Dieser Artikel beschreibt die Zusammensetzung und Arbeitsweise des Beijing-Decklackierroboters in einer automatisierten Lackieranlage mit gemischtem Materialfluss. Das Design des Mitsubishi FX2NPLC-Steuerungsprogramms wird detailliert erläutert, und die Bedienung der Steuerungseinrichtung mit Mitsubishi FX2NPLC wird beschrieben. Auch die Verwendung des grafischen Benutzerterminals F930 in diesem Steuerungssystem zur Überwachung der automatisierten Produktionslinie wird vorgestellt. Der praktische Einsatz zeigt, dass Design, Entwicklung und Anwendung des Decklackierroboter-Steuerungssystems erfolgreich waren und die Produktionseffizienz steigern. 1 Einleitung Die automatisierte Lackieranlage im Karosseriewerk der Dongfeng Motor Co., Ltd. ist eine automatisierte Lackieranlage mit gemischtem Materialfluss für die Decklackierung von Fahrerhäusern. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Decklackierroboter, einem Beijing-Seitenlackierroboter, einem japanischen Seitenlackierroboter, einem zentralen Steuerungssystem, einem Fahrzeugbilderkennungssystem und einem automatischen Farbwechselsystem. Die Gesamtstruktur der automatischen Lackieranlage ist in Abbildung 1 dargestellt. Diese Anlage lackiert die Oberseite sowie die linke und rechte Außenseite des Fahrerhauses verschiedener Dongfeng-Lkw, darunter Lang- und Flachhauben-Lkw. Zwei Beijing-Dachlackierroboter (Dachlackierroboter Nr. 1 und Nr. 2 in Abbildung 1, horizontal arbeitende Roboter) tragen die erste und zweite Lackschicht auf das Fahrerhausdach auf. Sie sind wichtige Komponenten der Lackieranlage, deren Leistung die Lackqualität des Fahrerhauses direkt beeinflusst. [align=center] Abbildung 1 Gesamtstruktur[/align] Mit der zunehmenden Produktionsausweitung der Dongfeng Motor Corporation und der steigenden Vielfalt an Fahrerhausvarianten stoßen die Hardwarekonfiguration und die Steuerungsleistung des ursprünglichen Beijing-Dachlackierroboter-Steuerungssystems an ihre Grenzen und genügen nicht mehr den aktuellen Produktionsanforderungen. Dies zeigt sich hauptsächlich in folgenden Aspekten: (1) Das Steuerungssystem des Oberflächensprühroboters verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) vom Typ Panasonic FP-C40SPS mit lediglich 24 Eingängen und 16 Ausgängen. Mit zunehmenden Steuerungsfunktionen genügen die Ein-/Ausgänge nicht mehr den Anforderungen. (2) Nach jahrelangem Betrieb haben die Komponenten des Steuerungssystems an Leistung eingebüßt und sind ausfallgefährdet. (3) Durch die erhöhte Anzahl an Steuerungskomponenten ist der Platz im ursprünglichen Schaltschrank begrenzt, die Verkabelung unübersichtlich und die Wartung erschwert. (4) Lediglich die LED-Digitalanzeige zeigt das Fahrzeugmodell an; weitere Informationen können nicht dargestellt werden, was die Überwachung und Steuerung für die Bediener erschwert. Aus diesen Gründen wurde das Steuerungssystem des Oberflächensprühroboters von Beijing (im Folgenden: Oberflächensprühmaschine) komplett neu entwickelt. 2. Überblick über die Gesamtstruktur und den Arbeitsablauf der Top-Spritzmaschine Die Top-Spritzmaschine aus Peking besteht im Wesentlichen aus einem elektrischen Schaltschrank, einem Top-Spritzmanipulator, einem Querträger und einem pneumatischen Schaltschrank. Der elektrische Schaltschrank steuert die Funktionen der Anlage. Manipulator und Querträger fungieren als Aktuatoren. Während des Lackiervorgangs ermöglicht der Manipulator die horizontale Hin- und Herbewegung der Spritzpistole, während der Querträger die Auf- und Abwärtsbewegung des Manipulators ermöglicht. Dadurch können