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基于 PC 的控制技術(shù)在貝森朵夫鋼琴廠噴漆車間中的應(yīng)用

座落于維也納新城的奧地利鋼琴制造商貝森朵夫是世界上最古老和最著名的豪華鋼琴制造商之一。貝森朵夫選擇了奧地利制造商 Berkmann 的現(xiàn)代化噴漆車間，以大幅降低其三角鋼琴噴漆能耗。新車間不僅優(yōu)化了工藝流程，其優(yōu)質(zhì)的漆面品質(zhì)也進(jìn)一步提升，還將能耗降低了 75%，同時采用倍福基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效控制、可視化和照明。

維也納鋼琴制造商貝森朵夫成立于 1828 年，目前隸屬于雅馬哈集團(tuán)。按照貝森朵夫公司特有的鋼琴構(gòu)造及工作原理，音板主要云杉共振木材制成。一般情況下，一架三角鋼琴的制作周期約為 27 周，這還沒算上木材干燥和各個制作步驟之間的休息時間。鋼琴制作的最后一道工序給鋼琴表面噴涂高品質(zhì)的聚酯漆或聚氨酯漆。

聚酯漆對施工工藝的要求非常高，若想達(dá)到最佳效果，室溫必須恒定在 25 °C（±0.5 °C），濕度保持在 45-50%。此外，必須以定義的速度排放噴漆作業(yè)區(qū)的廢氣，以防止漆霧顆粒隨后沉積在已噴好漆的表面。“貝森朵夫三角鋼琴表面經(jīng)過 8 道聚酯噴涂，確保表面始終光亮如新：油漆越黑，散射的光線就越少，外形也越精致美觀。”貝森朵夫公司技術(shù)和制造總監(jiān) Thomas Broukal 強(qiáng)調(diào)道。在決定建造新車間時，貝森朵夫最注重的是在環(huán)保和降低能耗方面樹立新的標(biāo)桿。“這是我們公司歷史上規(guī)模最大的一筆投資，但它將能耗降低了 75%，車間很快就能收回成本。”Thomas Broukal 說道。

更高的設(shè)備設(shè)計自由度

早在 30 年前就與貝森朵夫有過合作的 Berkmann Lackieranlagen 公司再次接受委托，建造新的車間。“但新噴漆車間的工藝流程基于全新的設(shè)計方案。”銷售&技術(shù)總監(jiān) Rainer Berkmann 解釋道。內(nèi)部裝有通風(fēng)裝置、過濾系統(tǒng)以及熱回收和發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備控制中心，與工廠廠房分開安置在一棟建筑物內(nèi)。這樣就可以在噴漆作業(yè)區(qū)設(shè)立寬敞的工位，以及準(zhǔn)備工位和烘干室。油漆存放和準(zhǔn)備區(qū)也被整合到車間整體設(shè)計方案中。

“我們的工作流程因此得到了優(yōu)化，噴漆表面質(zhì)量有了顯著提升。同時，生產(chǎn)過程中的不良品率也明顯降低，并且由于污染減少，質(zhì)量得到了更大的提高。新車間的另一個優(yōu)勢是建造成本低，盈利能力強(qiáng)，可以很好地幫助我們降低總體運(yùn)營成本。”Thomas Broukal 說道。“這種全新的、模塊化的車間設(shè)計方案建立在倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)基礎(chǔ)之上，它能夠輕松地覆蓋超遠(yuǎn)距離。”Rainer Berkmann 補(bǔ)充道。

可持續(xù)性和成本效益

車間通過使用 TwinCAT Controller Toolbox 進(jìn)行智能溫度控制，使用井水進(jìn)行冷卻，并對噴漆作業(yè)區(qū)排放的廢氣進(jìn)行熱回收，顯著節(jié)約了能源。在使用這些方法對空氣進(jìn)行了預(yù)處理后，剩下的就是讓車間達(dá)到噴漆過程所需的室溫。如果高動態(tài)的 250 kW 燃木加熱設(shè)備不能維持實(shí)際溫度，就會啟動城市集中供熱。“尤其在天氣寒冷的季節(jié)，新車間在節(jié)能方面體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。我們通過熱回收不僅節(jié)省了 75% 的供暖費(fèi)用，而且還減少了 75% 的碳排放量。我們每小時需要加熱 7 萬立方米的空氣，意味著每小時可以節(jié)約數(shù)百千瓦時的能源。”Thomas Broukal 解釋道。

“車間的最大亮點(diǎn)是通過將噴漆作業(yè)區(qū)的能量進(jìn)行回收，大大降低了區(qū)域內(nèi)的能耗以及二氧化碳排放。”Rainer Berkmann 說道。“但是，新的噴漆車間不僅降低了生態(tài)足跡，提升了表面噴漆質(zhì)量：它還配備了經(jīng)過優(yōu)化的噴漆房照明技術(shù)，并且噪音更低，滿足職業(yè)健康安全最高標(biāo)準(zhǔn)。”

