汽车涂装生产线能耗监测系统*

魏清月，姜兆亮，张子群

(山东大学 a.机械工程学院 b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南　250061)



汽车涂装生产线能耗监测系统*

魏清月a,b，姜兆亮a.b，张子群a,b

(山东大学 a.机械工程学院 b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南250061)

节能减排已成为制造业期待解决的重要问题之一。为了准确描述产品生产过程中的能耗水平，针对机械行业普遍存在的生产过程智能化、自动化程度低的问题，以汽车涂装生产线为研究对象，分别建立了工位级与生产线级能耗模型，利用WINCC、Visual C#与SQL Server数据库设计并开发了涂装线生产过程监控系统，通过对涂装过程中生产数据的采集、查询与处理，实现了对涂装线各工位生产状况的在线监测。通过典型企业的应用验证表明，该系统可以准确地获得产品生产过程的能耗数据，为节能减排控制奠定坚实的基础。

涂装生产线；生产过程；在线监控；能耗

WEI Qing-yuea,b,JIANG Zhao-lianga,b,ZHANG Zi-quna,b

(a.School of Mechanical Engineering;b.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture,Ministry of Education,Shandong University , Jinan 250061, China)

0　引言

制造业是全球温室气体排放和能源消耗的大户，消耗约33%的总能量，直接或间接的CO2排放比例占到38%[1]，成为节能减排的重要行业。在我国制造业中，汽车制造业总产值接近我国制造业总产值的5%[2]，而汽车涂装车间又是汽车制造厂的能耗大户，因此对汽车涂装过程的能耗研究已经成为制造业节能降耗的重要研究方向。

国内外专家学者对制造业能耗展开了广泛的研究，并取得了一些成果。文献[3]从汽车涂装车间的设备出发，建立了有限容量伯努利串行生产线模型，利用贪婪搜索获得优化的设备开机时刻，并通过试验说明了优化后的涂装车间能耗降低了5%。文献[4]分析了切削过程中的切削参数对数控机床能耗的影响，基于BP神经网络建立了数控机床能耗与切削参数的模型，进行不同参数下机床能耗的推理，并采用了遗传算法对切削参数进行了优化。文献[5]提出了基于知识的能耗预测方法，建立了一个神经网络预测模型，为工艺方案、调度等活动提供了支持。文献[6]建立了面向任务的加工能耗仿真模型，用于评估零件的不同加工次序对能耗的影响，该方法只能用于工艺规划阶段的能耗评估。文献[7]建立了一个基于规则引擎和复杂事件处理技术(CEP)的加工制造系统能耗监控框架，认为目前正形成标准的加工设备互联网协议MTConnect将为能耗数据获取提供标准化支持，但并没有给出具体的实施措施。文献[8]设计了一个机床功率测试系统，应用于CK6136型数控机床工作过程的功率测量，得到了空载启动、运行和停止过程的有功功率变化图，为设计节能机床提供了参考。文献[9]分析了加工制造系统中产生能量控制循环的信息流，利用分布式、层次化结构描述了一个车间通信和控制结构，建立了组件级、设备级、系统级的能耗监控和控制体系，但还没有更具体深入的实施。

综上所述，国内外有关汽车涂装过程的能耗研究还较少，对制造业节能降耗的研究主要集中在单机器设备能耗，而有关制造系统能耗研究还较少，制造业能耗数据获取的研究仍停留在理论阶段，缺乏具体的实施措施。因此，本文以汽车涂装线为研究对象，建立了工位级与生产线级能耗模型，设计开发了涂装生产线能耗监测系统，实现了对涂装过程能耗的实时监测与分析，为涂装线的节能降耗奠定了坚实的基础。

1　系统的体系结构

能耗监测系统由服务器、控制系统、数据采集系统、外部集成系统构成。其中服务器包括数据库服务器和应用程序服务器；控制系统包括上位机、PLC控制分站；数据采集系统包括各现场仪表与传感器；外部集成系统通过接口程序实现与原有运动控制系统的数据通讯。在工控机上安装西门子公司的上位机监控软件WinCC，将组态软件WinCC进行二次开发编程[10]，将开发后的组态软件系统应用于中央控制室的上位机。上位机通过工业以太网和下位机PLC连接，PLC通过其模拟量模块可以采集各工艺单元的温度、压力、在线PH等工艺参数；为保证数据的传输速度与精度，各PLC分站通过光纤以太网与上位机相连，将采集到的信号与数据传送到上位机，下位机采集的数据同时存储于上位机的数据库中，由上位机的操作员站提取数据库中的数据并做进一步的分析与处理。系统布局如图1所示。

图1　系统布局图

2　系统模型的建立

2.1问题描述

设某涂装生产车间包含水洗、脱脂、表调、磷化、电泳、烘干、喷漆、检验等n个工位，每个工位中需要监测记录的工艺参数有k个，则工位集合A可以表示为:

