Verfahren und Vorrichtung zur Betriebsüberwachung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage

Abstract

 Beim elektrostatischen Beschichten von großen Werkstücken wie z.B. Fahrzeugkarosserien muß die Anlage zur Vermeidung eines Spannungsdurchbruchs selbsttätig abgeschaltet werden, wenn der Betriebsstrom auf einem Schwellwert ansteigt, der in Abhängigkeit von der in einem gewissen Bereich verstellbaren Betriebsspannung vorbestimmt wird. Zu diesem Zweck werden alle für die wählbaren Spannungswerte geltenden Schwellwerte gemeinsam insbesondere in einem Mikroprozessor gespeichert und im Betrieb entsprechend der jeweils eingestellten Spannung selbsttätig ausgewählt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

[0002] Bei der elektrostatischen Beschichtung von Werkstücken , die gewöhnlich von einem automatischen Fördersystem in eine Spritzkabine oder sonstige Beschichtungsstation gebracht und dort relativ zu einem oder mehreren Farbzerstäubern bewegt werden, wird zwischen das Werkstück und jeden Zerstäuber eine Hochspannung gelegt, deren Größe zur Berücksichtigung der jeweiligen Betriebsbedingungen (Werkstück, Lacktyp, Luftbedingungen usw.) verstellbar sein muß, im Falle von Fahrzeugkarosserien etwa zwischen 60 und 110 kv. Während der Beschichtung muß aus Sicherheitsgründen unbedingt verhindert werden, daß die elektrische Feldstärke einen Wert erreichen kann, bei dem die Gefahr eines Spannungsdurchbruchs oder einer Funkenentladung besteht. Die Durchbruchfeldstärke wird bei unzulässiger Verringerung des Abstandes zwischen Zerstäuber und Werkstück erreicht, also bei unstabiler Werkstückführung oder im erwähnten Fall von Fahrzeugkarosserien insbesondere bei ungewolltem öffnen von Türen und Hauben . Da es keine praktisch brauchbare Methode zum direkten Messen der Feldstärke in einer Beschichtungsanlage gibt, wird stattdessen der Betriebsstrom der Hochspannungsquelle überwacht und die Anlage selbsttätig bei Erreichen einer vorbestimmten Stromschwelle abgeschaltet, bei deren Überschreiten erfahrungsgemäß Durchbruchgefahr besteht. Da der zwischen den Hochspannungselektroden fließende Strom unmittelbar vor Erreichen der Durchbruchfeldstärke steil ansteigt, kann man die Durchbruchgefahr ausschließen, solange der Betriebsstrom den zu Betriebsbeginn gemessenen Normalwert um nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß übersteigt. Eine genaue und zuverlässige Einstellung der jeweiligen Stromschwelle ist aber mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, weil der Betriebsstrom sich insbesondere im oberen Teil des Bereiches wählbarer Spannungswerte nicht linear mit der Spannung ändert, und weil der gemessene Betriebsstrom nur zum Teil der zwischen den Elektroden fließende Strom ist, im übrigen aber aus zusätzlichen Komponenten besteht wie vor allem einem von der Hochspannungsquelle über das Lackzuleitungssystem fließenden Nebenschlußstrom. Der Nebenschlußstrom kann schon zu Betriebsbeginn wesentlich höher sein als der Elektrodenstrom und außerdem im Laufe des Betriebes allmählich etwa infolge zunehmender Verschmutzung des Nebenschlußweges erheblich ansteigen. Seine Größe ist aber kein Maß für die zu überwachende Feldstärke; andererseits ist es nicht ohne weiteres möglich, nur den Elektrodenstrom zu messen.

