趙宇馳，劉 靜

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 控制技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121； 2.東北石油大學(xué)(秦皇島校區(qū)) 大數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，河北 秦皇島 066004)

2020年1月13日，中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了2020年汽車產(chǎn)銷數(shù)據(jù)，汽車產(chǎn)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(jì)局發(fā)布了工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，2020年全國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入106.14萬億元，同比增長0.8%，實(shí)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?duì)I業(yè)收入為81 557.7億元，同比增長3.4%，實(shí)現(xiàn)利潤總額5 093.6億元，同比增長4%。在統(tǒng)計(jì)表中，汽車制造業(yè)的營業(yè)收入僅次于“計(jì)算機(jī)、通信和其他電子設(shè)備制造業(yè)”，在41個(gè)行業(yè)中位居第二，國家統(tǒng)計(jì)局新聞發(fā)言人劉愛華表示：“汽車行業(yè)從長期來看，還會(huì)保持比較快的增長潛力”。汽車制造業(yè)已經(jīng)成為國民新興經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，中國已經(jīng)成為世界最大的汽車市場(chǎng)，也是競(jìng)爭最激烈的市場(chǎng)，汽車制造業(yè)的工程技術(shù)人員應(yīng)掌握核心技術(shù)，提高核心競(jìng)爭力。

1 汽車制造工藝流程

汽車制造工廠有4個(gè)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(gè)部分，包括機(jī)艙前地板(機(jī)艙和前地板合稱機(jī)艙前地板)、后地板、左右側(cè)圍、 頂蓋和五門一蓋(4個(gè)車門加后背箱門加上機(jī)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(jīng)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(dòng)機(jī)、座椅、輪胎等，經(jīng)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(gè)車間中自動(dòng)化水平最高的2個(gè)車間，基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化，沖壓、焊裝、總裝的工藝每個(gè)品牌都會(huì)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(zhì)量的是涂料性能、涂裝技術(shù)和涂裝質(zhì)量管理3個(gè)條件，涂裝技術(shù)和涂裝質(zhì)量管理是發(fā)揮涂料性能的必要條件，漆膜的質(zhì)量不僅取決于涂料本身的質(zhì)量，更取決于涂裝技術(shù)和涂裝質(zhì)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(hào)內(nèi)容表示的是處理方式)：預(yù)脫脂1(洪流+噴+洪流)、預(yù)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(dǎo)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(shè)置與其對(duì)應(yīng)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(gè)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(gè)階段[5]。

4) 噴涂部分

主要承擔(dān)車身面漆噴涂任務(wù)，分為噴色漆、色漆烘干、噴清漆和清漆烘干4個(gè)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(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一個(gè)凈節(jié)拍為30輛/h的涂裝車間自動(dòng)控制系統(tǒng)，涂裝車間進(jìn)行混線生產(chǎn)(生產(chǎn)2種車型)，其中有50%的雙色車。汽車涂裝生產(chǎn)線是典型的多工種、多工藝、多物料的大規(guī)模生產(chǎn)過程，涂裝車間共有107個(gè)工位，每個(gè)工位都擁有1個(gè)或多個(gè)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(gè)電氣控制柜，控制柜采用PLC作為主控設(shè)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(nèi)是一個(gè)規(guī)模宏大、設(shè)備繁多、控制復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，涂裝車間的自動(dòng)控制系統(tǒng)包含了大量的運(yùn)動(dòng)控制和過程控制。

白車身在機(jī)械運(yùn)輸過程中涉及大量地面鏈、懸鏈、運(yùn)轉(zhuǎn)車、轉(zhuǎn)臺(tái)和升降機(jī)等的控制；汽車的打膠、噴涂過程由工業(yè)機(jī)器人完成，這是主要的運(yùn)動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥和電磁閥自動(dòng)控制任務(wù)；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(cè)、控制任務(wù)；在“三廢”處理的生產(chǎn)線上也有大量pH、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)和重金屬的檢測(cè)任務(wù)以及大量的電動(dòng)閥、電磁閥和計(jì)量泵等控制任務(wù)；還需設(shè)計(jì)各種純水、超濾、反滲透、涂膠和輸調(diào)漆的成套自動(dòng)控制系統(tǒng)。

