汽车涂装车间空调系统改进设想

方丁辉，孙凤霞，王贵龙

(1.杭州吉利汽车有限公司，杭州 310000 ； 2.黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150000)

0 引言

在焊装车间完成的白车身，来到涂装车间，经过各种工艺将涂料涂覆于白车身表面。涂装的过程通常要经过清洗、电泳、色漆、清漆等步骤，实现车身防腐、密封、装饰三大基本功能，使车身看起来更加美观。因此，涂装的功能主要是起到保护、装饰作用，在这一过程中，对自动化、智能化要求较高。本文选取杭州吉利汽车有限公司钱塘基地涂装车间作为研究对象。车身涂装厂房内清洁度要求高、设备种类多、自动程度高，涂装车间的空调系统担负重要作用。车身涂装生产具有能耗大、耗材消耗大、有害固体废弃物及VOC排放量大。在满足先进的工艺生产技术基础上，涂装车间空调系统的正常运转是保证整体效益最有效的方法。

当今，汽车涂装行业发展迅速，竞争激烈，对喷涂质量的要求与日俱增，对温度、湿度、风速控制精度有了严格要求[1]，优异的涂装质量离不开高质量的环境，这就对涂装车间空调系统提出更高要求。因此，为保证涂装喷漆室空调系统提供稳定的温度、湿度和风速，本文就汽车涂装空调系统进行分析与探讨，分析如何实现对汽车涂装空调系统风机工作状态的合理监控。

1 背景

涂装车间的工艺布置一般采用多层立体化、区域化、洁净化布局。喷漆系统一般由喷漆室系统、空调系统、漆雾捕集系统、VOC(Volatile Organic Compounds)废气处理系统四部分组成。喷漆室系统给人工喷漆及机器人提供作业平台；空调系统对环境空气的温度、湿度、流速等参数进行调节和控制，使目标环境的空气参数达到一定要求，供给温湿度及洁净度满足要求的空气；漆雾捕集系统收集处理过喷漆雾；VOC废气处理系统由废气混风箱、新风消音器、过滤单元、VOC浓缩转轮、洁净风机、脱附风机、RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)燃烧蓄热装置、换热装置及风管等组成，处理废气，满足环保要求。

吉利汽车有限公司钱塘基地涂装车间空调系统主要分三部分：喷漆室空调、工位空调和厂房空调。工位空调是给线上员工作业供风，因为涂装车间是个密闭车间，环境质量欠佳，会存在大量有害气体及粉尘，影响工作人员健康[2]，所以需要补充新鲜空气，满足员工的作业状态。厂房空调主要是给车间整体进行温湿度调节，夏天降温，冬天升温。喷漆室空调是给喷漆室供送排风，因为车辆喷涂新颜色，需要合适的温度和湿度，所以喷漆室为车身喷漆提供一个满足温度、湿度等工艺参数的封闭室体，喷漆室的结构简图，如图1所示。

图1 喷漆室的结构简图

车身涂胶、喷漆多采用机器人作业，车间内部的车身输送全自动化，车间总输送距离长。为满足车身涂装多样化生产，减少能源浪费，厂房设计上采用密封、隔热、减震、降噪、全空调供风方式。喷漆室风平衡的调节方法要满足以下几点要求：1)调整喷漆室送风空调的频率保证总风量满足要求；2)调节动压室进风口的调节阀保证各个功能段的风量满足要求，并且保证各功能段送风平衡，不串风；3)调节排风管路上的调节阀使送、排风量匹配，风向满足要求(正压：送风>排风，负压：送风<排风)；4)工作区风速的测定应在工作区内每平方米测定一个数值，直至调试各点风速基本均匀并符合工艺要求。以上调节需要风机的配合，必须保证风机的正常运转。而在整个空调系统工作过程中，为保障生产中人员安全，空调室体门上装有安全限位开关，在生产期间开门会导致设备停机，这就导致工作人员无法直接通过视觉和听觉来判断安装于室体内部风机的实时运行状态，存在不确定风险。

喷漆室空调如果损坏不能正常工作，直接导致车辆喷涂无法进行，损失较大，例如风机故障，若风机出现振动会引起与之相连的负载部分不同心度增高，形成电机负载增大，电机出现超负荷运行，容易导致高温造成烧毁机器的后果。风机维修复杂，耗时较长，故障维修会造成长时间设备停机，影响生产效率。