[0003] Gemäß einer derzeit üblichen Methode wird bei einer elektrostatischen Beschichtungsanlage für Fahrzeugkarosserien , deren Hochspannung mit einem Stufenschalter schrittweise z.B. in 5 Stufen von jeweils 10 kV geändert werden kann, vor Beginn der Beschichtung der für die jeweils gewählte Spannungsstufe normale Betriebsstrom gemessen und mit einem der Spannungsstufe zugeordneten Potentiometer von Hand eine zugehörige Stromschwelle eingestellt, die um ein bestimmtes Maß höher ist als der gemessene Normalstrom. Bei Änderung der Spannung wird der Vorgang mit einem der neuen Spannungsstufe zugeordneten anderen Potentiometer wiederholt. Diese Methode ist aus verschiedenen Gründen unbefriedigend. Zunächst wäre es wünschenswert, die Spannung in wesentlich kleineren Schritten oder quasi stufenlos ändern zu können, was sich aber bei der üblichen Methode nicht realisieren läßt, da mit der Anzahl wählbarer Spannungsstufen auch diejenige der ihnen zugeordneten Potentiometer wachsen würde, die nicht nur aufwendig sind , sondern auch zu viel Platz beanspruchen würden. Dabei ist zu berücksichtigten, daß in einer Beschichtungsstation gewöhnlich mehrere gleichzeitig arbeitende Zerstäuber montiert sind und das Hochspannungsfeld jedes Zerstäubers einer eigenen Überwachung bedarf. Sind z.B. 10 Zerstäuber vorhanden und soll ihre jeweilige Betriebsspannung zwischen 60 und 110 kV in 1 kV-Schritten änderbar sein, so müßten insgesamt 500 Potentiometer installiert werden. Ein anderer Nachteil ist die Mühe und eventuelle Unzuverlässigkeit bei der manuellen Einstellung der die Stromschwelle bestimmenden Potentiometer, die außerdem in abschließbaren Steuerschränken oder auf andere Weise vor unbefugtem Verstellen geschützt werden müssen. Schließlich kann es zu unerwünschten Betriebsunterbrechungen kommen, wenn die Stromschwelle ohne Durchbruchgefahr lediglich infolge zunehmender Verschmutzung des erwähnten Nebenschlußweges oder aufgrund anderer relativ langsamer Betriebsänderungen (Erwärmung, Luftänderung usw.) erreicht wird, ohne daß das Bedienungspersonal rechtzeitig informiert wird.

[0004] Aus der DE-OS 27 34 341 ist ein Stromüberwachungssystem für eine Anlage zum elektrostatischen Beschichten von Fahrzeugkarosserien mit stufenlos wählbarer Spannung bekannt, bei dem die _Sicherheitsabschaltung nur bei schnellen Stromänderungen infolge gefährlicher Annäherung von Karosserieteilen an den auf Hochspannung liegenden Zerstäuber , nicht aber bei langsamer Stromänderung ausgelöst werden soll, wie sie infolge allmählicher Verschmutzung der Anlage möglich ist. Zu diesem Zweck wird in kurzen Zeitabständen (alle 200 ms) mit Hilfe einer Abtast- und Halteschaltung der Betriebsstrom gemessen, der Meßwert mit dem als Referenzwert gespeicherten jeweils vorhergehenden Meßwert verglichen und schließlich der aktuelle Meßwert als neuer Referenzwert gespeichert. Der Referenzwert, mit dem der Betriebsstrom ständig verglichen wird, wächst also mit dem allmählich ansteigenden Betriebsstrom. Steigt innerhalb des genannten Zeitabstands der Strom um mehr als einen bestimmten einstellbaren Unterschiedswert an, wird die Abschaltung ausgelöst. Aber auch bei diesem bekannten System , das eine relativ aufwendige Schaltungsanordnung hat, wird außer der dynamischen Stromüberwachung statisch ein vorbestimmter Grenzstromwert , der in keinem Fall überschritten werden darf, von Hand durch das Bedienungspersonal eingestellt. Ferner besteht auch hier wie bei der bekannten Stufenmethode keine Möglichkeit einer Vorwarnung für das Bedienungspersonal, wenn sich der Betriebsstrom z.B. wegen zunehmender Verschmutzung der Anlage dem statischen Grenzwert nähert, bei dem die Betriebsunterbrechung ausgelöst wird, obwohl keine Durchbruchgefahr besteht.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Sicherheitsabschaltung für eine Anlage mit in kleinsten Stufen änderbarer Hochspannung ohne übermässigen Aufwand eine automatische Anpassung der Abschaltschwelle an die jeweils gewählte Spannung zu ermöglichen.

