熱泵熱水器裝配檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金慧萍，楊家富，張文武

(1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.淮安普新機(jī)電有限公司，江蘇 淮安 223001)

0 引言

熱泵熱水器是利用逆卡諾原理，通過(guò)介質(zhì)把熱量從低溫物體傳遞到高溫水里的設(shè)備，是繼燃?xì)鉄崴?、電熱水器、太?yáng)能熱水器的新一代熱水裝置[1]。熱泵熱水器擁有其高效率、低成本特點(diǎn)使其逐漸成為“第四代熱水器”的核心，是未來(lái)熱水器的發(fā)展方向。目前熱泵市場(chǎng)發(fā)展非常迅速，每年都在成倍增長(zhǎng)，由于熱泵熱水器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和繁多的生產(chǎn)工序，生產(chǎn)效率和品質(zhì)受到技術(shù)水平的限制。許多發(fā)達(dá)國(guó)家，如澳大利亞、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、馬來(lái)西亞等，由于先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，包括空氣能熱水器在內(nèi)的熱泵產(chǎn)品已進(jìn)入了大多數(shù)家庭[1]；在國(guó)內(nèi)，熱泵熱水器的生產(chǎn)正處在發(fā)展階段，大多數(shù)熱水器廠家的生產(chǎn)過(guò)程以手工操作為主導(dǎo)，或者依靠一些簡(jiǎn)單的設(shè)備來(lái)操作，由于加工工藝分散，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。針對(duì)熱泵熱水器生產(chǎn)的特點(diǎn)和所存在的問題，需把所有的加工工藝集中化、技術(shù)加強(qiáng)化，因此設(shè)計(jì)了一套完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)化熱泵熱水器裝配檢測(cè)生產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)裝配和檢測(cè)功能。

1 熱泵裝配檢測(cè)線線體結(jié)構(gòu)和工作流程

1.1 線體結(jié)構(gòu)

熱泵熱水器的生產(chǎn)過(guò)程要經(jīng)過(guò)許多裝配檢測(cè)工序，其生產(chǎn)過(guò)程中主要的裝配檢測(cè)工序有：放底盤、安裝壓縮機(jī)、固定焊接、抽真空、鹵檢、氦檢、和熱水器性能檢測(cè)，裝配檢測(cè)完畢后，再經(jīng)過(guò)清理、貼標(biāo)牌、打包后才完成生產(chǎn)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)中，這些工序比較分散，需要更多的場(chǎng)地、勞動(dòng)力，檢測(cè)技術(shù)的效率比較低，為了能將所有工序集中統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的裝配檢測(cè)，根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一條全自動(dòng)裝配檢測(cè)生產(chǎn)線，以解決工序不能統(tǒng)一的問題，并且將抽真空和性能檢測(cè)等復(fù)雜的工序簡(jiǎn)單化、效率化。由于熱泵裝配檢測(cè)的不同工序和不同技術(shù)要求，把線體設(shè)計(jì)成四段，每段線體完成對(duì)應(yīng)的裝配檢測(cè)工序，這樣使得裝配具有較強(qiáng)的針對(duì)性，以提高線體的可靠性和穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)的熱泵裝配檢測(cè)生產(chǎn)線線體總長(zhǎng)約為38m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。前鏈板線主要完成上線、安裝壓縮機(jī)、焊接、抽真空、鹵檢、安檢等工藝，其中抽真空工藝是由一條抽真空環(huán)形線完成，對(duì)經(jīng)過(guò)鏈板線上抽真空位的熱泵隨動(dòng)抽真空；前滾筒線主要對(duì)熱泵裝置自動(dòng)檢測(cè)，與六工位檢測(cè)臺(tái)一起完成對(duì)熱泵性能檢測(cè)；后鏈板線完成二次安檢、鹵檢、清潔等工藝；后滾筒線完成對(duì)邊、打包和下線三項(xiàng)工藝。線體能有條不紊的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線檢測(cè)工藝。

圖1 裝配檢測(cè)線線體結(jié)構(gòu)

