冷型喷涂自动测温测厚系统

贾　英　

（邢台轧辊机电工程有限公司，河北　邢台　054035）



冷型喷涂自动测温测厚系统

贾英

（邢台轧辊机电工程有限公司，河北邢台054035）

本文简述了以自动化测量喷涂涂料厚度代替人工测量的设计思路。通过在上位机的组态软件Wincc中建立OPC过程驱动程序，建立变量相链接，完成上位机和下位机PLC的数据通讯，控制喷枪小车的移动速度和气动控制测厚传感器的平稳下降，使喷涂测厚高效精准，杜绝了人工测量干扰带来的精度的降低。

喷涂；测厚；测温；旋转角度；自动测量

长久以来，测量冷型喷涂涂料的温度、厚度均是人工操作［1］。人工操作存在许多不足。冷型喷涂涂料厚度测量是操作人员手持测厚仪按在涂层上，测出厚度，然后记录下测厚结果，人工操作由于每个人测厚时按压力量不同，或同一个人在不同点按压力量不同，测厚仪为指针式，每个人读数有区别，造成测得的数据有一定的人为误差，无法确认涂料厚度在整个冷型内部的均匀性状况。

冷型温度测量通过将温度计插入到冷型钻孔中，人为读取温度计上的温度，喷涂时，取下温度计，喷涂中或喷涂完成后需要测温，再把温度计插上，读取温度并进行记录。这样人工操作也容易产生人为误差，并且操作不方便。

按照工艺要求，冷型温度达到一定时，进行喷涂作业，高于此温度及低于此温度作业，对涂层强度都产生影响，生产过程中不能对冷型强度进行检测，全部依靠工艺操作执行过程来保证涂层质量，喷涂过程数据是人工记录。

整个过程数据全部是人工记录，数据记录的及时性、准确性、真实性无法评价。在后续工作中发生涂层质量问题时，因为没有可靠的数据支撑进行准确查找，使问题解决困难。

一、机械设计部分

1.涂层自动测厚机构

涂层自动测厚机构是在原有冷型喷涂机基础上进行改造，由于考虑到测厚探头质量小，控制精度高，因此考虑设计为气动机构，设计原理如下：

（1）气缸的设计选型

考虑冷型涂层强度，避免气缸压下时将涂层压坏，测厚气缸压下时的压力必须模拟手动测厚时的压力，不易超过 2kg·f。根据测厚探头总重（包括固定支架等）约为0.5kg，气包风压约为0.6MPa，暂取气包后减压阀后压力为0.4MPa，初步计算气缸内径为D=2（mg/3.14P）1/2=2×（0.5kg×10m/s2/3.14×0.4×106Pa）1/2=0.002m=4mm，考虑现场环境及气缸固定安装方式，选择亚德克ISO6432标准型不锈钢迷你气缸MIC型，因该型号气缸缸径最小为16mm，选择行程为200mm，故气缸选型为MIC-16×200-CA。因气缸内径较计算值大，在测厚探头压下时容易造成探头及冷型涂层的损坏，故在气缸压下端增加一套二级减压阀，压力调节范围为0.05-0.9MPa，保证气缸下降测厚时压力能控制在0.05MPa以下，测厚时探头对涂层压力为F=0.5kg×10m/s2+（0.05×106Pa×3.14×0.0082m2）=15N=1.5kg·f＜2kg·f，故选定气缸为亚德克ISO6432标准型不锈钢迷你气缸，型号为MIC-16×200-CA。

（2）气缸速度的控制

因考虑到冷型涂层温度较高（约180℃），容易对测厚探头造成高温损坏，所以在气缸进出口处各加装一套进气单向节流阀对气缸在测厚过程中的“上升/下降”速度进行调节，保证测厚探头与涂层接触时间不超过两秒，然后快速提升脱离与涂层的接触；同时保证气缸压下时速度缓慢平稳，不会造成测厚探头与冷型涂层接触时产生撞击，损坏涂层与测厚探头。此“上升/下降”速度的调节过程在安装后现场进行调试完成。