A={S1,S2,…,Si,…,Sn}(i=1,2,…,n)，第i工位的工艺参数集合可表示为:B={Si1,Si2,…,Sij,…,Sik}(j=1,2,…,k)。为了减少涂装过程中零件的次品率，涉及到的工艺参数必须在一定的范围之内波动，设第i个工位的第j个工艺参数Sij上下限分别为max(Sij) min(Sij)，即Sij∈[min(Sij)，max(Sij)]。

2.2数据处理模型

数据处理模型是涂装线生产过程监控系统模型的核心，它给出了涂装生产过程大量数据的表达形式，描述了从底层各工位工艺参数值到工位能耗的关系。数据处理模型主要包含数据获取、数据处理以及能耗计算三个层次结构。数据处理模型层次结构图如图2所示。

图2　数据处理模型层次结构图

Step1：数据获取。零件到达工位i时，触发行程开关后发送高电平信号，OPC接收到高电平信号将PLC控制的i工位传感器测得的工艺参数存储到数据库的数据表中。

Step2：数据处理。通过时间、工位名称以及工艺参数名称为约束条件，查询数据库中满足条件的数据，以列表与折线图的形式显示。

Step3：能耗计算。涂装生产过程中主要能源消耗有电能和热能。提取数据库中计算能耗所需的温度、水压、电机转速等工艺参数，经相应的数据模型计算出各工位的能耗及总能耗，最终由C#语言编译处理以折线图形式显示。

涂装生产线的生产状态包括启动、运行、空载、停机等，不同的工作状态下各工位的工艺参数是随之变化的，而同一生产状态下各工位工艺参数仅有微小波动。在能耗计算的过程中，将同一生产状态下工艺参数的微小波动忽略，各工位一个生产周期内的压力与温度随时间变化的曲线如图3所示。

图3　压力/温度曲线示意图

(1)电能消耗的主要来源为电机驱动涂装线上零件运行消耗的电能以及水泵排水保持工位水容量和压力所消耗的电能，则工位i处消耗的电能Qei为：

整条涂装线消耗的总电能为：

(2)热能消耗的主要来源为加热各工位槽液以及烘干室空气所消耗的热能，则工位i处消耗的热能Qhi为：

Qhi=cimiΔTi(t)=cimi[Ti(t)-T0]

式中，T0、Ti(t)分别为介质的常温以及工位i处空气或者槽液加热后的温度，Ti(t)随时间变化的曲线如图3b所示，ΔTi(t)=Ti(t)-T0。ci为工位i处导热介质的比热容；mi为工位i空气或者槽液的质量，mi=ρi·vi，其中ρi为介质的密度，vi为介质的体积。

整条涂装线消耗的总热能为：

2.3实时监控模型

涂装车间存在工位异常时会导致不合格零件的产出，利用涂装线生产过程中的实时监控模型，可以在线反映涂装线生产现状，对出现问题的工位即时报警，及时调整改进，提高了涂装线能效。实时监控模型工作原理流程图如图4所示。

图4　实时监控模型工作原理流程

实时监控模型工作步骤为：①初始化工位全体工艺参数集合S={S1,S2,…,Si,…,Sn}；②每经过时间T=0.1s，扫描一次数组Si(i=1,2,…,n)，如果数组Si被PLC触发显示为高电平，则有零件在工位i触发了行程开关；③更新数组Si={Si1,Si2,…,Sij,…,Sik}中的所有工艺参数值，覆盖之前的数据；④判断最新的工艺参数值是否满足min(Sij)≤Sij≤max(Sij)。若满足，表示工位i的涂装生产状况正常；若不满足，表示工位i出现了异常状况，此时工艺参数值闪烁报警，提醒工作人员及时处理异常，避免不合格件的产出。

3　实例分析

以某汽车生产的涂装车间为例验证本文模型的有效性。该车间主要对商用汽车的驾驶室、车厢进行涂装处理。其涂装工艺流程为高压水洗→预脱脂→脱脂→水洗→表调→磷化→纯水洗→阴极电泳→UF洗→泳后水洗→电泳烘干→面漆喷漆→面漆烘干→面漆检验→下件。选取汽车车身为涂装对象，对整条涂装生产线建模分析，搭建了涂装线生产过程监控系统。该系统的主要组成部分包括权限管理、报表统计以及实时监控三个方面，功能结构如图5所示。

图5　涂装线生产过程监控系统功能结构

图6为用户权限实现流程，为了满足该公司多名工作人员同时访问系统的需求，该系统采用了C/S结构。系统中区分了管理员、计划员、化验员以及普通用户四种用户类型。不同的角色有不同的权限。不同的用户只能按照被分配的角色实现对系统中指定部分的操作，从而保证了数据库中信息的安全性。

