車用熱敏電阻式溫度傳感器自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

徐渠

（連云港開(kāi)放大學(xué)，江蘇 連云港 222000）

1 研究溫度傳感器自動(dòng)檢測(cè)裝置的意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)目前汽車保有量接近3億輛。伴隨著汽車保有量的增長(zhǎng)，溫度傳感器的需求量也越來(lái)越大。傳感器是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域的核心元件，是汽車電子控制系統(tǒng)的信息源。傳感器的種類有很多，其中，溫度傳感器在汽車中應(yīng)用廣泛，有進(jìn)氣溫度傳感器、排氣溫度傳感器、變速器油液溫度傳感器、空調(diào)溫度傳感器等。溫度傳感器性能的好壞直接影響汽車行駛的安全性、駕駛的操控性以及駕乘舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性等。溫度傳感器的生產(chǎn)廠家很多，廠家對(duì)每個(gè)溫度傳感器都會(huì)進(jìn)行出廠檢測(cè)，主要包括元件外形尺寸和電氣性能兩個(gè)方面。因?yàn)橹谱饕惶讬z測(cè)裝備需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)、投入物力、財(cái)力，目前，大部分供應(yīng)商為了保證傳感器質(zhì)量，都是靠人工檢測(cè)。而人工檢測(cè)誤檢、漏檢率較高，造成了汽車相關(guān)故障的頻頻發(fā)生。所以設(shè)計(jì)一套整體方案合理，功能齊全、效率高、控制程序簡(jiǎn)潔、故障率低、可靠性高、操作簡(jiǎn)單的非標(biāo)自動(dòng)化檢測(cè)裝置，就顯得尤為重要。

2 檢測(cè)裝置整機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度傳感器的種類多樣，生產(chǎn)廠家也很多，所以不同廠家制造的傳感器都有著各自不同的外形尺寸和電氣參數(shù)，下面主要針對(duì)圖1所示的傳感器的自動(dòng)化檢測(cè)裝置進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的分析，該元件需要進(jìn)行鋁管同心度、鋁管長(zhǎng)度、端子長(zhǎng)度、端子位置、端子阻值檢測(cè)，最后，再把橡膠圈安裝到位。為了使檢測(cè)設(shè)備滿足檢測(cè)要求并兼?zhèn)鋵?shí)用性，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行詳細(xì)縝密的設(shè)計(jì)，整機(jī)共設(shè)了端子位置度檢測(cè)工站、電阻測(cè)試工站、端子長(zhǎng)度檢測(cè)工站、鋁管長(zhǎng)度檢測(cè)工站、鋁管同心度檢測(cè)工站、橡膠圈安裝工站，再加上兩個(gè)上料工站和產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)站、打標(biāo)站、下料站。整體結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。

圖1 溫度傳感器

圖2 檢測(cè)設(shè)備

2.2 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

兩個(gè)上料站利用圓形振動(dòng)盤加直線振動(dòng)機(jī)構(gòu)完成被測(cè)傳感器和橡膠圈的上料，并由氣爪搬運(yùn)到分度盤的夾具上，分度盤的旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；位置度使用定制的通止塊來(lái)檢測(cè)，通止塊可以正常插入元件接口內(nèi)即表示端子位置度正常；端子電阻測(cè)試工站采用歐姆測(cè)試儀對(duì)兩個(gè)端子之間的阻值進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制器判斷阻值是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍；端子長(zhǎng)度采用KEYENCE GT-H10位移傳感器對(duì)端子高度進(jìn)行檢測(cè)；鋁管長(zhǎng)度檢測(cè)采用KEYENCE GT-H10進(jìn)行測(cè)試；鋁管同心度檢測(cè)是夾起被測(cè)溫度傳感器的鋁管使其轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，用GTH10對(duì)鋁管的偏擺進(jìn)行測(cè)量；橡膠圈由送料機(jī)構(gòu)提供后由真空吸嘴吸取安裝到溫度傳感器本體上，在通過(guò)旋轉(zhuǎn)站就傳感器旋轉(zhuǎn)90度，以利于激光打標(biāo)機(jī)對(duì)元件進(jìn)行打標(biāo)；下料站主要完成對(duì)合格元件和不良元件的歸類。