Kabinen unterschiedlicher Höhe lackiert werden. Der pneumatische Schaltschrank ist eine Hilfseinrichtung der Anlage und besteht hauptsächlich aus Magnetventilen, Druckregelventilen und pneumatischen Dreifachpumpen. Er dient als Hilfsmechanismus für den Anlagenbetrieb und steuert die Spritzpistole während des Betriebs. Die Top-Spritzmaschine verfügt über drei Betriebsmodi: Linienbetrieb, Automatikbetrieb und manueller Betrieb. Ihr Arbeitsprozess gliedert sich in drei Phasen: Anfahren, Betrieb und Wartezeit. Im Automatikbetrieb gibt der Benutzer das Fahrzeugmodell per Knopfdruck ein. Die SPS ruft daraufhin automatisch das entsprechende Lackierprogramm auf. Sobald die Fahrerkabine, die sich an der Bodenkette bewegt, den Startschalter berührt, startet die Anlage und beginnt eine Verzögerung. Gleichzeitig läuft der Querträgermotor an, und der Manipulator fährt vertikal in die gewünschte Position und stoppt dort. Nach Ablauf der Verzögerungszeit startet der Hubmotor und treibt die Spritzpistole horizontal an. Parallel dazu steuert die SPS das Öffnen und Schließen der Spritzpistole, um die Fahrerkabine zu lackieren. Währenddessen wird die Anzahl der Hubbewegungen der Spritzpistole gezählt. Sobald ein voreingestellter Wert erreicht ist, ist der Lackiervorgang abgeschlossen. Die Spritzpistole stoppt, und die Anlage wechselt in den Wartezustand, um das nächste Fahrzeug zu lackieren. Im Online-Betriebsmodus übermittelt der zentrale Steuerrechner das Fahrzeugmodell in Echtzeit an die Lackieranlage in Peking. Manuelle Eingriffe sind nicht erforderlich, und relevante Informationen während des Betriebs werden auf dem Bildschirm des zentralen Steuerrechners angezeigt. 3. Neues Steuerungssystemkonzept und Gesamtkonzept: Basierend auf den technischen Anforderungen, dem Arbeitsprozess und den Steuerungsprinzipien der Pekinger Oberflächenspritzanlage sowie unter Berücksichtigung von Faktoren wie Bedienbarkeit, Wartungsfreundlichkeit, Zuverlässigkeit und Integration mit Peripheriegeräten wurde beschlossen, eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) als Steuerzentrale des Steuerungssystems einzusetzen. Ein Frequenzumrichter steuert den Hub- und den Balkenmotor, um die horizontale Hubbewegung der Spritzpistole und die vertikale Bewegung des Balkens zu realisieren. Hall-Effekt-Näherungsschalter und Drehgeber dienen der Positionsrückmeldung. Geeignete Steuerungs- und Anzeigemethoden bilden das Gesamtkonzept des Steuerungssystems. Die Oberflächenspritzanlage ist Teil einer robotergestützten, automatischen Lackieranlage und eng mit dem Gesamtsteuerungssystem der Produktionslinie, dem automatischen Farbwechselsystem sowie weiteren Peripheriegeräten und Signalen verbunden. Aufgrund der Gegebenheiten vor Ort wurde beschlossen, die Datenübertragung zwischen dem zentralen Steuerungsrechner und den E/A-Ports der Farbwechselanlage über die serielle RS232/422-Schnittstelle zu realisieren, um den reibungslosen Betrieb der gesamten automatischen Lackieranlage zu gewährleisten. Ausgehend von den technischen Anforderungen und dem Gesamtkonzept sowie nach einem Vergleich verschiedener SPS-Steuerungen fiel die Wahl für das Steuerungssystem der oberen Lackieranlage auf die speicherprogrammierbare Steuerung Mitsubishi FX2N-128MR. Diese SPS verfügt über 64 Transistoreingänge und 64 Relaisausgänge, insgesamt also 128 E/A-Punkte. Sie zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, einen umfangreichen Befehlssatz, starke Kommunikationsfähigkeit, hohe Echtzeitfähigkeit, einfache Erweiterbarkeit und komfortable Bedienung aus. Zudem