西门子工厂自动化技术在汽车油漆车间中央控制系统中的应用

荣获“2006年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选 　一等奖
	专家点评：
	本应用案例为西门子工业自动化技术在汽车油漆车间深装过程监控系统中的应用。论文叙述了该项目的背景、要求、设计思想、系统构式、系统框图、功能说明等，并对结果进行分析。该项目实用性强，在国内处于先进水平，且具定的创新性。 该项目叙述清楚全面。语言流畅、层次清晰。结构较严谨。 点评人：黄文明

摘要：汽车油漆车间中央控制系统，担负着监控车间所有涂装工艺设备系统和输送设备系统的任务。它监控涂装过程中的重要生产工艺参数和生产设备的运行，以满足工艺质量和保证正常生产节拍的要求。本文采用了西门子公司的PLC技术、Profibus现场工业总线技术和WinCC工业组态软件SCADA技术，来构建该中央控制系统。本文将从系统概述及分析、系统网络构成、系统信息处理、系统中几个特殊问题处理等四方面详细论述该系统。本项目在2001年由我们承建，在2002年初投入运行。经过半年多的运行，实践证明，该系统达到原设计功能，安全可靠，能确保设备连续、可靠运行，满足高效、有序地组织大批量生产的要求。 关键字：中央控制系统 PLC技术现场工业总线 SCADA技术 一.系统概述及分析 上海大众汽车二厂油漆车间年产量为180,000台，日产量为 600台，生产节拍为 1.5分/台，车间输送链长度是 8029米，生产面积是 23,549平方米。 中央控制系统的组成 油漆车间中控室中央控制系统的控制对象，主要由两大部分组成：油漆工艺控制系统和输送控制系统。中央控制系统主要负责监控这两个系统的运行状态，协调这两个系统内各设备动作和这两个系统的之间各设备动作。油漆工艺和输送系统时刻要按照中央控制系统发出的指令所指示的工作方式运动，同时中央控制系统要时刻监视油漆工艺和输送系统的当前运动状态，按照预期制定的目标及时地进行调整和控制，以达到在中央控制系统的控制作用下，使油漆车间生产汽车涂装产品质量得到充分保证，使生产按照预定的生产节拍进行，使整个车间维持一种正常的生产运行。 a)油漆工艺控制系统 油漆工艺控制系统主要是围绕汽车涂装生产中各部分工艺过程，对其设备按照相应工艺要求进行控制和检测。油漆工艺车间汽车涂装工艺过程主要有预处理、电泳、密封、底漆和面漆等。油漆工艺控制系统要根据每一项工艺过程的具体工艺要求，通过控制装置PLC控制相应工艺设备和环境设备，例如：预处理和电泳工艺过程中的各种浸槽和喷淋设备，密封、底漆和面漆工艺过程中的喷胶或喷漆房设备和烘房设备，及各个工艺过程中控制温度、湿度、压力和风速的环境设备。油漆工艺控制系统主要目的是使各个工艺设备和环境设备按照工艺要求正常运行，以保证汽车涂装质量。 b)输送控制系统 输送控制系统主要控制油漆车间的输送链和升降运输系统。它贯穿着油漆车间的汽车涂装生产的全过程，即在输送链和升降机的输送作用下，使轿车白车身以一定的节拍，按照涂装工艺顺序，依次通过汽车涂装各个工艺设备和环境设备，完成相应涂装加工工艺。输送控制系统要通过控制装置PLC，控制分布在整个油漆车间的各段输送链和升降机运行。输送控制系统一方面要完成轿车白车输送、转挂和储存任务，另一方面还要按汽车涂装各部分工艺要求，对输送的车身还必须要在程序的控制下，实现升降、变节距、变速、摆动和倾斜等动作，从而保证油漆车间连续自动化生产。 系统控制装置PLC的分布全车间的油漆工艺和输送设备是由9台西门子公司 PLC控制的。在油漆工艺控制方面，按照工艺过程各PLC的具体的控制分工为：

