型材加工企業(yè)為例，鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)如圖7 所示，24 個噴槍從站、工控機、CAN 模塊、PLC、交換機均安裝在左側(cè)電柜，右側(cè)電柜為供粉中心。系統(tǒng)應用于該企業(yè)的2 個噴涂區(qū)(如圖8 所示)，每個噴涂區(qū)高10 m，為了便于回收粉末，區(qū)域設置為三角形，24 把噴槍交錯設置在同側(cè)，由往復機帶動上下噴涂。

圖7 鋁型材靜電噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)Figure 7 Control system for aluminum profile electrostatic powder spraying production line

圖8 噴涂區(qū)Figure 8 Spraying area

現(xiàn)場設置的光幕傳感器距離噴涂區(qū)內(nèi)第一把噴槍5 000 mm，往復機上噴槍之間間隔150 mm，用戶在上位機軟件上寫入每把噴槍的位置參數(shù)，提前延遲值設置為200 mm，靜電噴涂參數(shù)設置如下：粉量60%，霧化(空氣流量)2 Nm3/h，高壓70 kV，電流40 mA。噴涂過程中，當涂層較薄時可適當增大粉量、高壓和電流，從而增加粉末的數(shù)量和帶電量；當涂層較厚時，適當增大霧化以擴大粉末的霧幅、分散粉末涂料，或是減小粉量、高壓和電流。

待加工鋁型材長7 000 mm、寬100 mm、厚50 mm，鋁型材之間距離為100 mm。噴涂過程如圖9 所示，此時鋁型材處于往復機上左側(cè)12 把噴槍的開槍范圍內(nèi)，但未進入右側(cè)12 把噴槍的開槍范圍，所以左側(cè)噴槍開啟，右側(cè)噴槍關閉。生產(chǎn)線連續(xù)運行72 h 后，上位機軟件、PLC、CAN 模塊等仍正常工作，表明控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足了自動化加工的控制要求。

GB/T 5237.4-2017《鋁合金建筑型材》規(guī)定鋁型材表面應光滑、有光澤[11]，不允許出現(xiàn)鼓泡、腐蝕、裂紋、起皮等現(xiàn)象，涂層厚度應在40 ～ 120 μm 范圍內(nèi)。從圖10 可以看出，由控制系統(tǒng)加工后的鋁型材表面光滑，隨機選取20 個點用天星ED300 型測厚儀測得涂層厚度為60 ～ 80 μm，符合國標的要求。

圖9 噴涂過程Figure 9 Spraying process

圖10 噴涂結(jié)果Figure 10 Spraying result

5 結(jié)語

根據(jù)鋁型材靜電噴涂的特點和企業(yè)的實際需求開發(fā)了一套鋁型材靜電噴涂自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，完成了硬件平臺的搭建、PLC 控制系統(tǒng)的設計和上位機軟件的開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)性能可靠，成本低廉，已投入企業(yè)實際生產(chǎn)4 個多月，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了鋁型材靜電噴涂的自動化加工，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和粉末的利用率，且加工后的鋁型材質(zhì)量符合國標要求，是中小型鋁型材加工企業(yè)對靜電噴涂生產(chǎn)線進行自動化升級改造的理想方案，具有良好的應用前景。

附錄

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