基于 PC 的控制技术 在贝森朵夫钢琴厂喷漆车间中的应用

文:文/德国倍福自动化有限公司2023年第六期

  维也纳钢琴制造商贝森朵夫成立于 1828 年,目前隶属于雅马哈集团。按照贝森朵夫公司特有的钢琴构造及工作原理,音板主要云杉共振木材制成。一般情况下,一架三角钢琴的制作周期约为 27 周,这还没算上木材干燥和各个制作步骤之间的休息时间。钢琴制作的最后一道工序给钢琴表面喷涂高品质的聚酯漆或聚氨酯漆。聚酯漆对施工工艺的要求非常高,若想达到最佳效果,室温必须恒定在 25 °C(±0.5 °C),湿度保持在 45-50%。此外,必须以定义的速度排放喷漆作业区的废气,以防止漆雾颗粒随后沉积在已喷好漆的表面。“贝森朵夫三角钢琴表面经过 8 道聚酯喷涂,确保表面始终光亮如新:油漆越黑,散射的光线就越少,外形也越精致美观。”贝森朵夫公司技术和制造总监 Thomas Broukal 强调道。在决定建造新车间时,贝森朵夫最注重的是在环保和降低能耗方面树立新的标杆。“这是我们公司历史上规模最大的一笔投资,但它将能耗降低了 75%,车间很快就能收回成本。”Thomas Broukal 说道。

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奥地利钢琴制造商贝森朵夫是世界上最古老和最著名的豪华钢琴制造商之一

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三角钢琴仍然采用手工喷漆的方式,操作人员需要具备专业的技能和丰富的经验


  1 更高的设备设计自由度

  早在 30 年前就与贝森朵夫有过合作的 Berkmann  Lackieranlagen 公司再次接受委托,建造新的车间。“但新喷漆车间的工艺流程基于全新的设计方案。”销售&技术总监 Rainer Berkmann 解释道。内部装有通风装置、过滤系统以及热回收和发电系统的设备控制中心,与工厂厂房分开安置在一栋建筑物内。这样就可以在喷漆作业区设立宽敞的工位,以及准备工位和烘干室。油漆存放和准备区也被整合到车间整体设计方案中。“我们的工作流程因此得到了优化,喷漆表面质量有了显著提升。同时,生产过程中的不良品率也明显降低,并且由于污染减少,质量得到了更大的提高。新车间的另一个优势是建造成本低,盈利能力强,可以很好地帮助我们降低总体运营成本。”Thomas Broukal 说道。“这种全新的、模块化的车间设计方案建立在倍福基于 PC 和EtherCAT 的控制技术基础之上,它能够轻松地覆盖超远距离。”Rainer Berkmann 补充道。

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Berkmann Lackieranlagen 公司销售 & 技术总监 Rainer Berkmann;贝森朵夫公司技术和制造总监 ThomasBroukal;以及 Berkmann Lackieranlagen 公司技术部经理 Ralph Schmoll(从左至右)

  2 可持续性和成本效益

  车间通过使用 TwinCAT Controller Toolbox 进行智能温度控制,使用井水进行冷却,并对喷漆作业区排放的废气进行热回收,显著节约了能源。在使用这些方法对空气进行了预处理后,剩下的就是让车间达到喷漆过程所需的室温。如果高动态的 250 kW 燃木加热设备不能维持实际温度,就会启动城市集中供热。“尤其在天气寒冷的季节,新车间在节能方面体现了巨大的优势。我们通过热回收不仅节省了 75% 的供暖费用,而且还减少了 75% 的碳排放量。我们每小时需要加热 7 万立方米的空气,意味着每小时可以节约数百千瓦时的能源。”Thomas Broukal 解释道。“车间的最大亮点是通过将喷漆作业区的能量进行回收,大大降低了区域内的能耗以及二氧化碳排放。”Rainer Berkmann 说道。“但是,新的喷漆车间不仅降低了生态足迹,提升了表面喷漆质量:它还配备了经过优化的喷漆房照明技术,并且噪音更低,满足职业健康安全最高标准。”