2 改善目标

空调系统中，风机温升、噪音和异味是运行异常出现严重故障的前兆，因此空调系统风机在安装过程中，风机连接管道都需要采取独立的管架，不得使用风机本体支撑管道。安装时，需要使用柔性连接将风机与管道隔开，以免振动传播，处理热风的风机需要在出入口安装膨胀接头，防止热增长引起的过度负荷。风机为空调设备的关键部件，将直接影响生产的交付工作，因此，工作人员应实时掌握风机运行情况，必须随时发现异常并查明原因给予排除。针对空调室是一个密封的工作环境，本文设想采取在空调室内部安装感应器，检测内部情况，反馈到外部设备，外部设备可实时监控空调室内风机运行状态，工作人员实现目视化监控风机工作状况，具体设想网络架构示意图，如图2所示。整个架构包含传感器、现场模块、PLC(Programmable Logic Controller)控制系统、触摸屏、上位机，共同实现对风机的信息采集和监控。

图2 网络架构示意图

通过传感器检测风机运行工况，进行数据采集，现场模块进行分析计算，输送给PLC控制系统，由PLC控制系统进行计算和分析，进而提前预判设备异常状态，通过上位机和触摸屏展示给工作人员，便于工作人员实时监控风机等设备运行情况，减少故障维修次数和时长。利用现有网络架构，进行设备改造，实现以下目标：1)增加相应传感器，对涂装关键设备进行温度、振动等数据采集、监控；2)工作站及触摸屏记录数据趋势，便于后续查询；3)异常状态提前预警，及时进行预防性维修。

涂装车间的喷漆室送排风系统对连续生产的影响至关重要，如果风机出现故障，导致送风质量或风速达不到要求，就会使得漆膜出现流挂、混色等问题[3]，因此做到对风机的实时监控，在减少故障的同时也能提高喷漆的合格率。

3 采取措施

汽车涂装车间因喷漆要求，需要对温度、湿度、风速状态进行控制，因此空调系统是涂装的关键部分，随着低碳节能环保政策的提出，对于涂装车间空调系统工作要求越来越高[4]，结合网络架构示意图，在不影响原空调系统有效工作前提下，进行空调风机监控设置。考虑采取如下措施。

3.1 传感器和PLC控制系统模块分析

分析传感器和模块的工作原理，查阅相应传感器和PLC控制系统模块资料，了解接线方式，选用传感器的模拟量输出信号。

3.2 安装振动传感器

为了避免风机振动过大，出现故障，在风机底座上选取合适位置，安装振动传感器，用于实时采集风机振动状态数据，便于PLC控制系统监测风机振动状态。

3.3 传感器与模块建立通讯

根据模块的数据采集原理图，将传感器与模块建立通讯，接口图如图3所示。

图3 传感器与模块通讯接口

3.4 系统硬件组态

选取西门子模块，根据西门子模块的型号，在博图软件中进行硬件组态，并下载到PLC中，至此阶段，硬件系统组建工作已经全部完成，如图4所示。

图4 硬件系统组建

3.5 提取振动数据

编写专用提取振动值程序，将提取到的数值由整型变量转换为实数型变量，并利用模拟量缩放功能块，将数值等比例转换，根据监控的数值，设定报警程序，在风机设定频率下，振动值超过设定值，并持续1 s就触发报警；同时在上位机服务器记录报警文本。

3.6 增加数据记录趋势

在中控室上位机和现场设备触摸屏上增加趋势记录并存储，用于历史数据分析。

3.7 添加数据实时显示窗口

将提取出的振动数据实时显示，直观明了，并同步扩展将设备电流、启动设备技术状态的好坏等关键参数实时显示，电机烧毁，大多数原因是启动设备工作不正常造成的。

4 总结

通过以上数据化实时动态显示，既降低工作人员进行巡检过程中的劳动强度，也减少抢修设备故障频次，可以提前预测故障，避免了突发状况造成的维修周期长，有效缩短故障维修周期，提高生产效率。通常情况下每台风机故障维修时长约5 h左右，若整个公司装配10台风机安装在室体内，平均每年损坏约4台风机。以此计算，每年可以节省处理异常时间20 h，每次因风机故障导致的停线损失约4 000 元·h-1，每年至少可以节约能源费用80 000元。由此可见，通过增加相应传感器，对涂装空调系统关键设备进行数据采集、监控，同时做到异常状态提前预警，避免了突发状况造成的长维修周期，缩短故障维修周期，提高生产效率，节约生产成本。