[0006] Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

[0007] Durch die Erfindung kann das manuelle Einstellen der Abschaltschwelle und deren ebenfalls manuelle spannungsabhängige Änderung mit einer Vielzahl von Potentiometern entfallen.

[0008] Gemäß der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit einer Vorwarnung-des Bedienungspersonals bei Annäherung des Betriebsstroms an die Abschaltschwelle infolge sich ändernder Betriebsverhältnisse, die nicht zu erhöhter Durchbruchgefahr führen.

[0009] An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

_Fig. 1 den Stromverlauf in Abhängigkeit von dereinstellbaren Betriebsspannung einer elektrostatischen Beschichtungsanlage für Fahrzeugkarosserien; und

_Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Betriebsüberwachung der Beschichtungsanlage.

[0010] Wenn man in der Spritzkabine z.B. einer elektrostatischen Beschichtungsanlage für serienweise von einem automatischen Fördersystem zugeführte Fahrzeugkarosserien den Betriebsstrom I_B der Hochspannungsquelle in Abhängigkeit von der im Bereich bis beispielsweise 110 kV frei wählbaren Hochspannung zwischen der Sprühvorrichtung und der zu beschichtenden Karosserie mißt, erhält man typisch die in Fig.1 dargestellte Kurve für diesen Strom I_B. Er setzt sich im wesentlichen aus zwei Komponenten zusammen, nämlich einen Nebenschlußstrom IN , der von der Hochspannungsquelle unter Umgehung der (konventionell auf dem Hochspannungspotential liegenden) Sprühvorrichtung über deren Lackzuführungsleitung und sonstige Nebenschlußwege nach Erde fließt, und dem hierzu zu addierenden , in Fig.1 dem vertikalen Abstand zwischen den Kurven der Ströme IN und I_B entsprechenden Elektrodenstrom zwischen Sprühvorrichtung und Werkstück. Weder der Elektrodenstrom noch der Nebenschlußstrom IN können ohne weiteres jeweils für sich allein gemessen werden. Die Kurven der Ströme IN und I_B gelten für einen gegebenen Elektrodenabstand zwischen Werkstück und Sprühvorrichtung und für normale Betriebsbedingungen. Bei Verkleinerung des Elektrodenabstands würde der Elektrodenstrom und damit der Betriebsstrom I_B bis zu einem Durchbruchwert ansteigen, der in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung auf einer ähnlichen (nicht dargestellten) Kurve liegt wie der Betriebsstrom selbst. Zur Vermeidung der _Durchbruchgefahr ist es bekanntlich erforderlich, die Hochspannungsanlage bei Erreichen einer vorbestimmten Stromschwelle entsprechend der Kurve I_AS abzuschalten. Aber auch ohne Änderung des Elektrodenabstands, also ohne Durchbruchgefahr kann der Betriebsstrom I_B im Laufe des Betriebes erheblich ansteigen, und zwar durch Verringerung des Nebenschlußwiderstands gegen Erde mit entsprechendem Anstieg des Nebenschlußstroms IN etwa infolge zunehmender Verschmutzung und/oder durch sonstige Änderungen. Dieser Anstieg beispielsweise auf die Kurven I_N' und I_B', für die dann eigentlich die Abschaltkurve I'_AS gelten würde, kann bei den bekannten Systemen zu einer störenden , jedoch praktisch nicht vermeidbaren Betriebsunterbrechung während des Beschichtungsvorgangs führen.

[0011] Ferner können sich auch für geänderte Normalbedingungen, etwa für andere Elektroden-Normalabstände oder anderen Lacktyp, erheblich anders verlaufende Spannungs/Strom-Kurven ergeben. Im Falle unterschiedlicher Lacksorten, die hinsichtlich ihres elektrischen Widerstands stark voneinander abweichen können, kann der normale Bestriebsstrom z.B. im einen Fall der Kurve des Stroms I_B und im anderen Fall der Kurve I'_B in Fig.1 entsprechen.