3 電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)控制器和人機(jī)界面

（1）工業(yè)控制器選擇。溫度傳感器自動(dòng)檢測(cè)裝置的各個(gè)工站的動(dòng)作間雖然存在較復(fù)雜的互鎖關(guān)系，但是，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)依然是指按照動(dòng)作流程預(yù)先規(guī)定的順序，自動(dòng)地有秩序地進(jìn)行，整個(gè)流程屬于典型的順序控制。由工業(yè)控制器通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用較多的工業(yè)控制器有DCS、PLC和PAC。

DCS和PLC在工控領(lǐng)域應(yīng)用初期，兩者不管在系統(tǒng)軟硬件還是在控制功能方面，都有著很明顯的區(qū)別；從控制角度而言，DCS主要應(yīng)用于系統(tǒng)控制領(lǐng)域，而PLC擅長(zhǎng)順序控制。在后來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，PLC吸收了DCS系統(tǒng)的一些優(yōu)勢(shì)技術(shù)，特別是在網(wǎng)絡(luò)通信能力和人機(jī)交互能力方面取得了快速的發(fā)展，因而在很多應(yīng)用領(lǐng)域能夠替代DCS控制系統(tǒng)，比如，污水處理系統(tǒng)等。但是，DCS系統(tǒng)也不是裹足不前的，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面也取得了較大的進(jìn)步，不少?gòu)S家也開(kāi)發(fā)了一些個(gè)性化的DCS產(chǎn)品，用來(lái)替代PLC。時(shí)至今日，DCS和PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用區(qū)別越來(lái)越??；相較于DCS，只能說(shuō)PLC開(kāi)放性更好，更側(cè)重于邏輯控制，其獨(dú)立工作能力更強(qiáng)，PLC構(gòu)成的系統(tǒng)成本更低。PAC，可編程自動(dòng)化控制器， 2000年后才出現(xiàn)的新事物，是結(jié)合PLC和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)硬件、軟件的無(wú)縫集成，具有更高的運(yùn)算速度、更大的存儲(chǔ)空間以及更強(qiáng)的通信能力等特性的高度集成的控制器。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)裝置的控制流程為典型的邏輯控制，輸入輸出信號(hào)主要為開(kāi)關(guān)信號(hào)，信號(hào)輸入、輸出距離也較短，不需要遠(yuǎn)距離通信，更無(wú)須復(fù)雜的運(yùn)算能力和運(yùn)算速度。因此，采用PLC實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置的電氣控制是最佳方案。

PLC經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，功能越來(lái)越強(qiáng)，適用范圍越來(lái)越廣，生產(chǎn)廠商也越來(lái)越多。如三菱、西門子、施耐德、臺(tái)達(dá)等，每個(gè)廠家都能提供不同類型的PLC以匹配客戶的需求。本設(shè)計(jì)選用三菱F系列PLC，該系列PLC將電源模塊、CPU模塊和I/O模塊集成為一個(gè)緊湊的單元；體積緊湊，功能豐富、系統(tǒng)配置靈活，具有I/O模塊、模擬模塊、定位模塊以及開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展模塊的選配件，可滿足各種應(yīng)用需求。

PLC硬件系統(tǒng)的配置應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面進(jìn)行綜合考慮。通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)的流程分析，確定了設(shè)備共需要96個(gè)輸入控制點(diǎn)、76個(gè)輸出控制點(diǎn)，綜合其他因素，選用了FX3U-64MT/ES-A基本單元、外加三個(gè)I/O擴(kuò)展單元FX2N-48ETESS/UL。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖3所示。

因?yàn)榛締卧詭У拇诒痪幊陶加?，所以擴(kuò)展了一個(gè)通信模塊FX3U-422-BD，用于和人機(jī)界面通信。另外，三個(gè)I/O擴(kuò)展單元因?yàn)榭刂泣c(diǎn)數(shù)較多，PLC基本單元的電源無(wú)法滿足要求，由系統(tǒng)配置的開(kāi)關(guān)電源供電。

（2）人機(jī)界面選擇。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)操控，該檢測(cè)裝置需要配備人機(jī)界面。人機(jī)界面分硬件和軟件兩部分。目前，工控應(yīng)用領(lǐng)域中主要存在兩種類型，一種是在WINDOWS系統(tǒng)PC硬件平臺(tái)下安裝通用的組態(tài)軟件，該種類型可以連接PLC、變頻器、工控儀表等多種設(shè)備，功能強(qiáng)大，適用于大型監(jiān)控系統(tǒng)；另一種是主要用來(lái)連接PLC、適用于小型監(jiān)控系統(tǒng)的“觸摸屏”，包含HMI硬件和配套的專用組態(tài)軟件。綜合考慮該檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控要求及開(kāi)發(fā)成本，這里選用pro-face“觸摸屏”作為人機(jī)界面，通過(guò)串口與PLC實(shí)現(xiàn)通信。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