unterstützt sie die Kommunikationsprotokolle RS232/422 und Vollduplex-Kommunikation. Ein Mitsubishi FR-E520S-1.5K-CH Frequenzumrichter (Japan) steuert den Hubmotor und den Querträgermotor zeitversetzt mit unterschiedlichen Frequenzen, um die horizontale Hubbewegung der Spritzpistole und die vertikale Bewegung des Querträgers zu realisieren. (Beim Anlauf wird der Niedrigdrehzahl-Ausgang des Frequenzumrichters aktiviert, wodurch gleichzeitig der Querträgermotor angesteuert wird und der Querträger mit niedriger Drehzahl läuft. Im Betrieb wird der Hochdrehzahl-Ausgang des Frequenzumrichters aktiviert, wodurch gleichzeitig der Hubmotor angesteuert wird und die Spritzpistole sich horizontal mit hoher Geschwindigkeit bewegt.) Die Positionsrückmeldung erfolgt mittels Hall-Effekt-Näherungsschaltern und Drehgebern zur Echtzeit-Überwachung des Ein-/Aus-Zustands der Spritzpistole. Das MOXA-A50 RS232/422 Kommunikationsmodul von MOXA stellt die Kommunikation zwischen dem zentralen Steuerrechner und dem Steuerungssystem der Spritzanlage her. Die I/O-Schalter kommunizieren mit der SPS des Farbwechselsystems. Es wird ein Mitsubishi F930GOT-BWD-C Grafik-Bedienterminal verwendet. Dieses Gerät verfügt über ein hintergrundbeleuchtetes LCD-Display, das chinesische Schriftzeichen anzeigen, SPS-Komponenten überwachen, SPS-Daten ändern und benutzerdefinierte Bildschirme erstellen kann. Es erfüllt alle Anforderungen an die Anzeige von Systeminformationen und Betriebsstatus sowie an die Online-Einstellung und -Änderung von Sprühparametern. Die Struktur des Steuerungssystems der Sprühanlage ist in Abbildung 2 dargestellt. [align=center] Abbildung 2 Gesamtdiagramm des Steuerungssystems der Sprühanlage[/align] 4 Entwurf des SPS-Steuerungsprogramms der Sprühanlage 4.1 Hauptprogramm der SPS-Steuerung der Sprühanlage Die Sprühanlage verwendet eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) FX2N128MR als Steuerungskern. Entsprechend den Anforderungen und dem Funktionsprinzip der Sprühanlage besteht das SPS-Programm hauptsächlich aus der Verarbeitung der Fahrzeugnummerneingabe, der Motorsteuerung, der Verarbeitung der Sprühdaten, der Startprozesssteuerung, der Fehlererkennung und der Signalleuchtenanzeige sowie der Kommunikation mit dem Farbumschaltsystem, dem Hauptsteuerrechner und dem F930 LCD-Touchscreen. Durch die Steuerung von Komponenten wie Hubmotor, Querträgermotor und Spritzpistole wird die Lackierung der oberen Außenfläche verschiedener Kabinentypen durchgeführt. Das Hauptprogrammablaufdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt. [align=center] Abbildung 3: SPS-Hauptprogrammablaufdiagramm der Dachlackieranlage[/align] 4.2 Steuerung der Auf- und Abwärtsbewegung des Querträgers Unterschiedliche Kabinenmodelle weisen unterschiedliche Breiten und Höhen auf, wodurch der Bediener den Querträger zum Lackieren an verschiedenen Positionen in vertikaler Richtung anhalten muss. Die Steuerung des Querträgermotors erfolgt in vier Zuständen: (1) Im eingeschalteten Zustand fährt der Querträger im Automatik- oder Netzbetrieb automatisch nach oben. (2) Im Netz- oder Automatikbetrieb wird der Querträgermotor entsprechend dem eingestellten Wert für die Querträgerposition gesteuert: Befindet sich der Querträger nicht in der oberen Position, dreht sich der Querträgermotor nach vorne, um ihn anzuheben; Wenn der Strahl unten sein soll, sich aber aktuell oben befindet, dreht sich der Strahlmotor rückwärts, um ihn abzusenken. (3) Im manuellen Betrieb wird der Strahlmotor über den Strahlschalter gesteuert: Befindet sich der Strahlschalter oben und der Strahl nicht oben, dreht sich der Strahlmotor vorwärts, um ihn anzuheben; befindet sich der Strahlschalter unten und der Strahl oben, dreht sich der Strahlmotor rückwärts, um ihn abzusenken. (4) Im manuellen Betrieb, wenn sich der Strahlschalter in der Wartungsposition befindet, wird der Strahlmotor durch Betätigung der Hebe- oder Senktaste stufenweise nach oben oder unten bewegt. 