[0012] Gemäß dem hier beschriebenen Überwachungsverfahren wird vor Beginn des eigentlichen Beschichtungsbetriebes zunächst unter Normalbedingungen für jeden der wählbaren Spannungswerte, die vorzugsweise in kleinen Schritten von z.B. 1 kV oder 0,5 kV, also quasi stufenlos eingestellt werden, der sich ergebende Wert des Betriebsstroms I_B gemessen. Die Betriebsstromwerte werden vorzugsweise binär codiert und einem Mikroprozessor µP (Fig.2) zugeführt, der hieraus durch Vergrösserung um ein vorbestimmtes Maß (z.B. um 30%) die zu den verschiedenen Sbannungswerten gehörenden Stromschwellwerte gemäß der Kurve I_AS errechnet.' Hierbei können in einem Datenspeicher des Mikroprozessors die gemessenen Betriebsstromwerte und/oder die hieraus errechneten Schwellwerte gespeichert und demgemäß die Rechnungen vor, während oder nach der Speicherung oder evtl. auch erst bei der späteren Datenausgabe durchgeführt werden.

[0013] Es können ohne weiteres auch die Werte verschiedener, für unterschiedliche Normalbedingungen wie z.B. unterschiedliche Lacksorten geltender Spannungs/Strom-Kurven gespeichert und später entsprechend den jeweils geltenden Bedingungen ausgewählt werden.

[0014] Ungeachtet der erwähnten anderen Möglichkeiten erscheit es zweckmässig, unmittelbar die vom Mikroprozessor errechneten Schwellwerte zu speichern. Zum Lesen kann der Speicher durch einen bei A (Fig.2) zugeführten, dem jeweils gewählten Spannungswert entsprechenden Binärcode adressiert werden. Während des Beschichtungsbetriebes werden die gelesenen Bits des ebenfalls aus einem Binärcode bestehenden Schwellwertes parallel einem in der Steuerschaltung ST enthaltenden binären Vergleichsschaltwerk (nicht dargestellt) zugeführt, das an seinen anderen Eingängen die parallel von einem A/D-Wandler zugeführten Bits eines dem laufend gemessenen Betriebsstrom I_ist entsprechenden weiteren Binärcodes empfängt. Wenn der Betriebsstrom I_ist den gespeicherten Schwellwert erreicht, erzeugt der vom Vergleichsschaltwerk gesteuerte Mikroprozessor ein Abschaltsignal Ab für die Hochspannungsquelle HS.

[0015] Der Mikroprozessor kann Befehle von einer übergeordneten Prozess-Steuerung erhalten, die ihm u.a. ein Ein/Aus-Signal, die gewählte Spannung am Eingang A, ein Signal "Ändern" zur Steuerung der Übernahme des Spannungscodes am Eingang A von einem Datenbus der Prozess-Steuerung sowie an einem Eingang W Signale für die Auswahl ggf._.gespeicherter verschiedener Spannungs/Strom-Kurven liefert. Aufgrund des Spannungscodes am Eingang A kann der Mikroprozessor seinerseits über einen D/A-Wandler ein entsprechendes analoges Steuersignal U_soll an die Hochspannungsquelle HS weitergeben. Ferner kann der Mikroprozessor Störmeldungen von der Hochspannungsquelle HS empfangen bzw. für die Prozess-Steuerung erzeugen.