1.2 工作流程

根據(jù)熱泵裝配檢測(cè)生產(chǎn)線線體結(jié)構(gòu)，在考慮到滿足裝配檢測(cè)要求和提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，合理設(shè)計(jì)了線體的工作流程：生產(chǎn)線開始運(yùn)行時(shí)，前鏈板線、前滾筒線、后鏈板線、后滾筒線、抽真空環(huán)形線同時(shí)運(yùn)行，熱泵從上線開始，依次經(jīng)過(guò)前鏈板線上的1—13號(hào)工位，每個(gè)工位由操作人員完成相關(guān)操作，熱泵經(jīng)過(guò)6號(hào)工位時(shí)，環(huán)形抽真空線上面的#1-#5帶有真空泵的小車運(yùn)行到相對(duì)應(yīng)的位置，對(duì)經(jīng)過(guò)6號(hào)工位上的每個(gè)熱泵抽真空。抽真空過(guò)程中，鏈板線與環(huán)形線的速度保持一致，依次分別有4個(gè)真空小車分別對(duì)4個(gè)熱泵同時(shí)抽真空。熱泵經(jīng)過(guò)前滾筒線工位時(shí)，滾筒線內(nèi)部的6個(gè)升降臺(tái)和側(cè)旁相對(duì)應(yīng)的6個(gè)工件檢測(cè)臺(tái)聯(lián)合對(duì)經(jīng)過(guò)線體的熱泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)檢測(cè)，升降臺(tái)和檢測(cè)臺(tái)分別由電機(jī)控制進(jìn)料、出料和氣缸上升。線體運(yùn)行時(shí)，線體每個(gè)工位上方有照明燈和指示運(yùn)行狀態(tài)的三色燈，工位旁邊裝有緊急停止按鈕，以確保整個(gè)生產(chǎn)線安全運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)組成及硬件組態(tài)

2.1 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要控制的對(duì)象為：控制前鏈板線、前滾筒線、后鏈板線、后滾筒線運(yùn)行的交流異步電機(jī)；抽真空環(huán)形線上隨動(dòng)真空小車；前滾筒線的六工位檢測(cè)臺(tái)上的6個(gè)升降臺(tái)和6個(gè)工件檢測(cè)臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，PLC輸入模塊用了各種復(fù)位保持按鈕、選擇開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)以實(shí)現(xiàn)其功能，熱泵檢測(cè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)為：電源模塊PS307、CPU模塊313C-2DP(該CPU自帶PROFIBUS電纜，16位的數(shù)字量輸入DI16和16位的數(shù)字量輸出DO16)、數(shù)字量輸入模塊DI32 ×DC 24 V、數(shù)字量輸出模塊DO32×DC 24 V、8位模擬量輸出模塊AO8×12 Bit、4位模擬量輸出模塊AO4×12 Bit。整個(gè)電路控制系統(tǒng)中，有86個(gè)數(shù)字輸入量，99個(gè)數(shù)字輸出量，10個(gè)模擬輸出量，該硬件組態(tài)滿足所有點(diǎn)數(shù)的要求。PLC輸入量有啟動(dòng)、暫停、進(jìn)料、出料按鈕，手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇開關(guān)，接近開關(guān)，光電感應(yīng)開關(guān)，PLC輸出控制線體電機(jī)，真空小車電機(jī)，氣缸等電氣設(shè)備。OP177B觸摸屏有一個(gè)MPI多點(diǎn)接口和PROFIBUF-DP網(wǎng)絡(luò)，本次采用PROFIBUS-DP與CPU通訊。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用了STEP7V5.5編程軟件，編程語(yǔ)言為L(zhǎng)AD梯形圖 、S7-GRAPH、STL語(yǔ)句表相結(jié)合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。手動(dòng)工作方式下，在設(shè)計(jì)好的觸摸屏上按各種按鈕和硬件上相應(yīng)的操作按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的操作，通過(guò)軟件功能把按鈕信號(hào)變?yōu)檩敵鲂盘?hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作；在自動(dòng)工作方式下，通過(guò)軟件功能不斷地讀取各輸入信號(hào)的狀態(tài)值，然后根據(jù)狀態(tài)值結(jié)合工藝需求作出下一步動(dòng)作的判斷，并輸出相應(yīng)的信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)采用順序控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照生產(chǎn)工藝的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有序地進(jìn)行操作。在程序設(shè)計(jì)中，整個(gè)線體都是順序運(yùn)行，真空環(huán)形線和檢測(cè)臺(tái)的程序設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

3.1 抽真空環(huán)形線程序設(shè)計(jì)

抽真空環(huán)形線上的抽真空小車要保證能同在環(huán)形線上有序運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)抽真空時(shí)間最大化，在程序設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了小車在環(huán)形線一側(cè)慢速運(yùn)行抽真空，在環(huán)形線另一側(cè)小車快速返回，在環(huán)形線兩端為小車能留下更多的等待時(shí)間來(lái)接上和拔出抽真空裝置。軟件中當(dāng)一個(gè)小車處于快速位就限制其他小車均處在慢速度位，為了配合抽真空小車的運(yùn)行速度，當(dāng)小車檢測(cè)到快變慢檢測(cè)開關(guān)后，延時(shí)10s再轉(zhuǎn)為慢速狀態(tài)，這樣就能保證小車有序、互不碰撞的運(yùn)行。小車運(yùn)行的程序流程圖如圖3所示。