4.3 Steuerung der Hubbewegung der Spritzpistole: In der Praxis bezeichnen wir den Codierungswert für die horizontale Bewegung der Spritzpistole als Segment und die Anzahl der Hubbewegungen als Spur. Basierend auf den verschiedenen Schaltpunkten der Spritzpistole während der Hubbewegung werden unterschiedliche Spritzmuster erzeugt. Die Spritzpistolensteuerung muss die Bestimmung des Spritzbildes, das Ein- und Ausschalten der Pistole sowie die Anzahl der Hubbewegungen während des Spritzvorgangs gewährleisten. Das System nutzt Software zur Steuerung der Spritzpistole. Die SPS speichert hierfür alle relevanten Daten aller Spritzpistolen während des Betriebs, einschließlich Anlaufzeit, Anzahl der Hubbewegungen und der Position des Ein-/Ausschaltpunkts bei jedem Hub. Diese Daten werden im Variablenspeicher der SPS abgelegt. Der Bereich für die Spritzdaten befindet sich zwischen D1000 und D2000. D1000 bis D1700 speichern die Spritzdaten für die Fahrzeuge 0 bis 7, während D1800 bis D1899 ein gemeinsamer Datenbereich ist. Die Spritzdatenverarbeitung im Sprühgerät erfolgt im Wesentlichen wie folgt: Vor dem Betrieb werden die kalibrierten Spritzparameter für jedes Fahrzeugmodell in den entsprechenden Spritzdatenbereich eingegeben. Beispielsweise werden die Sprühparameter für Fahrzeug 0 in D1000–D1099, die für Fahrzeug 1 in D1100–D1199 usw. eingegeben. Während des Betriebs werden die Parameter des jeweiligen Lackierdatenbereichs entsprechend der Fahrzeugnummer in den gemeinsamen Datenbereich D1800–D1899 geladen. Ist das aktuelle Fahrzeug Nummer 0, werden die Daten des Lackierdatenbereichs D1000–D1099 für Fahrzeug 0 in den gemeinsamen Datenbereich D1800–D1899 geladen. Ist das aktuelle Fahrzeug Nummer 1, werden die Daten des Lackierdatenbereichs D1100–D1199 für Fahrzeug 1 in den gemeinsamen Datenbereich D1800–D1899 geladen usw. Der Betrieb der Lackieranlage lässt sich im Wesentlichen in drei Phasen unterteilen: Start, Betrieb und Wartezeit. Entsprechend ist die Prozesssteuerung im Wesentlichen in drei Teile gegliedert: Anlaufsteuerung, Steuerung des Sprühvorgangs und Wartezeitsteuerung. 4.3.1 Anlaufsteuerung: Sobald der Fahrwagen mit der Kabine den Startschalter betätigt, startet die Sprühanlage. Die SPS lädt die Lackierparameter der aktuellen Fahrzeugnummer, die auf dem Bedienfeld angezeigt werden, in den gemeinsamen Datenbereich. Der Anlaufverzögerungszähler misst die Verzögerung bis zum Sprühvorgang und prüft gleichzeitig, ob die in den Sprühparametern festgelegte Position des Querträgers mit der tatsächlichen Position übereinstimmt. Stimmt die Sollposition mit der Istposition überein, bewegt sich der Querträger nicht. Andernfalls steuert die SPS den Frequenzumrichter mit niedriger Drehzahl an, um den Querträgermotor vorwärts oder rückwärts zu drehen und so den Querträger nach oben oder unten zu bewegen. Nach Erreichen der Sollposition stoppt der Querträger. 