熱泵熱水器裝配檢測控制系統設計

金慧萍，楊家富，張文武

(1.南京林業大學 機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；2.淮安普新機電有限公司，江蘇 淮安 223001)

0 引言

熱泵熱水器是利用逆卡諾原理，通過介質把熱量從低溫物體傳遞到高溫水里的設備，是繼燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器的新一代熱水裝置[1]。熱泵熱水器擁有其高效率、低成本特點使其逐漸成為“第四代熱水器”的核心，是未來熱水器的發展方向。目前熱泵市場發展非常迅速，每年都在成倍增長，由于熱泵熱水器復雜的結構和繁多的生產工序，生產效率和品質受到技術水平的限制。許多發達國家，如澳大利亞、英國、法國、德國、日本、馬來西亞等，由于先進的自動化生產技術，包括空氣能熱水器在內的熱泵產品已進入了大多數家庭[1]；在國內，熱泵熱水器的生產正處在發展階段，大多數熱水器廠家的生產過程以手工操作為主導，或者依靠一些簡單的設備來操作，由于加工工藝分散，嚴重影響了生產效率。針對熱泵熱水器生產的特點和所存在的問題，需把所有的加工工藝集中化、技術加強化，因此設計了一套完全具有自主知識產權的自動化熱泵熱水器裝配檢測生產線，以實現其自動裝配和檢測功能。

1 熱泵裝配檢測線線體結構和工作流程

1.1 線體結構

熱泵熱水器的生產過程要經過許多裝配檢測工序，其生產過程中主要的裝配檢測工序有：放底盤、安裝壓縮機、固定焊接、抽真空、鹵檢、氦檢、和熱水器性能檢測，裝配檢測完畢后，再經過清理、貼標牌、打包后才完成生產。在傳統的生產中，這些工序比較分散，需要更多的場地、勞動力，檢測技術的效率比較低，為了能將所有工序集中統一，實現全自動的裝配檢測，根據生產技術要求，設計了一條全自動裝配檢測生產線，以解決工序不能統一的問題，并且將抽真空和性能檢測等復雜的工序簡單化、效率化。由于熱泵裝配檢測的不同工序和不同技術要求，把線體設計成四段，每段線體完成對應的裝配檢測工序，這樣使得裝配具有較強的針對性，以提高線體的可靠性和穩定性。

設計的熱泵裝配檢測生產線線體總長約為38m，結構簡圖如圖1所示。前鏈板線主要完成上線、安裝壓縮機、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形線完成，對經過鏈板線上抽真空位的熱泵隨動抽真空；前滾筒線主要對熱泵裝置自動檢測，與六工位檢測臺一起完成對熱泵性能檢測；后鏈板線完成二次安檢、鹵檢、清潔等工藝；后滾筒線完成對邊、打包和下線三項工藝。線體能有條不紊的實現生產線檢測工藝。

圖1 裝配檢測線線體結構

1.2 工作流程

根據熱泵裝配檢測生產線線體結構，在考慮到滿足裝配檢測要求和提高生產效率的同時，合理設計了線體的工作流程：生產線開始運行時，前鏈板線、前滾筒線、后鏈板線、后滾筒線、抽真空環形線同時運行，熱泵從上線開始，依次經過前鏈板線上的1—13號工位，每個工位由操作人員完成相關操作，熱泵經過6號工位時，環形抽真空線上面的#1-#5帶有真空泵的小車運行到相對應的位置，對經過6號工位上的每個熱泵抽真空。抽真空過程中，鏈板線與環形線的速度保持一致，依次分別有4個真空小車分別對4個熱泵同時抽真空。熱泵經過前滾筒線工位時，滾筒線內部的6個升降臺和側旁相對應的6個工件檢測臺聯合對經過線體的熱泵實現自動或手動檢測，升降臺和檢測臺分別由電機控制進料、出料和氣缸上升。線體運行時，線體每個工位上方有照明燈和指示運行狀態的三色燈，工位旁邊裝有緊急停止按鈕，以確保整個生產線安全運行。

2 控制系統組成及硬件組態

2.1 控制系統組成

系統主要控制的對象為：控制前鏈板線、前滾筒線、后鏈板線、后滾筒線運行的交流異步電機；抽真空環形線上隨動真空小車；前滾筒線的六工位檢測臺上的6個升降臺和6個工件檢測臺。為了實現系統的控制功能，PLC輸入模塊用了各種復位保持按鈕、選擇開關、接近開關、光電開關以實現其功能，熱泵檢測生產線控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件框圖

2.2 控制系統硬件組態

控制系統的硬件組態結構為：電源模塊PS307、CPU模塊313C-2DP(該CPU自帶PROFIBUS電纜，16位的數字量輸入DI16和16位的數字量輸出DO16)、數字量輸入模塊DI32 ×DC 24 V、數字量輸出模塊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。整個電路控制系統中，有86個數字輸入量，99個數字輸出量，10個模擬輸出量，該硬件組態滿足所有點數的要求。PLC輸入量有啟動、暫停、進料、出料按鈕，手動/自動模式選擇開關，接近開關，光電感應開關，PLC輸出控制線體電機，真空小車電機，氣缸等電氣設備。OP177B觸摸屏有一個MPI多點接口和PROFIBUF-DP網絡，本次采用PROFIBUS-DP與CPU通訊。