圖3 抽真空環(huán)形線小車運(yùn)行流程圖

3.2 運(yùn)行檢測(cè)臺(tái)程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)臺(tái)的設(shè)計(jì)程序采用順序控制，熱泵運(yùn)行到自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)，開始進(jìn)料檢測(cè)時(shí)，可通過(guò)操作按鈕選擇自動(dòng)進(jìn)料和手動(dòng)進(jìn)料兩種模式：在自動(dòng)進(jìn)料模式下，當(dāng)某個(gè)升降臺(tái)光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到有熱泵，其對(duì)應(yīng)檢測(cè)臺(tái)上的光電開關(guān)沒有熱泵感應(yīng)，則判斷該檢測(cè)工位為空閑工位，此時(shí)熱泵進(jìn)料，當(dāng)檢測(cè)完畢，按出料按鈕后出料，此工位繼續(xù)等待下一個(gè)熱泵自動(dòng)進(jìn)料；在手動(dòng)進(jìn)料模式下，操作人員看到熱泵到了升降臺(tái)感應(yīng)開關(guān)的位置，并且對(duì)應(yīng)檢測(cè)臺(tái)上處于空閑狀態(tài)時(shí)，按進(jìn)料按鈕進(jìn)料，檢測(cè)完畢后，按出料按鈕出料。在熱泵進(jìn)出料過(guò)程中，整個(gè)摩擦滾臺(tái)運(yùn)行停止，進(jìn)料出料完畢，摩擦滾臺(tái)開始運(yùn)行。

軟件設(shè)計(jì)的熱泵的進(jìn)料過(guò)程為：工件進(jìn)料時(shí)，升降臺(tái)氣缸上升，摩擦滾臺(tái)運(yùn)行停止，升降臺(tái)電機(jī)和檢測(cè)臺(tái)電機(jī)正轉(zhuǎn)，工件進(jìn)料，檢測(cè)臺(tái)光電開關(guān)檢測(cè)到進(jìn)入的工件后，進(jìn)料完成，升降臺(tái)氣缸下降，摩擦滾臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行。出料過(guò)程：工件檢測(cè)完畢，按出料按鈕，升降臺(tái)氣缸上升，摩擦滾臺(tái)運(yùn)行停止，升降臺(tái)電機(jī)和檢測(cè)臺(tái)電機(jī)反轉(zhuǎn)，工件出料，升降臺(tái)光電開關(guān)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)出去的工件后，氣缸下降，摩擦滾臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行，工件自動(dòng)檢測(cè)程序流程圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)臺(tái)工件自動(dòng)進(jìn)料程序流程圖

4 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)采用WINCC flexible 2008組態(tài)軟件，與編程軟件STEP7V5.5集成在一起，控制系統(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)和組態(tài)工具。觸摸屏由主界面、手動(dòng)調(diào)試界面、參數(shù)設(shè)置界面、狀態(tài)監(jiān)控界面組成，主界面包含了生產(chǎn)線名稱，總功率等信息；手動(dòng)調(diào)試界面對(duì)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能執(zhí)行單步調(diào)試動(dòng)作，有主線體、真空小車、升降臺(tái)氣缸、升降臺(tái)電機(jī)、檢測(cè)臺(tái)電機(jī)等；參數(shù)設(shè)置界面對(duì)主線體的運(yùn)行速度、小車運(yùn)行慢速度和快速度進(jìn)行設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置里面主要設(shè)定變頻器的各頻率，由PLC和D/A輸出模塊轉(zhuǎn)換成0-10 V的模擬量輸出給變頻器的輸入端子，調(diào)節(jié)主線體和真空小車各電機(jī)的速度；狀態(tài)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示各線體的實(shí)際運(yùn)行速度、真空小車目前的運(yùn)行速度、6個(gè)工位檢測(cè)臺(tái)的空閑狀況和檢測(cè)時(shí)間監(jiān)控。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的熱泵裝配檢測(cè)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化，所有工位集中在主線體上完成，控制過(guò)程高度集中，易于操作，故障處理及時(shí)，運(yùn)行更加可靠。設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)最后投入生產(chǎn)，并已生產(chǎn)運(yùn)行多日，與之前的人工手動(dòng)裝配檢測(cè)相比，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，由于人工的減少和自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本?；诒鞠到y(tǒng)的工作特點(diǎn)，它的應(yīng)用前景也非常廣泛，也可以應(yīng)用到其他類似產(chǎn)品生產(chǎn)的生產(chǎn)線上，本次生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)有很好的推廣價(jià)值。

[1] 中國(guó)熱泵熱水器(空氣源熱泵)市場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)與未來(lái)前景預(yù)測(cè)報(bào)告[R].(北京) 中國(guó)報(bào)告網(wǎng)，2012.

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