107個(gè)工位、數(shù)十萬個(gè)設(shè)備需要協(xié)調(diào)配合才能噴涂出質(zhì)量優(yōu)良的車身，這對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了極高的要求，現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式結(jié)構(gòu)能夠滿足汽車涂裝的控制要求，每個(gè)工位擁有一個(gè)或者多個(gè)電氣控制柜，控制本工位的所有設(shè)備，控制柜安裝在受控設(shè)備附近，控制機(jī)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(diǎn)修補(bǔ)、注蠟和相關(guān)附屬設(shè)備等，所有控制柜和中央控制室(CCR)采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊[6]。CCR對(duì)涂裝車間的所有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析，涂裝車間控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)管理系統(tǒng)，包含生產(chǎn)管理、物料管理、質(zhì)量管理和設(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)圖

4 涂裝車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要功能

4.1 涂裝車間生產(chǎn)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(chǎn)控制系統(tǒng)在主要工藝段、危險(xiǎn)位置能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備及車輛的實(shí)時(shí)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(nèi)所有滑橇更換點(diǎn)、自動(dòng)內(nèi)部密封、自動(dòng)底盤密封、色漆內(nèi)噴、色漆外噴、清漆內(nèi)噴、清漆外噴、涂裝完成點(diǎn)和涂裝車間出口，共計(jì)擁有攝像頭近50個(gè)，特殊區(qū)域的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可滿足現(xiàn)場(chǎng)防爆、防水等的要求。視頻監(jiān)控主要有以下功能：① 生產(chǎn)線畫面視頻監(jiān)控；② 在滑撬更換點(diǎn)拍攝車身信息，遠(yuǎn)程錄入RFID信息；③ 在滑撬解鎖、鎖緊站進(jìn)行滑撬鎖緊狀態(tài)對(duì)比，可調(diào)取視頻畫面進(jìn)行人工對(duì)比和錄入操作。

4.1.2 車身信息識(shí)別系統(tǒng)

隨著人民對(duì)汽車個(gè)性化需求的發(fā)展，汽車的生產(chǎn)模式已經(jīng)由生產(chǎn)者主導(dǎo)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛上M(fèi)者主導(dǎo)，且車型更新?lián)Q代越來越快?；炀€生產(chǎn)、雙色噴涂、訂單化生產(chǎn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短、投放市場(chǎng)速度快，這些變化對(duì)汽車的從業(yè)者提出了更高的要求，汽車企業(yè)需要進(jìn)行個(gè)性化生產(chǎn)、柔性化生產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(shí)別系統(tǒng)將通過控制系統(tǒng)采集每輛車所包含的生產(chǎn)信息，然后組織生產(chǎn)并進(jìn)行產(chǎn)后管理，所以車身識(shí)別系統(tǒng)也是生產(chǎn)管理重要組成部分。

射頻識(shí)別(RFID)是無線電技術(shù)在自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域中的應(yīng)用，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，自動(dòng)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)，再通過現(xiàn)場(chǎng)總線可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。射頻識(shí)別技術(shù)利用無線電波來傳送識(shí)別資料，因此可不受空間的限制，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，適用于各種惡劣環(huán)境，快速進(jìn)行物品追蹤、資料交換、分類、統(tǒng)計(jì)、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(bào)警系統(tǒng)以及收集生產(chǎn)線上相關(guān)設(shè)備信息的信息管理工具。安燈系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)的目視管理：每個(gè)設(shè)備或工作站都配有呼叫燈，如果生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題，設(shè)備會(huì)自動(dòng)將燈點(diǎn)亮(也可操作員手動(dòng))。汽車涂裝生產(chǎn)線包括上百個(gè)工位，任何工位發(fā)生故障，操作員就必須停止整條生產(chǎn)線，安燈系統(tǒng)可以使生產(chǎn)過程中的問題得到及時(shí)處理[8]?？刂葡到y(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(bǔ)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(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能為：

1) 對(duì)所有的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如前處理和電泳各槽內(nèi)液體的溫度、液位，噴漆室的溫度、濕度和壓力，電泳槽內(nèi)的車身電壓和電流，輸調(diào)漆系統(tǒng)的參數(shù)，烘房溫度等；

2) 改變生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，可切換手動(dòng)、自動(dòng)和調(diào)試3種模式；

3) 顯示報(bào)警信息，如前處理、電泳槽溫度異常報(bào)警，風(fēng)機(jī)故障報(bào)警，泵、電機(jī)故障報(bào)警，輸送線故障報(bào)警，傳感器和開關(guān)故障報(bào)警，烘房溫度異常報(bào)警，輸調(diào)漆系統(tǒng)故障報(bào)警，機(jī)器人噴涂系統(tǒng)故障報(bào)警等；