在输送控制方面，按照区域划分，各PLC的具体的控制分工为：

中央控制系统的作用 油漆车间中控室中央控制系统通过工业计算机网络技术-现场工业总线 Profibus，把控制油漆工艺控制系统和输送控制系统的9台西门子公司 PLC连接起来，把原来车间里分散的单元控制，变成相互有机联系的统一的整体控制系统。同时，系统利用计算机控制和信息处理技术，实现系统对油漆车间的生产管理、工艺过程和设备运行的自动控制和监视，使油漆车间的汽车涂装生产始终处于正常状态。 二.系统网络的构成 由于中控室中央控制系统面对整个油漆生产车间，控制着各种生产设备的运行，它必须要做到实时采集全车间各个生产环节的信息，同时对其发出的控制指令要准确无误地送到全车间各个生产环节的设备上，并能监测执行情况。为了保障这些控制信息和检测信息畅通和准确的传递，中控室中央控制系统按照其功能构成了二个层次的网络。 上层信息管理网络 以中控室的工控机为主，还包括主PLC（E21），Duerr的PLC和信息交换中心S5-155U，共同构成上层信息管理网络，也是中控室中央控制系统对油漆车间的中心信息管理部分。这里主PLC（E21）同时还连接着油漆工艺控制系统和输送控制系统的PLC，所以主PLC（E21）起着上层信息管理网络和底层设备控制网络之间传递信息的作用。上层信息管理网络的硬件构成是建立在西门子公司的现场工业总线 Profibus网络基础上的，在每个网络站点分别插入 Profibus网卡：工控机上插入CP5613网卡，其他PLC上插入CP5431网卡。上层信息管理网络的结构图如图1。

图1上层信息管理网络的结构图

该网络的通讯协议是采用第二层数据链(Data Link)，也就现场工业总线数据链FDL(Field Bus Data Link)。在该层次网络上，由于工控机上运行的的WinCC组态软件采取主动方式，需分别与其它站点通讯，所以WinCC组态软件与其它站点通过各自的逻辑接口点（SAP）建立相互的通讯链路层。上层信息管理网络的网络参数是通过COM5431软件配置的。 底层设备控制网络 在主PLC(E21)的框架上共插有两块通讯网卡，一块为CP5431，连接到上层信息管理网络，使主PLC(E21)构成为上层信息管理网络一部分；而另一块为CP5430，连接到底层设备控制网络，又使主PLC(E21)构成为底层设备控制网络一部分。所以主PLC(E21)起到了连接上层和底层网络的网关作用。底层设备控制网络主要作用是控制整个油漆车间的各个汽车涂装工艺流程的具体过程和各个输送链的相应运动，其途径就通过现场工业总线 Profibus网络，使油漆工艺控制系统的6台PLC和输送控制系的3台PLC，按照上层信息管理网络发出的控制指令，各自控制相应设备动作。同时，每台PLC一方面通过网络把自己的状态信息发送到相关的PLC上，一方面通过网络接受到其它PLC的状态信息，以决定下一步动作。这样由9台PLC控制的各种设备动作可以做到相互配合、相互联系和相互谐调，保证整个油漆车间能够连续正常生产。底层设备控制网络的结构图详见图2。

图2底层设备控制网络的结构图

该网络的通讯协议是并行采用两种，一种仍为现场工业总线数据链FDL方式，另一种为现场工业总线全局数据 (Globe Data)。 a)其它站点与主PLC(E21)的通讯，采用的是FDL方式。为此，主PLC(E21)分别与其它站点建立链路层。 b)底层设备控制网络中PLC之间的数据通讯，采用全局数据方式，既PLC之间交换数据通过对所定义的全局数据进行读写操作来完成。全局数据设置是通过COM5431软件。 三.系统的信息处理 在中控室里的工控机上运行着西门子公司的工业组态软件-WinCC。她主要任务是进行油漆车间中控室中央控制系统的信息处理工作。它要实时采集全车间各个工艺设备的状态信息，按照汽车涂装生产工艺要求，实时地对状态信息进行分析、归纳和综合，根据需要及时地对相应工艺设备发出控制指令，以控制和调整相应工艺设备的工作状态。在这里WinCC工业组态软件经过对系统的信息处理，可以有序地、安全地、可靠地和合理地控制着油漆车间汽车涂装生产的全过程。所以，WinCC工业组态软件是中控室中央控制系统的核心部分。 系统通过WinCC的信息处理，以图文并茂的人机界面形式，显示系统对各个工艺设备的控制过程，显示各个工艺设备的运行状态和各种生产、工艺信息，以及人为参与控制、调整有关生产和工艺参数的操作内容。其主要内容可大致分为以下几个方面： 汽车涂装生产工艺过程监控 根据汽车涂装生产工艺过程特点和工艺设备在车间的实际布局，比较形象地设计了一幅油漆工艺控制系统的主图(详见图3 )及每个工艺过程的子图（参见图4），其监控主要内容和对象按工艺过程被分类为如下：

图3油漆系统主画面

图4面漆烘房系统

a)预处理系统和电泳系统 (1)各种浸槽、水槽和备用槽的温度高低和液位高低； (2)喷淋泵、输入泵、