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一.高速旋杯自动静电喷涂机（ESTA）系统应用现状

近十五年，中国汽车工业迅速发展，自1992年汽车产量突破一百万辆之后，一直保持着较高的增长速度，并重点发展轿车生产，大规模引进国际先进技术，兴建了包括上海大众在内的一批现代化轿车生产基地。2005年轿车产量达到295.8万辆。中国汽车工业中以涂装技术为主的表面工程技术已接近或达到当前国际先进水平。需特别指出的是，中涂和面漆的涂装是车身涂装中为重要的环节，它将直接影响汽车的装饰性、耐候性和外观，其涂料品种和涂装技术也是汽车涂装工艺中发展快的，历来受汽车厂家的重视。中涂和面漆涂装普遍采用高速旋杯自动静电喷涂机（ESTA），以提高漆膜外观质量和油漆利用率。自1994年上海大众引进第一条采用高速旋杯自动静电喷涂机生产线以来，目前一汽大众、上海通用、东风神龙、广州本田、北京现代等公司都采用了高速旋杯自动静电喷涂机，据不完全统计，目前共有60多套高速旋杯自动静电喷涂机服役于汽车涂装线。

目前国内轿车涂装线高速旋杯式自动静电喷涂机成套设备技术主要由DUERR、ABB、SAMES、ESSENMANN、大气社等国际设备提供商提供。从1994年国内从美国ABB引进第一套高速旋杯式自动静电喷涂机使用至今也已12年，系统采用的是80年代末技术，特别是系统监控用硬件及软件，随着电气设备的老化，无论从使用寿命、维修费用、备件供应等方面都对使用厂家无疑是新的挑战。今后一段时期内，国内较早引进ESTA生产线的厂家都将面临这些问题。如采用全新投入，一方面投资费用高，另一方面更新改造周期长，都是不能接受的。因此，我们采用西门子SIMATIC先进的控制技术,对静电喷涂机的控制系统、网络系统和人机界面监控系统进行更新改造。这样投入少、工期短，。

二.高速旋杯自动静电喷涂机控制系统原理与网络结构

高速旋杯式自动静电喷涂机，其工作原理是将油漆通过在高速(高每分钟6万转)下转动的旋杯，使其得到充分的雾化，并在高压(直流10万伏)静电场的作用下，使带电荷的油漆微粒被均匀地吸附到工件表面，形成光亮、平滑牢固的漆面。高速旋杯式自动静电喷涂机主要包括：自动喷涂设备中的核心部件高速旋杯雾化单元、高压单元、换色单元、成形空气单元、仿型运动单元、流量单元、保护单元及其相应的自动控制与管理单元。我们以西门子PLC为基础的控制系统，根据静电喷涂原理，有机地控制各个单元动作，形成自动的静电喷涂工艺过程。

ESTA的网络系统一般可分为2层，即设备控制层和监控管理层。以下两种实现方案：

1、设备控制层--现场总线

设备控制层由主控制PLC（如西门子S5、S7系列）、操作控制台、所有控制单元（如雾化、高压、换色、成形空气、仿型运动、流量）及其现场执行器件、传感器件（如电磁阀、气动单元、光电传感器、流量计等）组成，并通过现场总线Profibus使之组成有机的设备控制层。所有分布式I/O产品都按一定的控制范围安装于分布式I/O控制箱内，尽可能减少硬件布线及故障点，提高整个系统的稳定性，同时也方便了今后系统的维护。

2、监控管理层现--工业以太网

监控管理层采用工业以太网的方式实现，连接着主控制PLC与上层HMI设备，编程设备以及相关设备。工业以太网卡在PLC上为CP1430接口模板, HMI设备上为CP1613接口模板。WinCC工业组态软件通过工业以太网与主控PLC交换数据。工业以太网在自动化行业中的应用是工厂自动化技术与IT技术、互连Internet技术结合的产物，成为未来可能的制造业电子商务技术、网络制造技术雏形。本方案中采用工业以太网充分考虑到了其具有的协议通用性、数据传输速率高等特点以及开发应用程序周期短优点。采用工业以太网方式实现的监控管理层主要由主控制PLC、HMI及其编程设备组成，通过TCP/IP方式实现与监控计算机进行数据交换。同时可更方便地向上组成工厂生产控制系统（FIS），顺应了当前汽车行业订单制造的发展趋势。