檢測(cè)裝置的軟件部分主要包括PLC控制程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)。

（1）PLC程序設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用三菱的GX Work2軟件作為程序開(kāi)發(fā)軟件。該軟件內(nèi)部集成仿真功能，是專門用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的綜合編程工具。

一套完整的PLC程序僅僅保證正確性、可靠性是不夠的，還應(yīng)該保證運(yùn)行的快速性以及程序的可讀性。因此，本設(shè)計(jì)在PLC程序編寫之前對(duì)設(shè)備每個(gè)工站的運(yùn)行流程做了深入的分析和優(yōu)化，然后，進(jìn)行了程序的框架設(shè)計(jì)，再根據(jù)框架對(duì)控制程序進(jìn)行了分段設(shè)置，最后，才對(duì)每個(gè)功能段程序進(jìn)行編寫。本設(shè)計(jì)程序主要分為啟動(dòng)程序段、整體復(fù)位程序段、工站運(yùn)行程序段、工站復(fù)位程序段、調(diào)試—故障報(bào)警程序段、密碼設(shè)置程序段等。為了加強(qiáng)程序的可讀性，本程序采用了梯形圖編寫，且加上了必要的標(biāo)注。另外，因?yàn)镻LC的I/O控制點(diǎn)數(shù)較多，再加上要與觸摸屏交互，需要用到PLC大量的內(nèi)部軟元件，如果隨意分配地址，會(huì)造成程序維護(hù)困難，可讀性降低。因此，本程序設(shè)計(jì)在I/O點(diǎn)及內(nèi)部輔助繼電器分配時(shí)不是拿來(lái)就用，而是按一定規(guī)律分配使用的。

（2）觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置是要滿足實(shí)際應(yīng)用的。設(shè)備除了要具備溫度傳感器質(zhì)量檢測(cè)的基本功能，還要兼顧到實(shí)用功能；比如，不合格產(chǎn)品數(shù)量的統(tǒng)計(jì)、檢測(cè)速度的調(diào)整等功能。因此，上位機(jī)組態(tài)是不可缺的。

本設(shè)計(jì)的組態(tài)是利用普洛菲斯GP-ProEX軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、檢測(cè)結(jié)果展示以及系統(tǒng)監(jiān)控等。人機(jī)界面主畫(huà)面如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成

圖4 人機(jī)界面

主畫(huà)面下可以實(shí)現(xiàn)：生產(chǎn)總產(chǎn)量設(shè)定，如實(shí)際產(chǎn)量超過(guò)此值，設(shè)備將停機(jī)并顯示“產(chǎn)量超過(guò)設(shè)定值”信息；良品和不良品的計(jì)數(shù)；位置度、電阻、高低PIN、鋁管高、同心度各類不良品的計(jì)數(shù)；產(chǎn)量清零；設(shè)備清料，點(diǎn)下此按鈕后設(shè)備將不再進(jìn)料，在設(shè)備內(nèi)已有的產(chǎn)品全部檢測(cè)完畢后設(shè)備將自動(dòng)停止運(yùn)行；程序復(fù)位，點(diǎn)擊此按鈕后，設(shè)備將對(duì)所有零部件及模組進(jìn)行復(fù)位。另外，調(diào)試畫(huà)面主要實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備處于“手動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，操作人員可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行單一元件的手動(dòng)操作檢測(cè)；設(shè)定畫(huà)面可以設(shè)定分度盤伺服馬達(dá)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度、同心度馬達(dá)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)速度、同心度馬達(dá)檢測(cè)時(shí)旋轉(zhuǎn)的度數(shù)等參數(shù)，從而改變檢測(cè)設(shè)備的速度；用戶畫(huà)面是實(shí)現(xiàn)密碼的修改功能；監(jiān)控畫(huà)面為PLC的I/O點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可觀察是否有傳感器發(fā)生故障。

4 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)備設(shè)計(jì)選用三菱的FX3U系列PLC作為控制器，滿足了控制中安全可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)的要求；在程序設(shè)計(jì)上滿足了工藝要求；結(jié)合觸摸屏，又實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的可調(diào)、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控功能及故障報(bào)警等功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，開(kāi)發(fā)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備已能滿足使用要求。