開放和模塊化的控制技術(shù)確保提高靈活性

“由于設(shè)備控制中心與噴漆作業(yè)區(qū)分離，控制柜之間的距離長達(dá) 60 米，但倍福的模塊化 I/O 系統(tǒng)讓我們無需再使用又長又復(fù)雜的熱電偶電纜。我們只需使用光纖和 EtherCAT 通信協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。這一設(shè)計上的修改只需要使用 CU1521 介質(zhì)轉(zhuǎn)換器和 EK1501 多模光纖 EtherCAT 耦合器這兩個模塊，再加上在軟件上做一些極小的調(diào)整即可。”Berkmann Lackieranlagen 公司技術(shù)經(jīng)理 Ralph Schmoll 說道。“基于 PC 的控制技術(shù)的最大優(yōu)勢就在于它的這種靈活性，用戶可以隨時在控制系統(tǒng)中添加任意數(shù)量的附加功能。”

“在我們不斷推進(jìn)車間投入使用的過程中，客戶反復(fù)多次更改和增加了功能，這意味著我們需要在實(shí)施完成控制解決方案后進(jìn)行擴(kuò)展。”Ralph Schmoll 解釋說道。“對于貝森朵夫來說，通過實(shí)施正確的電源測量方案提高電能測量效率也同樣重要。此外，我們安裝的照明設(shè)備數(shù)量也比原計劃多了一倍。”Thomas Broukal 說道。總的來說，在最終版本的控制系統(tǒng)中，安裝的 I/O 端子模塊數(shù)量比最初計劃多了 2.5 倍。“有了 EtherCAT 和基于 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程，我們在實(shí)施項目時無需擔(dān)心會在控制系統(tǒng)設(shè)計方面遇到限制。在未來也可以輕松使用 EtherCAT 對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。倍福控制組件具有長期可用性，有效保障我們客戶的投資安全。即便我們將來要對車間進(jìn)行任何修改，也無需切換到不同的系統(tǒng)。”Ralph Schmoll 說道。

控制噴漆室的供氣或排氣溫度、風(fēng)速和風(fēng)量并非易事：若有確保清漆層的高品質(zhì)，既需要有超高精度，又需要保持物理參數(shù)不變。噴漆車間的中央控制系統(tǒng)由一臺 C6015 超緊湊型工業(yè) PC、EtherCAT 通信系統(tǒng)、模擬量和數(shù)字量 EtherCAT 端子模塊，以及一臺 TwinCAT 3 PLC 構(gòu)成。TwinCAT HMI 可視化系統(tǒng)在 CP690x 經(jīng)濟(jì)型控制面板上運(yùn)行。

操作界面人性化

車間通過噴漆室外的 CP690x 控制面板進(jìn)行控制。可視化則通過基于 HTML5 的 TwinCAT HMI 軟件實(shí)現(xiàn)。通過這種網(wǎng) Web 技術(shù)即可在公司內(nèi)使用任何一臺 PC 或移動設(shè)備通過簡單的 Web 瀏覽器訪問車間。

“用戶界面結(jié)構(gòu)清晰，易于使用。”Ralph Schmoll 解釋道。噴漆技術(shù)員可以從預(yù)安裝功能中進(jìn)行選擇，如噴涂一至八層漆、烘干或表面處理，并為每一層噴漆工藝進(jìn)行編程供氣、溫度和速度。用戶界面與之前車間內(nèi)使用的相比，又增加了一系列新功能，如顯示整個工藝流程，顯示每個傳感器和每臺設(shè)備和工藝參數(shù)。同時還整合了報警和趨勢記錄，用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和執(zhí)行噴漆車間維護(hù)等任務(wù)。“操作人員也可以對噴漆過程直接進(jìn)行干預(yù)，相比之前的車間有著巨大的優(yōu)勢。”Ralph Schmoll 說道。

此外，整層的照明可以通過 CP690x 控制面板控制。“甚至非危險區(qū)域的照明，即正常的建筑照明，也可通過人機(jī)界面控制。”Ralph Schmoll 補(bǔ)充道，“得益于可自由編程的控制系統(tǒng)，車間照明可以通過 PLC 的開關(guān)控制。另外，所有的設(shè)備功能都可以通過噴漆室內(nèi)的按鈕切換。這樣不僅可以提高效率，而且可以給員工的工作帶來更多靈活性。”“貝森朵夫鋼琴廠是傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代科技在前瞻性生產(chǎn)中相得益彰的絕佳案例。”倍福總經(jīng)理助理 Frederike Beckhoff 強(qiáng)調(diào)道，“我很榮幸能夠擁有一架貝森朵夫三角鋼琴，那是我剛出生時我的祖父送給我的禮物。更讓我高興的是，我們的控制技術(shù)可以幫助客戶提高鋼琴表面光澤度，降低噴漆工藝能耗。”

奧地利鋼琴制造商貝森朵夫是世界上最古老和最著名的豪華鋼琴制造商之一

三角鋼琴仍然采用手工噴漆的方式，操作人員需要具備專業(yè)的技能和豐富的經(jīng)驗(yàn)

Berkmann Lackieranlagen 公司銷售&技術(shù)總監(jiān) Rainer Berkmann；貝森朵夫公司技術(shù)和制造總監(jiān) Thomas Broukal；以及 Berkmann Lackieranlagen 公司技術(shù)部經(jīng)理 Ralph Schmoll（從左至右）

倍福的模塊化 I/O 系統(tǒng)對擴(kuò)展或修改無任何限制，并且可以輕松添加到生產(chǎn)線中

車間內(nèi)安裝的倍福 CP690x 控制面板可以使用基于 HTML5 的 TwinCAT 人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)噴漆車間可視化和控制