三.ESTA监控系统的自主开发与应用

各家设备供应商为了各自的专利技术与技术保密，监控系统都采用各自开发的人机界面软件或SCADA系统。如早期的ABB直接用C语言开发DOS环境下的界面软件，DUERR的ECO RC2 (Keba)系统。本文作者通过现场使用，结合在轿车涂装行业应用的特殊性，应用目前较流行的人机界面组态软件自主开发，如：InTouch、WinCC、组态王等，实现HMI监控功能。本次就采用了西门子WinCC工业组态软件，根据我们对ESTA生产线的工艺和设备多年使用经验和理解，成功开发了ESTA监控系统，并顺利地投入在生产中使用，至今一直稳定运行。同时通过项目开发，我们厂家也拥有了有关ESTA方面自主知识产权。

1.监控系统的硬件及软件配置

系统硬件主要由西门子面板式IPC PC 670（500 MHz Inbbb Pentium CPU、15"TFT显示器、薄膜键盘、集成鼠标）、PLC（S5-155U 948）和工业现场总线Profibus（CP1430、CP1613、IM308/318）三大部分组成。

系统软件主要由操作系统Microsoft bbbbbbs 2000 Professional、SIMATIC WinCC V 5.1工业组态软件、Step 5编程软件及COM5431通讯设置软件组成。

1  引言
        烟草工业生产中，烟丝的配比工艺段是关键的工艺环节之一。烟丝配比是指按生产中叶丝的流量为基数，将梗丝、膨胀烟丝、薄片烟丝以及残丝中的几种按各自的设定比例和叶丝进行实时均匀的掺配。配比型电子皮带秤是完成此项工艺段加工过程的核心设备，而影响其精度的关键因素之一就是称重信号的采集精度及稳定性，它将直接关系到烟丝配比的质量，从而也在很大程度上决定着后续烟支成品的内在吸味质量的稳定性和均衡性。

2  配比型电子皮带秤的工作原理
        电子皮带秤按其工作用途分类，一般分为计量型、控制型、配比型三种类型。
        计量型—计量物料的瞬时流量及累计重量；控制型—均衡地控制物料重量，使物料按设定流量通过；配比型 —实现叶丝、梗丝、薄片丝、残丝等的设定配比；配比型电子皮带秤称重系统由多台称量装置组成并集中控制，集称量、配比于一体，具有交互式多任务、多参数计量功能，能够对通过该配比系统的多种烟丝进行动态累计称量、流量控制，并按一定比例进行掺配。
2.1 电子皮带秤工作原理
        各种烟丝通过限量管(或直接下落)到称量装置的皮带上，随皮带向前运转，当其通过称量装置有效称量段时，其重量通过输送机皮带和计量托辊加到荷重传感器上，传感器感受负荷产生的信号直接送入称重模块siwarex u中，经称重模块siwar -ex u采集并转换的数据直接经s7系统总线送入plc数据采集系统，检测称量段上的单位长度重量q(kg/m)，同时测速装置检测出皮带运行速度v(m/s)，经过plc运算得出瞬时流量和累积量并进行显示。
        瞬时流量为：q=3600×q×v(kg/h)
        累积量为：g=∫q×v×d t(kg)
        其中：q=w×h×p s
        w—秤体上物料宽度(m)，与限量管宽度有关。
        h—秤体上物料厚度(m)，与限量管开口高度有关。
         p s—物料比重(kg/m3)
            v—带速(m/s)
2.2 电子皮带秤配比工作原理
        配比型电子皮带秤控制系统以通过主称量装置的物料瞬时流量为基准，与掺配称量装置相对应的设定掺配比例运算后，作为该掺配装置的设定流量，同时将测得的通过该掺配装置的瞬时流量与设定流量信号进行比较，利用plc进行pid控制运算，输出调速信号调节电机的转速，从而改变皮带速度，以达到自动调整掺配流量的目的。