  3 开放和模块化的控制技术确保提高灵活性

  “由于设备控制中心与喷漆作业区分离,控制柜之间的距离长达 60 米,但倍福的模块化 I/O 系统让我们无需再使用又长又复杂的热电偶电缆。我们只需使用光纤和EtherCAT 通信协议即可实现所有设备联网。这一设计上的修改只需要使用 CU1521 介质转换器和 EK1501 多模光纤EtherCAT 耦合器这两个模块,再加上在软件上做一些极小的调整即可。”Berkmann Lackieranlagen 公司技术经理

Ralph Schmoll 说道。“基于 PC 的控制技术的最大优势就在于它的这种灵活性,用户可以随时在控制系统中添加任意数量的附加功能。”

  “在我们不断推进车间投入使用的过程中,客户反复多次更改和增加了功能,这意味着我们需要在实施完成控制解决方案后进行扩展。”Ralph Schmoll 解释说道。“对于贝森朵夫来说,通过实施正确的电源测量方案提高电能测量效率也同样重要。此外,我们安装的照明设备数量也比原计划多了一倍。”Thomas Broukal 说道。总的来说,在最终版本的控制系统中,安装的 I/O 端子模块数量比最初计划多了 2.5 倍。“有了 EtherCAT 和基于 IEC 61131-3 标准的编程,我们在实施项目时无需担心会在控制系统设计方面遇到限制。在未来也可以轻松使用 EtherCAT 对系统进行扩展。倍福控制组件具有长期可用性,有效保障我们客户的投资安全。即便我们将来要对车间进行任何修改,也无需切换到不同的系统。”Ralph Schmoll 说道。控制喷漆室的供气或排气温度、风速和风量并非易事:若有确保清漆层的高品质,既需要有超高精度,又需要保持物理参数不变。喷漆车间的中央控制系统由一台C6015 超紧凑型工业 PC、EtherCAT 通信系统、模拟量和数字量 EtherCAT 端子模块,以及一台 TwinCAT 3 PLC 构成。TwinCAT HMI 可视化系统在 CP690x 经济型控制面板上运行。

  4 操作界面人性化

  车间通过喷漆室外的 CP690x 控制面板进行控制。可视化则通过基于 HTML5 的 TwinCAT HMI 软件实现。通过这种网 Web 技术即可在公司内使用任何一台 PC 或移动设备通过简单的 Web 浏览器访问车间。“用户界面结构清晰,易于使用。”Ralph Schmoll 解

释道。喷漆技术员可以从预安装功能中进行选择,如喷涂一至八层漆、烘干或表面处理,并为每一层喷漆工艺进行编程供气、温度和速度。用户界面与之前车间内使用的相比,又增加了一系列新功能,如显示整个工艺流程,显示每个传感器和每台设备和工艺参数。同时还整合了报警和趋势记录,用于实现优化和执行喷漆车间维护等任务。“操作人员也可以对喷漆过程直接进行干预,相比之前的车间有着巨大的优势。”Ralph Schmoll 说道。此外,整层的照明可以通过 CP690x 控制面板控制。“甚至非危险区域的照明,即正常的建筑照明,也可通过人机界面控制。”Ralph Schmoll 补充道,“得益于可自由编程的控制系统,车间照明可以通过 PLC 的开关控制。另外,所有的设备功能都可以通过喷漆室内的按钮切换。这样不仅可以提高效率,而且可以给员工的工作带来更多灵活性。”“贝森朵夫钢琴厂是传统工艺与现代科技在前瞻性生产中相得益彰的绝佳案例。”倍福总经理助理 Frederike Beckhoff 强调道,“我很荣幸能够拥有一架贝森朵夫三角钢琴,那是我刚出生时我的祖父送给我的礼物。更让我高兴的是,我们的控制技术可以帮助客户提高钢琴表面光泽度,降低喷漆工艺能耗。”

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倍福的模块化 I/O 系统对扩展或修改无任何限制,并且可以轻松添加到生产线中

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车间内安装的倍福 CP690x 控制面板可以使用基于 HTML5 的TwinCAT 人机界面实现喷漆车间可视化和控制




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