3 控制系統軟件設計

PLC軟件設計運用了STEP7V5.5編程軟件，編程語言為LAD梯形圖 、S7-GRAPH、STL語句表相結合，系統設計了手動和自動兩種工作方式。手動工作方式下，在設計好的觸摸屏上按各種按鈕和硬件上相應的操作按鈕來實現不同的操作，通過軟件功能把按鈕信號變為輸出信號驅動對應的機構動作；在自動工作方式下，通過軟件功能不斷地讀取各輸入信號的狀態值，然后根據狀態值結合工藝需求作出下一步動作的判斷，并輸出相應的信號通過驅動電路來驅動機構動作。控制系統采用順序控制方法進行設計，按照生產工藝的順序，在各個輸入信號作用下，根據內部狀態和時間的順序，各執行機構自動有序地進行操作。在程序設計中，整個線體都是順序運行，真空環形線和檢測臺的程序設計較為復雜。

3.1 抽真空環形線程序設計

抽真空環形線上的抽真空小車要保證能同在環形線上有序運行并實現抽真空時間最大化，在程序設計中，設計了小車在環形線一側慢速運行抽真空，在環形線另一側小車快速返回，在環形線兩端為小車能留下更多的等待時間來接上和拔出抽真空裝置。軟件中當一個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行速度，當小車檢測到快變慢檢測開關后，延時10s再轉為慢速狀態，這樣就能保證小車有序、互不碰撞的運行。小車運行的程序流程圖如圖3所示。

圖3 抽真空環形線小車運行流程圖

3.2 運行檢測臺程序設計

檢測臺的設計程序采用順序控制，熱泵運行到自動檢測臺，開始進料檢測時，可通過操作按鈕選擇自動進料和手動進料兩種模式：在自動進料模式下，當某個升降臺光電檢測開關檢測到有熱泵，其對應檢測臺上的光電開關沒有熱泵感應，則判斷該檢測工位為空閑工位，此時熱泵進料，當檢測完畢，按出料按鈕后出料，此工位繼續等待下一個熱泵自動進料；在手動進料模式下，操作人員看到熱泵到了升降臺感應開關的位置，并且對應檢測臺上處于空閑狀態時，按進料按鈕進料，檢測完畢后，按出料按鈕出料。在熱泵進出料過程中，整個摩擦滾臺運行停止，進料出料完畢，摩擦滾臺開始運行。

軟件設計的熱泵的進料過程為：工件進料時，升降臺氣缸上升，摩擦滾臺運行停止，升降臺電機和檢測臺電機正轉，工件進料，檢測臺光電開關檢測到進入的工件后，進料完成，升降臺氣缸下降，摩擦滾臺繼續運行。出料過程：工件檢測完畢，按出料按鈕，升降臺氣缸上升，摩擦滾臺運行停止，升降臺電機和檢測臺電機反轉，工件出料，升降臺光電開關檢測到對應出去的工件后，氣缸下降，摩擦滾臺繼續運行，工件自動檢測程序流程圖如圖4所示。

圖4 檢測臺工件自動進料程序流程圖

4 觸摸屏設計

觸摸屏軟件設計采用WINCC flexible 2008組態軟件，與編程軟件STEP7V5.5集成在一起，控制系統使用統一的通信協議、數據庫和組態工具。觸摸屏由主界面、手動調試界面、參數設置界面、狀態監控界面組成，主界面包含了生產線名稱，總功率等信息；手動調試界面對所有的執行機構能執行單步調試動作，有主線體、真空小車、升降臺氣缸、升降臺電機、檢測臺電機等；參數設置界面對主線體的運行速度、小車運行慢速度和快速度進行設置。在參數設置里面主要設定變頻器的各頻率，由PLC和D/A輸出模塊轉換成0-10 V的模擬量輸出給變頻器的輸入端子，調節主線體和真空小車各電機的速度；狀態監控界面實時顯示各線體的實際運行速度、真空小車目前的運行速度、6個工位檢測臺的空閑狀況和檢測時間監控。

5 結論

設計的熱泵裝配檢測生產線控制系統，經過反復調試，最終達到設計要求，實現了生產的自動化，所有工位集中在主線體上完成，控制過程高度集中，易于操作，故障處理及時，運行更加可靠。設計的生產線控制系統最后投入生產，并已生產運行多日，與之前的人工手動裝配檢測相比，大大提高了生產效率和產品品質，由于人工的減少和自動化，可實現大批量的生產，降低了生產成本。基于本系統的工作特點，它的應用前景也非常廣泛，也可以應用到其他類似產品生產的生產線上，本次生產線的設計有很好的推廣價值。

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