3  西门子模块配比称重系统
3.1 电子皮带秤控制系统组成
        配比型电子皮带秤主控柜部件采用基于德国西门子公司西门子称重模块(siwarex u) 的s7-300系列plc技术平台，其电控系统功能如图1所示。

    s7-300 plc由cpu317-2pn/dp、高速计数模块fm350-2、称重模块siwarex u、数字量输入输出模块和电源模块组成。cpu317-2pn/dp主要用于主过程控制及profinet通讯。包含数字量输入点和数字量输出点、模拟量输入和模拟量输出回路，其中数字输入点和数字输出点承担着整个电子皮带秤的数字量输入和输出控制以及提供与外部联机时所需的输入和输出信号；模拟量输入用于4-20ma流量外设定采样；模拟量输出用于变频器控制及瞬时流量4-20ma输出。称重传感器的重量信号由siwarex u采样，速度编码器的编码脉冲信号送入plc的高速计数器。电子皮带秤根据来自重量传感器的重量信号、来自速度编码器的速度信号及该秤的设置信号和已编制的软件程序，进行称重、流量控制、配比、通讯并送出速度控制信号，该信号送到变频调速器从而控制电机转速，带动电子皮带秤工作。控制型电子皮带秤控制单元及siwarex u电子称重模块集成实物如图2所示。

3.2 控制系统特点
        (1) 简化了荷重信号放大电路。荷重信号采集采用西门子的电子称重模块siwarex u，使来自荷重传感器的信号连线直接接入称重模块siwarex u中，减少了使用信号放大器的传统中间放大环节，使荷重信号传输的准确度更高，采样的频率更快，这就可以保证电子皮带秤的累积精度。
        西门子称重模块(siwarex u)具有对传感器桥路输出信号的电源补偿，且传输距离远，能达到1000米，精度高，设计为0.05%，65000分区分辨率，控制测量次数达到50次/秒，更有数字滤波、断线监视等功能，使其更加稳定、可靠，计量精度的稳定性在较长的时间内可以得到较大限度的保证，从而大大延长了电子皮带秤的维护和标定周期。另外，siwarex u是一个集信号放大、16位a/d转换为一体的专用称重模块，它与西门子plc的连接直接由背板总线来完成，大大地简化了荷重信号放大电路，这一系列的优势使得电子皮带秤的精度可靠性得到了更大意义上的提升，应用水平又上了一个新的台阶。
        (2) 计量累计误差自动追加功能。根据配比型电子皮带秤的掺配原理，瞬时掺配精度应该能够得到保证，但是掺配后的烟丝累计量总体累计精度随着时间的推移可能会因瞬时流量的误差、烟丝来料不稳定等各种因素超出设定比例的允许范围，因此我们设计了计量累计误差自动追加程序。原理是：当累计误差超过允许范围较大时在原设定比例的基础上增加较大的修正值修订设定比例，使其快速回到正常的累计误差范围；当累计误差超过允许范围较小时在原设定比例的基础上增加较小的修正值修订设定比例，使其缓慢回到正常的累计误差范围。
3.3 西门子称重模块应用经验
        虽然西门子称重模块siwarex u具有对传感器桥路输出信号的电源补偿，且传输距离远，能达到1000米，但是在通常使用时应尽量缩短荷重传感器与称重模块siwarex u的距离，从而尽可能地避免强干扰信号的介入。如果传输距离超过300米，尽量选择西门子订货号为7mh4702-8ag的原装传感器电缆。

4  结束语
        使用电子称重模块siwarex u后，荷重信号的稳定性有了明显的提高。为使整个电子皮带秤的系统精度及稳定性会达到一个状态，我们在具体使用过程中，还应注意影响荷重信号稳定性的其他因素，如：秤体上的轴承润滑是否良好，皮带是否干净，秤体边缘与皮带之间是否有异物等等。同时这种集成化的称重方式，非常值得在行业内进行推广。