图6　用户权限实现流程

通过上文中给出的能耗计算公式可以计算统计出各个生产周期内的电能、热能消耗量与消耗总量，并通过折线图表示出来，以高压水洗工位为例，通过上文建立的数学模型分析计算该工位各生产周期内的能耗值，如图7所示，为后续的节能降耗奠定了基础。

图7　高压水洗能耗统计

图8为整条涂装生产线搭建的实时监控系统。汽车涂装过程中正在生产线上加工的汽车车身在实时监控模型中动态显示，每个工位上工艺参数值也实时显示到实时监控模型中，间隔0.1s刷新一次当前数据，保证当前工艺参数值的实时性。若工艺参数Sij不在[min(Sij)，max(Sij)]范围内，则工位i出现异常状况，实时监控模型中工艺参数值Sij闪烁报警，提醒工作人员及时调整并修复出现问题的工位，减少不合格件的产出，同时减少了涂装生产线的返修率，提高了生产效率。

图8　涂装线生产过程实时监控

4　结束语

本文针对涂装生产线，分别建立工位级与生产线级能耗模型，基于WINCC、Visual C#以及SQL Server数据库开发了一种针对涂装线生产过程及对该过程中产生的工艺参数分析处理的监控系统。该系统将下位机传送到上位机数据库中的大量数据经过查询与分析，实现了对涂装线各个工位生产状况与能耗的监测，并实现了对生产过程的实时监控。通过实例验证了该系统的可行性，减少了劳动力的投入与不合格件的产出，同时提高了生产效率，降低了生产成本。下一步的工作是从能耗过程入手，通过对整条涂装生产线的调整与优化达到节能减排的目的。

[1] 王俊峰，李世其，刘继红.能量有效的离散制造系统研究综述[J]. 机械工程学报，2013,49(11)：89-97.

[2] 王明磊.汽车涂装生产线绿色设计技术研究[J].现代涂装与涂料，2010,13(8):53-55.

[3] CHEN G，ZHANG L，ARINEZ J，et al. Energy-efficient production systems through schedule-based operation[J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2013，10(1)：27-37.

[4] 谢东，陈国荣，施金良，等. 基于BP神经网络数控机床切削能耗的研究[J]. 机床与液压，2012，40(1):54-57.

[5] 宫运启，吕民，王刚. 基于知识的产品制造过程能耗的计算与预测[J]. 华南理工大学学报，2009，37(2):14-19.

[6] HE Y，LIU B，ZHANG X. A modeling method of task-oriented energy consumption for machining manufacturing system[J]. Journal of Cleaner Production，2012，23(1)：167-174.

[7] VIJAYARAGHAVANA A，DORNFELD D. Automated energy monitoring of machine tools[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technolo- gy. 2010，59(1)：21-24.

[8] 许弟建，施金良. 机床功率测试系统设计与节 能方法[J]. 组合机床与自动化加工技术， 2010(3):47-51.

[9] VERL A，WESTKAMPER E，ABELE E. Architecture for multilevel monitoring and control of energy consumption[C]//The 18th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering,May 2th-4th，2011，Braunschweig，Germany，2011：347-352.

[10] Yang Jingna，Liu Xiaozhen，Feng Heping. Based on PLC and WINCC monitoring software material sorting station system design [J]. Applied Mechanics and Materials，2014：3196-3199.

(编辑李秀敏)

Energy Efficiency Monitoring System for Automobile Coating Production Line

Energy saving and emission reduction has become one of the important issues to be solved in the manufacturing industry. Machinery industry generally exists the low level of intelligentization and automation in the production process. Studied on the coating line of automobile production line, both the energy consumption model of the stations and the production line are established respectively to accurately describe the energy consumption level in the production process. A production process monitoring system for coating line is developed with WINCC, Visual C# and SQL Server database. The on-line monitoring of the production status is realized by collecting and processing the production data in the coating process. Its effectiveness is verified by the application in one typical enterprise. The results show that the system can obtain the energy consumption data of the product process accurately which will play an important role in the energy saving and emission reduction in the future.

coating production line; production process; on-line monitoring; energy consumption

1001-2265(2016)09-0064-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.018

2015-12-14；

2016-01-22

国家自然基金资助项目(51175304)；山东省科技发展计划(2013GHZ30305)

魏清月(1991—)，女，山东德州人，山东大学硕士研究生，研究方向为涂装生产过程能耗管控系统研究，(E-mail) rainy19910501@sina.com; 通讯作者：姜兆亮(1971—)，男，济南人，山东大学教授，研究方向为数字化制造和精密制造装夹方案优化研究， (E-mail) jiangzhaoliang@sdu.edu.cn。

TH165;TG659

A