[0016] In _Fig.1 ist zwischen der Kurve des Betriebsstroms I_B und der Abschaltkurve lAS eine weitere Kurve I_ZS dargestellt. Hierbei handelt es sich um Zwischenschwellwerte, die ähnlich wie die Abschaltschwellwerte gemäß der Kurve lAS vom Mikroprozessor aufgrund der zunächst gemessenen Normalwerte des Betriebsstroms I_B errechnet, gespeichert und ständig mit dem tatsächlichen Betriebsstrom I_ist verglichen werden. Bei Überschreiten der Zwischenschwellwerte der Kurve I_ZS (die z.B. um 15% höher sein können als der normale Betriebsstrom I_B) wird aber nicht die Hochspannungsquelle HS abgeschaltet, sondern nur am Ausgang V der Steuerschaltung ST ein akustisches und/oder optisches Vorwarnsignal für das Bedienungspersonal erzeugt. Das Bedienungspersonal erhält dadurch die Möglichkeit, bei einem allmählichen Anstieg des Betriebsstroms zu einem geeigneten Zeitpunkt wie etwa nach Fertigbeschichtung einer Karosserie die Anlage zu überprüfen und ggf. bei fortgeschrittener Verschmutzung oder anderen relativ langsamen Betriebsänderungen vor Fortsetzung des Beschichtungsbetriebes zunächst wieder den Normalzustand herbeizuführen. Dadurch können überraschende Betriebsunterbrechungen zu einem ungünstigen Zeitpunkt, die nicht wegen Durchbruchgefahr erforderlich wären, auf einfache Weise vermieden werden. Der dem vertikalen Abstand zwischen den Kurven I_ZS und I _AS in Fig.1 entsprechende Vorwarnbereich ist so groß bemessen, daß dem Personal genügend Zeit bleibt, einen geeigneten Zeitpunkt für die Überprüfung abzuwarten.

[0017] Wenn sich der nur für bestimmte Normalbedingungen geltende Betriebsstrom I_B und folglich die darauf beruhenden Kurven I_ZS und I_AS aufgrund geänderter Betriebsparameter wie insbesondere eines anderen Lackmaterials ändert, deren Einfluß auf den Betriebsstrom bekannt ist, ist es nicht unbedingt notwendig, erneut vor Betriebsbeginn die normalen Betriebsstromwerte durch Messen zu ermitteln. In solchen Fällen ist es dem Rechner vielmehr möglich, die nun geltenden Schwellwerte selbst zu errechnen und unterschiedliche Kurven für die unterschiedlichen Betriebsparameter zu speichern. Die unterschiedlichen Kurven werden durch die schon erwähnten Signale am Eingang W je nach Bedarf ausgewählt.

[0018] Bei der hier beschriebenen Vorrichtung hat das Personal noch weitere bisher nicht bestehende Überprüfungsmöglichkeiten. Insbesondere ist eine von der Rechen- und Steuerschaltung ST gesteuerte Anzeigeeinrichtung AZ vorgesehen, mit der der jeweils gemessene Betriebsstrom I_ist zusammen mit den zu der jeweils gewählten Hochspannung gehörenden gespeicherten Schwellwerten und außerdem die tatsächliche Spannung U_ist optisch anzeigbar sind. Die Ist-Werte werden durch A/D-Wandler in Binärinformationen umgewandelt. Bei der Anzeigeeinrichtung kann es sich um ein Digitalanzeigegerät und/oder ein Sichtgerät in Gestalt eines Monitors handeln, denen die anzuzeigende Information in Form paralleler Bits am Ausgang Z der Steuerschaltung ST zugeführt wird. Zu diesem Zweck erhält die Steuerschaltung am Eingang _B Befehlssignale zur Ausgabe der gewünschten Information. Das Bedienungspersonal kann sich daher vor allem auch bei Erscheinen des Warnsignals am Ausgang V ein Bild vom jeweiligen Betriebszustand machen.

[0019] _Da bei jedem vorhandenen Zerstäuber dessen eigene Hochspannung überwacht werden soll, ist es zweckmässig, für jeden Zerstäuber eine Schaltungsplatte zu installieren, die u.a. mit den Mikroprozessor µP und die Steuerschaltung ST enthaltenden integrierten Schaltkreisen bestückt und mit wenig Aufwand realisierbar ist.