4) 完成PLC組網(wǎng)后，能滿足接入工廠總控的需要，并能與廠區(qū)生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換；

5) 有查詢和統(tǒng)計(jì)功能，如車身數(shù)量和車身位置等，所有報(bào)表(如生產(chǎn)報(bào)表和故障統(tǒng)計(jì)報(bào)表)和重要的工藝信息在本地保存至少3個(gè)月，并定期自動(dòng)上傳云端。

4.2 涂裝車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要功能

MES是美國AMR(Advanced Manufacturing Research)公司在20世紀(jì)90年代初提出的，意為“上層的計(jì)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(huì)MESA(Manufacturing Execution System Association)對(duì)MES所下的定義為： MES能通過信息傳遞對(duì)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。當(dāng)工廠發(fā)生實(shí)時(shí)事件時(shí)，MES能對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng)、報(bào)告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理[8]。

系統(tǒng)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建設(shè)備、人、物料和信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間相關(guān)數(shù)據(jù)的感知、傳輸和實(shí)時(shí)分析，并形成科學(xué)決策和實(shí)現(xiàn)智能控制，能夠?yàn)槠髽I(yè)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，系統(tǒng)分為4大部分：

1) 物料管理系統(tǒng)

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車廠規(guī)模巨大的原材料的數(shù)量、質(zhì)量和去向的管控，物料低于閥值時(shí)會(huì)提醒后勤系統(tǒng)對(duì)相關(guān)物料進(jìn)行補(bǔ)給。

2) 能耗監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)烘干爐、工藝空調(diào)、廢氣處理和暖通空調(diào)進(jìn)行天然氣流量監(jiān)控，對(duì)前處理電泳、工藝空調(diào)、暖通空調(diào)和余熱回收進(jìn)行熱水流量監(jiān)控，對(duì)前處理電泳、溫控系統(tǒng)、烘干房和噴房系統(tǒng)進(jìn)行冷水系統(tǒng)流量監(jiān)控，對(duì)工業(yè)水進(jìn)行流量監(jiān)控，對(duì)前處理電泳、噴房系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、機(jī)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(jìn)行電能監(jiān)控，對(duì)全車件的壓縮空氣進(jìn)行流量監(jiān)控，對(duì)純水進(jìn)行流量監(jiān)控，對(duì)高耗能的風(fēng)機(jī)、電機(jī)、機(jī)器人、燃燒器、冷凍機(jī)、油漆循環(huán)泵、照明等單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行能耗的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化在線監(jiān)控，具備報(bào)表功能，可導(dǎo)出任意時(shí)段、任意設(shè)備的能源消耗報(bào)表，可按生產(chǎn)班次、日、周、月、年等導(dǎo)出能耗報(bào)表，可顯示能耗的變化趨勢(shì)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行時(shí)序圖進(jìn)行分析，可計(jì)算單臺(tái)能耗并與目標(biāo)值對(duì)比[9]。

3) 設(shè)備管理系統(tǒng)

采集設(shè)備的電壓、電流、溫度、聲音、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等信息，存儲(chǔ)至CCR和云服務(wù)器中，依據(jù)大數(shù)據(jù)分析形成報(bào)表、趨勢(shì)圖等，通過運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸溫度、振動(dòng)等信息預(yù)測(cè)電機(jī)故障時(shí)間，形成設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)更新，給出維護(hù)建議，包括維護(hù)內(nèi)容、維護(hù)方法、維護(hù)周期等，并支持導(dǎo)出維護(hù)工單，可在線確認(rèn)維護(hù)效果，具備維護(hù)查詢及定時(shí)提醒功能。

4) 質(zhì)量監(jiān)控、追溯系統(tǒng)

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

5 結(jié) 論

隨著射頻識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)化和識(shí)別自動(dòng)化己經(jīng)成為工業(yè)控制的發(fā)展趨勢(shì)。文章設(shè)計(jì)了基于RFID和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的汽車涂裝控制系統(tǒng)，且已在天津工廠投入運(yùn)行3 a，客戶整體反饋良好。汽車行業(yè)已經(jīng)從批量生產(chǎn)過渡到客戶訂制的生產(chǎn)模式，愈發(fā)注重生產(chǎn)的質(zhì)量控制和管理，文章汽車涂裝自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較好的推廣和借鑒價(jià)值。