4.3.2 Steuerung der Hubsprühvorrichtung: Sobald der Anlaufverzögerungszähler den voreingestellten Wert erreicht hat, ist der Anlaufvorgang abgeschlossen und die Sprühvorrichtung beginnt mit dem Sprühen. Die SPS steuert den Frequenzumrichter auf hohe Drehzahl an, wodurch der Hubmotor vorwärts rotiert und die Spritzpistole über das Getriebe in Hubbewegung versetzt wird. Gleichzeitig wird ein Hochgeschwindigkeitszähler gestartet, der die vom Encoder an der Hubmotorwelle gesendeten Impulse zählt. Ein Durchgangszähler erfasst die Anzahl der Hubbewegungen der Spritzpistole. Zur Steuerung des Ein-/Aus-Zustands der Spritzpistole vergleicht die SPS den Wert des Hochgeschwindigkeitszählers mit dem Wert beim ersten Einschaltpunkt der Spritzpistole. Stimmen die Werte nicht überein, bleibt der aktuelle Zustand der Spritzpistole unverändert; stimmen sie überein, steuert die SPS die Spritzpistole an und beginnt mit dem Besprühen der Kabine. Gleichzeitig vergleicht das System den Wert des Hochgeschwindigkeitszählers mit dem Wert am ersten Abschaltpunkt der Spritzpistole. Sobald der Zähler diesen Wert erreicht, schaltet sich die Spritzpistole ab. Anschließend wird der Zählerstand mit dem zweiten Einschaltpunkt verglichen, und die Spritzpistole schaltet sich ein, sobald dieser Wert erreicht ist. Dieser Vorgang wiederholt sich und ermöglicht so die automatische Steuerung des Ein-/Ausschaltzustands der Spritzpistole in einem einzigen Zyklus. Dabei werden die Spritzparameter über die indirekte Adressierungsfunktion des Datenregisters geändert. Nach einem vollständigen Zyklus wird ein elektrisches Nullstellungssignal erzeugt. Das System setzt den aktuellen Zählerstand automatisch auf 0 zurück und vergleicht den Zählerstand erneut mit dem Wert am ersten Abschaltpunkt. Gleichzeitig wird der aktuelle Wert des Durchgangszählers um 1 erhöht und mit der Gesamtzahl der Durchgänge verglichen. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Sprühvorgang wiederholt; stimmen sie überein, ist der aktuelle Sprühvorgang abgeschlossen, alle Zähler und der interne Speicher werden auf 0 zurückgesetzt, der Wechselrichterausgang wird abgeschaltet und die Spritzpistole stoppt ihre Bewegung. Das System wechselt in den Wartezustand. 4.3.3 Wartezustandssteuerung: Befindet sich die Sprühanlage im Wartezustand, kann die entsprechende Fahrzeugnummer für das nächste Fahrzeug eingegeben werden, um den Sprühvorgang vorzubereiten. Sobald das Fahrzeug den Startschalter betätigt, wird der Sprühvorgang neu gestartet. Das Ablaufdiagramm der Arbeitsprozesssteuerung des Sprühgeräts ist in Abbildung 4 dargestellt. [align=center] Abbildung 4 Ablaufdiagramm der Arbeitsprozesssteuerung des Sprühgeräts[/align] 4.4 Kommunikationsdesign mit dem zentralen Steuerungssystem Das Sprühgerät kommuniziert über eine serielle RS232/422-Schnittstelle mit dem zentralen Steuerungssystem. RS232 wird auf der Seite des zentralen Steuerungssystems und des Roboters verwendet, RS422 in der Zwischenleitung. Auf beiden Seiten befinden sich RS232/422-Konverter. Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) FX2N unterstützt Vollduplex-Kommunikation. Sie verwendet RS-Befehle für die serielle Datenübertragung und den -empfang. Das Datenübertragungsformat wird über ein spezielles Datenregister, D8120, festgelegt. Basierend auf den Gegebenheiten vor Ort wurde das Kommunikationsformat zwischen dem Sprühgerät und dem zentralen Steuerungssystem wie folgt konfiguriert: Datenlänge: 8 Bit, Parität: keine, Stoppbit: 1 Bit, Übertragungsrate: 2400 bps, Startzeichen: keines, Endzeichen: keines. Nachdem die Sprühanlage und das zentrale Steuerungssystem ein Handshake-Signal gesendet und erfolgreich eine Verbindung hergestellt haben, wechselt die Sprühanlage in den Online-Betrieb. Während des Online-Betriebs sendet der zentrale Steuerrechner Signale an die SPS, die hauptsächlich