（3）测厚探头的改进

测厚探头选用数字式探头，并可进行数据传输，根据冷型涂层温度高，选择耐高温型，但是最高耐温只有120℃，无法达到冷型喷涂温度要求，同时探头使用寿命大大降低。

为了进一步对测厚探头进行高温保护，将探头外部加装水冷保护套及风冷吹风口，对探头进行降温保护，保证探头的正常使用寿命。如图1所示。

图1　高温测厚仪风冷水冷套图

2.冷型测厚位置的确定

为了能够保证对冷型圆周及轴向位置的准确定位，并对冷型测厚值及测厚位置进行实时对应记录，设计时在测厚小车轴承箱及冷型托轮主动轴处各设置了一套编码器对测厚小车行走位置及冷型转动角度进行控制和记录。

（1）考虑到编码器的安装位置，直接将编码器安装在托轮机构主动轴上改造施工难度大、改造费用高，因此考虑将编码器安装在与托轮主动轴直连的减速机三段轴上，这样既满足了同样的使用效果，又降低了改造难度及成本。由于改造前减速机三段轴为单出轴，不便于安装编码器，因此将减速机三段轴重新定制为双出轴，并加工制作了编码器连接套及编码器固定支架对编码器进行安装定位。

（2）冷型转动的制动。考虑到冷型在随冷型托轮机构转动时，惯性较大，在电机停止后，冷型因惯性继续转动，无法准确控制冷型转动角度，因此在减速机一段轴处加装一套与ZQ500减速机配套制动器：YWZ4B-300/E80。由于原减速机一段轴为单出轴，且电机与减速机为皮带传动，无法满足制动器的安装要求，因此将减速机一段轴重新定制为双出轴，并考虑到现场安装位置将电机进行重新定位，如上图所示。

二、测厚装置和测温装置

1.冷型涂层测厚装置

在冷型涂层测厚小车前端固定安装一个涂层测厚探头及位置标尺，探头加装风冷吹扫装置，在冷型涂层测厚小车后端制作一个涂层测厚仪仪表箱，将涂层测厚仪放置在仪表箱内，涂层测厚探头与涂层测厚仪通过测试线连接。工控机安装在配电柜内，并安装无线接受模块及测厚仪自带标准软件，测量时按“喷枪上升”或“喷枪下降”按钮来调节测厚探头达到标尺位置，将探头垂直压紧测量表面，数据稳定后自动抬起探头，涂层测厚仪将测量数据无限发送至计算机，计算机会实时显示并记录测量数据。

2.冷型温度检测装置

冷型测温现场安装德国欧普士带激光瞄准的红外测温探头，以及温度显示控制箱，测量位置对准冷型轨道，因为冷型轨道为加工面，测温准确，控制向内温控仪表通过RS-232转RS-485通讯模块与计算机连接。在喷粉罐风管路安装一个电磁阀，工件安放到位后开启测温装置电源，对热处理后冷型进行实时温度测量，测量范围-45—-975℃，测量结果传送至控制箱无纸记录仪，同时工件温度数据通过 RS485数据线实时传送数据到计算机，计算机安装无纸记录仪标准配套软件，可实现温度的实时显示以及历史数据分析，并可形成电子表格文件。

当冷型温度降至生产工艺要求喷涂温度时，由设定好的无纸记录仪发出信号，控制继电器接点闭合，控制喷粉罐风管路电磁阀开，喷涂开始，本系统设置手动自动选择开关，自动时依据无纸记录仪温度信号控制喷涂电磁阀开启，喷涂完成手动关闭喷涂设备。

三、冷型喷涂自动测温测厚控制系统

下位机采用西门子S7-200PLC控制系统运行，上位机用WICC进行监控及工艺参数设置。通过一根PC/PPI电缆完成上位机和下位机的硬件连接。通过PC Access创建OPC服务器，并建立变量与S7-200PLC的地址相链接；在Wincc中建立OPC过程驱动程序，和OPC服务器中建立的变量相链接，从而完成上位机和下位机的数据通讯。控制系统各组成部分及功能介绍如下：

1.喷枪上升/下降

通过按控制台的喷枪上升/下降按钮，将输入信号传送给PLC，通过PLC程序控制，输出信号令喷枪上升/下降继电器得电，进而喷枪上升/下降接触器得电，从而完成喷枪电机正转/反转，来调节喷枪的上升/下降。在测厚前，应该通过操作控制台上的喷枪上升/下降按钮，将测厚探头调节到合适的标尺位置。