[0020] Das hier beschriebene System der selbsttätigen Anpassung einer Abschaltstromschwelle an die jeweils gewählte Spannung kann ohne weiteres mit anderen Sicherheitsabschaltsystemen kombiniert werden, insbesondere mit dem aus der (eingangs erwähnten) DE-OS 27 34 341 bekannten System. Demgemäss kann es erforderlich sein, die Hochspannung der Beschichtungsanlage schon vor Erreichen der erwähnten Abschaltstromschwelle abzuschalten, nämlich z.B. dann, wenn sich der Strom schneller, also innerhalb einer gegebenen Zeitspanne um einen größeren Betrag oder Prozentwert ändert, als aus Sicherheitsgründen zulässig ist.

Ansprüche

1. Verfahren zur Betriebsüberwachung einer mit wahlweise veränderbarer Hochspannung betriebenen elektrostatischen Beschichtungsanlage für große, insbesondere von einem automatischen Fördersystem zugeführte Werkstücke, wie z.B. Fahrzeugkarosserien , wobei für die verschiedenen wählbaren Hochspannungswerte jeweils zunächst der normale Betriebsstrom der Hochspannungsquelle sowie ein höherer Stromschwellwert bestimmt werden, bei dessen Überschreiten die Gefahr eines Spannungsdurchbruchs zwischen der Beschichtungsanlage und dem Werkstück besteht, und dann während der Beschichtung ständig der Betriebsstrom gemessen und bei Erreichen der in Abhängigkeit von der gewählten Hochspannung geltenden Stromschwelle selbsttätig die Hochspannung abgeschaltet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vor dem Beschichten gemessenen Strom-Normalwerte für die jeweiligen Spannungswerte und/oder die aufgrund der Normalwerte bestimmten Schwellwerte gemeinsam gespeichert werden, und daß der während des Beschichtens gemessene Betriebsstrom jeweils mit dem entsprechend der eingestellten Spannung selbsttätig ausgewählten gespeicherten Wert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet daß die Normal- bzw. Schwellwerte des Stromes als Binärdaten gespeichert werden, und daß die Stromschwellwerte aus den Normalwerten digital errechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß aufgrund der gespeicherten Werte in Abhängigkeit von den gewählten Spannungswerten selbsttätig jeweils ein zwischen dem Normalwert und dem Abschaltschwellwert liegender Zwischenschwellwert eingestellt wird, bei dessen Überschreiten ein Warnsignal erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Normal- bzw. Schwellwerte für unterschiedliche Lacksorten oder sonstige Betriebsbedingungen gemeinsam gespeichert und die gespeicherten Werte aufgrund der im Betrieb jeweils geltenden Bedingungen ausgewählt werden.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechen- und Steuerschaltung (ST) vorgesehen ist, die einen Mikroprozessor (gP) und einen durch die gewählten Hochspannungswerte adressierbaren Speicher für den vorbestimmten Normalwerten und/oder Schwellwerten entsprechende Binärdaten enthält, und daß mit den Datenausgängen des Speichers eine binäre Vergleichsschaltung verbunden ist, der der gemessene Betriebsstrom (I_ist) über einen A/D-Wandler zugeführt wird.

6.) Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeich- net, daß der Speicher sowohl die Zwischenschwellwerte als auch die Abschaltschwellwerte als aufgrund der gemessenen Normalwerte errechnete Binärdaten enthält, und daß die Steuerschaltung (ST) aufgrund des Vergleiches mit dem gemessenen Strom (I_ist) bei Erreichen oder Überschreiten des jeweiligen Zwischenschwellwerts das Warnsignal (Ausgang V) für das Bedienungspersonal und bei Erreichen des jeweiligen Abschaltschwellwertes das Abschaltsignal für die Hochspannungsquelle (HS) erzeugt.

7.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Rechen- und Steuerschaltung (ST) gesteuerte Anzeigeeinrichtung (AZ) vorgesehen ist, mit der der jeweils gemessene Betriebsstrom (Iist) und die zu der jeweils gewählten Hochspannung gehörenden gespeicherten Schwellwerte optisch anzeigbar sind.

Zeichnung