die Fahrzeugnummern 0–7 betreffen. Sobald der zentrale Steuerrechner ein Signal empfängt, das den Abschluss der Arbeit der Sprühanlage signalisiert, sendet er die Fahrzeugnummer des nächsten Fahrzeugs an die SPS. Die von der SPS an den zentralen Steuerrechner gesendeten Signale umfassen Start-, Arbeits- und Abschlusssignale sowie Roboterfehlersignale wie Notstopp, Wechselrichterausfall, Querträgerfehlausrichtung und Anlauf während eines Farbwechsels. Wenn die Sprühanlage offline ist, sendet die SPS ein Offline-Signal an den zentralen Steuerrechner. Nach Empfang dieses Signals sendet der zentrale Steuerrechner keine Informationen mehr an die SPS. 4.5 Fehlererkennung und Statusanzeige: Das SPS-Steuerungssystem der Sprühanlage verfügt über umfassende Fehlererkennungsfunktionen und kategorisiert alle Fehler in fünf Zustände: Notstopp, Wechselrichterausfall, Verbindungsfehler, Querträgerfehlausrichtung und Anlauf während eines Farbwechsels. Entsprechende Fehleranzeigen werden auf dem Bedienfeld des Schaltschranks angezeigt. Sobald die Sprühanlage einen Fehler auslöst und abgeschaltet wird, erkennt die SPS dies und zeigt die entsprechende Anzeige auf dem Bedienfeld an. So können Bediener und Wartungspersonal den Fehler erkennen und rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen. Darüber hinaus werden Fehler, die während des Betriebs der Sprühanlage auftreten, in chinesischen Schriftzeichen auf dem Bildschirm des grafischen Bedienterminals F930 deutlich angezeigt. Die Fehlerprotokolle können über das Menü abgerufen werden. 4.6 Steuerung des grafischen Bedienterminals F930 Das grafische Bedienterminal F930 ist an der Oberseite des Schaltschranks der Sprühanlage installiert. Es verfügt über ein hintergrundbeleuchtetes LCD-Display, eine integrierte Bibliothek chinesischer Standardzeichen und kann bis zu fünf Zeilen chinesischer Zeichen gleichzeitig anzeigen. Die Kommunikation mit der SPS erfolgt über eine RS422-Schnittstelle. Funktionen wie Anzeige, Überwachung, Datenänderung und Umschaltung sind verfügbar. Im Steuerungssystem der Sprühanlage dient es hauptsächlich der Anzeige aller Betriebsinformationen, der Überwachung der Komponenten sowie der Online-Änderung und -Fehlerbehebung von Sprühparametern. 5. Fazit Das überarbeitete Steuerungssystem für die Sprühanlage zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: (1) Das System verfügt über umfassende Steuerungsfunktionen und vier Betriebsmodi: Verbindung, Automatik, Manuell und Abschaltung. Alle Funktionen der Anlage können automatisch oder manuell gesteuert werden. (2) Die Bedienung ist schnell und komfortabel, und der Automatisierungsgrad ist hoch. Die Anlage kann durch Drücken von ein bis zwei Tasten oder durch Umlegen eines Universalschalters automatisch betrieben werden. (3) Die Überwachungs- und Anzeigefunktionen sind umfassend. Das System verfügt über Kontrollleuchten und eine Anzeige chinesischer Schriftzeichen auf dem LCD-Bildschirm. Alle Betriebs- und Fehlerinformationen werden während des Anlagenbetriebs zeitnah angezeigt. Gleichzeitig überwacht und zeigt das grafische Benutzerterminal F930 Informationen von den internen Zählern der SPS an, was die Überprüfung des Betriebszustands der Anlage erleichtert und eine schnelle Fehlererkennung und -behebung ermöglicht. Das neue Steuerungssystem für die Sprühanlage ist äußerst zuverlässig. Seit seiner Inbetriebnahme im August 2003 traten keine Störungen auf, wodurch Anlagenstillstandszeiten reduziert, ein reibungsloser Produktionsablauf gewährleistet und die Produktionseffizienz gesteigert wurde.