2.小车运行

（1）小车前进/后退/停止

图2　控制系统控制逻辑图

小车前进原理：在上位机Wincc系统中设定好小车前进位置，设定值传送到PLC中，小车实际位置信息通过编码器反馈到PLC中，通过PLC程序运算比较后，当实际位置没有达到设定位置时，PLC向变频器发出前进指令，变频器驱动电机正转，小车前进；当实际位置等于或大于设定位置时，PLC向变频器发出停止前进指令，变频器驱动电机停转，小车自动停止。

（2）小车行进速度

图3　小车控制逻辑图

调速原理：在上位机Wincc系统中设定好电机的转速，设定值传送到PLC中，经过PLC程序运算后，运算结果通过模拟量输出模块转换成 0-10V的电压信号，将电压信号传给变频器，通过改变变频器的输出频率来调节电机的转速。

3.冷型转动角度

图4　冷型转动控制逻辑图

控制原理：在上位机Wincc系统中设定好冷型转动角度，设定值传送到PLC中，冷型实际转角信息通过编码器反馈到PLC中，通过PLC程序运算比较后，当实际转角没有达到设定转角时，PLC令继电器得电，进而接触器得电，从而电机转动，带动拖轮和冷型转动；当实际位置等于或大于设定位置时，PLC令继电器断电，进而接触器断电，通过抱闸从而使电机立即停转，冷型转动自动立即停止。

4.测厚原理

图5　测厚原理图

按下控制台的“测厚”按钮，将测厚信号传到PLC，PLC令继电器得电，进而电磁阀得电，从而气缸动作，带动测厚探头缓慢下移，待探头接触到涂层，测得数据后，继电器断电，进而电磁阀断电，气缸带动测厚探头迅速上移，将探头收回到初始位置。

由于冷型温度较高，必须对测厚探头进行水冷，否则容易烧坏探头。在PLC程序中做了相应的保护工作，如果测厚时未打开水冷电磁阀，系统不会进行测厚操作，电脑监控界面也显示“水冷阀门未开禁止测厚”。

另设上位机监控画面显示小车位置、冷型转角、测厚数据、冷型温度实时显示，并进行小车速度、测厚位置、冷型光带外径、母线数等工艺参数设置。

上位机还可检测对比历史曲线，对于小车位置、冷型转角、测厚数据进行归档，可以查询其历史记录。记录喷涂小车实际动作的时间，涂料电磁阀实际打开的时间，来间接反应实际喷涂开始时间，以便实际操作和工艺要求进行对比。

四、测厚测温数据采集及报表生成

1.测厚模块

涂层测厚采用蓝牙无线自动测厚仪，通过蓝牙适配器，接收测厚仪的数据信号，蓝牙适配器在计算机端被识别成计算机多串口，在WinCC中的图形编辑器中直接加入ActiveX控件MSComm实现串行通讯，利用WinCC中自带的Global Script（全局脚本编辑器），生成用户的VB脚本。测厚程序就是依据Global Script，通过对ActiveX控件MSComm进行控制，编制一个从串口采集数据的通讯程序，对采集过来的数据进行数据处理，用于数据的显示和归档。上位机工作时，运行这个程序即可实现上位监控系统与串口采集数据的通讯任务。MSComm（即Microsoft Communications Control）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通讯编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。

MSComm控件的主要属性：

（1）CommPort设置并返回通讯端口号。

（2）Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。

（3）PortOpen设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。

（4）Input从接收缓冲区返回和删除字符。

（5）Output向传输缓冲区写一个字符串。

在WinCC中，VBScript是基于Visual Basic的运行脚本语言。脚本本身能访问所有WinCC图形对象的属性和方法，也能访问ActiveX控件和其他制造商的应用程序对象模型。因而能控制对象的动态性能，方便地建立与其他制造商应用程序的连接。

具体实现步骤如下：

（1）首先需要将Mscomm32.ocx在WinCC中注册。

（2）运行WinCC控制中心，建立需要的内部变量（该程序建立的变量是houdu），变量均为16位文本变量。

（3）在图形编辑器中建立相应的操作界面，在界面中加入 ActiveX 控件，然后选择 Microsoft Communication Control6.0选项。出现电话式的图标，这就是我们需要的串口通讯的控件。

