基于西门子PLC 车身涂装烘干控制系统设计

刘甘霖，刘竹林，鲍连升

（湖北工业职业技术学院，湖北 十堰，442000）

引言

现代汽车生产涂装工艺流程中车身需经过三次烘干程序，分别为电泳烘干、密封胶烘干、面漆烘干[1]。面漆烘干是工艺中最复杂、参数最难控制的环节。为了获得高质量的涂层，在面漆烘干中的温度、时间、空气湿度等参数必须严格控制，优良的烘干参数控制才能使车漆质量得以保证，目前由于部分规模较小的汽车车身制造厂家面临自动化升级改造，多采用继电器控制的烘干房设计，为节省改造成本，在原有的直通式烘房结构的基础上，将继电器控制系统改造成PLC 控制系统。本文以西门子S7-200smartPLC 为控制器，从总体设计方案、控制系统设计、人机界面设计几个方面设计出直通式烘房的烘干控制系统，对小厂区自动化改造具有一定的通用性。

1 直通式烘干房结构

直通式烘房为长方体结构，因其结构简单、制造成本低而被很多车身部件生产企业所使用，但存在热量损失大、空气杂质含量较高、生产时产生废气较多等缺点[2]，随着自动化升级改造以及保温材料的改善和工艺的提升，部分缺点得到逐步控制。直通式烘房结构图如图1 所示。

图1 直通式烘房结构示意图

2 车身喷漆烘干控制系统总体设计方案

本控制系统适用于简单的直通式烘房，加热方式采用燃气集中加热，分段控制的方式，即采用一个主燃烧器，每一组的温度由本段单独控制，整个烘干房温控系统较复杂，控制信号数量多，按功能分为温度检测系统、燃烧器控制系统、热风循环控制系统、风嘴方向控制系统、输送链控制系统、上位机交互显示系统[3-4]。控制系统的总体结构图如图2 所示：

图2 控制系统总体结构图

3 控制系统设计

3.1 控制系统的硬件设计

采用西门子S7-200smartPLC 作为控制器，人机交互采用昆仑通态触摸屏，按功能不同分为温度采集系统、燃烧器控制系统、热风循环控制系统、风嘴方向控制系统、输送链控制系统、上位机监控系统。其PLC 部分硬件接线图如图3 所示。

图3 PLC 部分硬件接线图

温度采集主要使用PT100 热电阻传感器将其转换为电信号后经过变送器转换成4-20ma 信号再传送至PLC 模拟量输入模块。燃烧器控制系统比较复杂，主要由送风、燃料、点火、监测以及电控五部分组成，由于燃烧器设备由其他厂家提供，故本系统仅对燃烧器出口压力及温度进行监控采集。热风循环控制系统直接作用于烘房，本系统通过调节风阀的开度和风机的频率控制送风量。风嘴方向控制系统主要作用于不同车型的烘干，在烘干房周围布置多个风嘴，可以机械手动调节位置方向，也可以通过参数设置进行软件自动调节方向。输送链控制系统由输送链电机变频器控制，主要控制输送链的速度以适应不同类型的烘干工艺。上位机监控系统采用MCGSE 嵌入版进行开发。

3.2 控制系统的软件设计

根据车身烘干工艺要求，要求将车身置于185+10°环境下烘干约30 分钟[5-6]。由此得出输送链的速度v（m/min）设定与烘房长度L（m）的关系v=L/30，本系统烘房设计长度为25m，则设定速度约0.83m/min。热风循环控制系统为了避免两者同时调节产生干扰，采用先调节风阀再调节风机频率的方式，通过先给定一个风阀开度和频率初始值，在调节过程中，当风阀调节至最大时，如果温度监测值达不到要求，再通过调节风机频率来控制送风量。其温度控制系统的基本组成如图4 所示。

图4 控制系统基本组成

本系统由于烘房空间大，加热速度缓慢，具有典型的大时滞特性[7]，采用分段PID 控制，在温度未达到160℃之前采用纯比例加热模式，采取循环风阀开度100%，循环风机工频运行。温度达到160℃以后采取PID 控制使温度稳定在185+10℃，当温度达到175℃时启动输送链电机，将待烘干车身运送至烘干室。

4 人机界面设计

触摸屏操作界面采用MCGSE 嵌入版进行开发，触摸屏主要提供给操作人员设置系统启动、停止，风嘴方向，输送链启停，显示风阀开度、风机频率及其运行信息等，部分设计界面如图5 所示。

图5 触摸屏设计界面

5 结语

本文根据直通式汽车烘干房的工艺要求，设计了以西门子S7-200smart PLC 为核心控制器的通用控制系统，采用MCGSE 嵌入版组态软件开发触摸屏界面，使用分段PID 控制烘干房内温度，与输送链控制系统、燃烧机控制系统联动，实现了整个汽车漆面烘干过程的自动化生产，特别适合规模较小的厂区进行自动化改造，系统具有良好的通用性，降低原材料损耗，节约生产成本。