（4）在画面中添加开始、停止、复位等按钮，在click事件中编辑VBS动作，对MSComm进行初始化。

（5）在ActiveX控件MSComm属性中有OnComm事件。在该事件下输入VBS动作，对接收到的字符进行处理。

再将数据赋给Internal tag（内部变量“houdu”）之后，上位监控系统就可在监控界面需要时，随时用于显示或计算，也可以把这些数据作历史数据归档，以用于报表输出或查看数据的变化趋势图等。

2.测温模块

现场冷型测温采用红外测温仪［2］连接无纸记录仪的方式测温，因无纸记录仪能够直接识别红外测温仪传输的信号，在无纸记录仪上显示出来，上位机直接从无纸记录仪上取得温度数据即可。由于无纸记录仪采用的是Modbus串口通讯协议，在WinCC的图形编辑器中，WinCC自带的Global Script（全局脚本编辑器）有一定的局限性，对ActiveX控件MSComm进行Modbus协议编程控制有一定的难度，在此，选择采用 vb6.0高级编程语言编写读取无纸记录仪数据的程序，处理起来较为灵活，在 vb编程中编写Modbus串口协议，对串口接收到的数据进行处理，得出温度数据，再通过DDE方式，将vb中的温度数据，传送到WINCC图形界面中，用于温度数据的显示与归档。DDE通讯组态方式：

（1）VB6.0作为DDE通讯的服务器的组态。

（2）WINCC作为DDE通讯的客户的组态；DDE作为WINCC的通讯驱动程序，可以在变量管理器的新建驱动程序中添加，它存在于siemenswinccin的文件夹中。在WINCC中建立DDE通道的变量，这些变量就可以在WINCC组态时直接的使用。

（3）在VB程序中通过加载WINCC组件，将WINCC中的喷涂涂料开关状态、喷涂小车动作开关状态读取到VB程序界面中，用于数据的对比、存储以及数据报表的输出。

由于WINCC和VB的报表功能有限，而且一旦报表格式发生变化，就得相应修改程序，给应用软件的维护工作带来极大的不便。因此在此充分利用EXECL的强大报表功来实现报表功能。数据报表采用EXCEL报表的形式，在工程中引用Microsoft Excel类型库，从"工程"菜单中选择"引用"栏，选择Microsoft Excel9.0Object Library（EXCEL2000）。再通用对象的声明过程中定义EXCEL对象，便可以在VB程序中操作EXCEL表常用命令了，可以通过自由设定固定的报表形式，在程序中添加相应的变量，用于报表中数据的填充，生成相应的数据对应报表。

五、实施效果

通过开发应用《冷型喷涂自动测温测厚系统》，实现了在工艺要求位置自动测量冷型喷涂厚度，自动生成具有时间、测厚小车位置、冷型角度、涂料厚度的报表；实时自动记录冷型温度，并自动生成具有时间、冷型温度、喷涂小车动作、涂料阀门打开的报表，记录工艺要求喷涂开始温度及时间，记录实际喷涂开始温度及时间，完成实际操作与工艺要求的对比。

［1］杨晋.水性涂料的特点及其喷涂施工要求［J］.科技信息，2011（34）.

［2］吴建平.热释电红外测温系统设计［J］.自动化信息，2011（3）.

（责任编辑 王傲冰）

Cold Spraying Automatic Temperature and Thickness Measuring System

JIA Ying

(XingtaiRollMachineryEngineeringCo.Ltd., Xingtai, Hebei 054035, China)

This paper describes the design idea of automatic measurement of coating thickness instead of manua l measurement.Through the establishment of OPC drivers in the PC configuration software Wincc process.Variable phase link is established.Data communications between upper machine and lower machine PLC are completed.The spray gun carriage movement speed is controlled，and pneumatic control thickness sensor fell steadily，making coating thickness measurement precise，reducing accuracy of artificial interference measurement.

flame plating；thickness measuring；temperature measuring；rotation angle；automatic measurement

TQ630.7

A

1008—6129（2016）01—0096—06

2016—01—12

贾英（1974—），女，河北广宗人，邢台轧辊机电工程有限公司，电气工程师。