基于Mega2560的物聯型風機主軸部件加熱裝置概述

內蒙古海裝風電設備有限公司 內蒙古 錫林浩特 026000

前言

本文設計是以基于Arduino開發環境的 Mega2560為主控芯片的物聯型風機主軸部件加熱裝置。該裝置利用傳感器技術、PWM技術，最終實現根據需求的主軸部件的自動加熱控制，并通過ESP8266模塊與服務器和手機APP之間實現數據的實時通信，以實現歷史查詢、現狀查看、未來預測等功能。該裝置的設計大大提高了主軸部件裝配的效率，主軸裝配從粗狂式管理邁向了精細化控制的時代，系統實現物聯網智能控制后，主軸裝配各要素狀態在系統中得到智能識別控制和運算，可充分評估項目生產安排、物資需求及質量檢驗，為實際生產提供了一套可視化的預測管理設備，實現生產裝配的管理精細、控制精準、工藝精湛。

1 系統硬件設計

物聯型風機主軸部件加熱裝置主要是由工頻加熱驅動模塊、Mega2560單片機、傳感器模塊、繼電器、WIFI通訊模塊、聲光指示模塊、觸摸屏模塊等部分組成的。傳感器采用的K型熱電偶和MAX6675 K型熱電偶模數轉換器；工頻加熱驅動模塊采用的是可控硅和單相可控硅移相觸發器DK1-2驅動器；WIFI通訊模塊采用的是ESP8266模塊，觸摸屏采用串口屏。

1.1 主控芯片介紹

本設計的主控制器是Arduino Mega2560開發版作為控制核心,是采用USB接口的核心電路板，處理器是ATmega2560，與其他單片機相比，Arduino是一款具有免費的、開源的IDE單片機，其資源均可以免費下載并根據用戶需求進行修改。Arduino Mega2560主控制器擁有54路數字輸入/輸出和16路模擬輸入，其具有較強的拓展性，有利于與各種傳感器進行連接，Arduino Mega2560開發版與PC機傳輸數據采用USB接口進行傳輸，Arduino Mega2560具有很高數據處理速度和穩定性，Arduino Mega2560也能兼容為Arduino UNO設計的擴展板。

1.2 數據采集模塊

溫度數據采集模塊采用雙路K型熱電偶+MAX6675的結構,K型熱電偶因其線性度好，價格便宜，測量范圍寬而得到廣泛的使用。K型熱電偶串行模數轉換器MAX6675是一個嵌入了12bit模數轉換器復雜的熱電偶數字轉換器。 MAX6675 包含冷端補償和校正電路、一個數字控制器、SPI兼容接口和與之相關的控制邏輯[1]。熱電偶的熱端可以測量 0攝氏度到+1023.75攝氏度的溫度范圍，其溫度分辨能力達0.25攝氏度，可以很好地滿足主軸部件加熱對溫度測量范圍和精度的要求。為了減少電源耦合噪聲的影響，電路在設計時在電源引腳附件放置了1個0.1微法的陶瓷電容器，控制器讀取雙路溫度信號后首先進行數字濾波，再與相鄰檢測數據對比，如果誤差較大則丟棄本次數據后重新檢測；如果數據異常超過閾值則進入系統保護功能，并開啟本地報警模式，同時通過網絡將異常發給操作人員和技術人員，這樣既能快速解決問題又能保護被加熱的工件。

2 系統的軟件設計

2.1 程序設計

程序由服務器智慧模塊程序、控制器程序和終端APP程序三部分組成。首先對模塊進行初始化，程序準備就緒后等待主軸加熱控制器的通訊模塊或終端設備的APP發來請求，如果是終端設備APP發來的請求，要先驗證設備是否是經過系統授權的設備，每臺終端設備都會有一個唯一的識別碼，如果是授權的設備才能根據終端設備APP提出的請求，將服務器或數據庫的數據發給終端設備；如果是主軸加熱控制器發來的請求則分為兩種：第一種是發來運行數據，則將運行數據存入數據中，另一種是發來智能加熱請求，則從數據庫中調出歷史運行的數據，運用基于神經網絡算法的智能分析程序計算出主軸加熱控制器需要的最優參數加密后發給主軸加熱控制器，控制器根據最優參數執行操作。

3 系統實際效果驗證

該設備使用在車間主軸部件加熱安裝工序，系統方案改進前，公司小螞蟻QC小組對2019年3.0MW主軸部件加熱耗時時間進行統計，發現單根主軸部件加熱的平均耗時15.92小時，小組應用排列圖分析后，發現主軸加熱等待耗時占比53.39%，是問題的癥結。系統方案設計改造完成后，主軸部件加熱實現了物聯網遠程控制，部件可在上班前指定時間開啟、遠程監控、物聯網控制，小組成員在某項目上進行隨機抽樣10臺的測試，發現主軸部件加熱平均耗時降至7.27小時。該系統方案在降本增效、精細化管理及自動化信息化改進方面有很好的借鑒和推廣作用，首次將物聯網技術應用的車間裝配制程環節，為我公司高質量發展的技術改進創新起到了帶頭引領作用[2]。

4 結束語

本文設計的物聯型風機主軸部件加熱裝置在測試過程中取得預期的效果，實現了風機主軸部件加熱智能化，裝配效率提升了50%。能夠利用網絡使加熱裝置、服務器、終端APP直接實現數據傳輸，進一步實現了對加熱裝置的智能化控制與監控的功能。該系統于2019年12月完成軟硬件設計改造，到2020年4月至，使用過程中共計節約費用約22.89萬，為公司改進創新、提質增效、質量精細化管理樹立了標桿，同時該設計方案硬件搭建簡單、運行穩定、設計成本較低，系統安全性和智能化程度高，結果接單使用操作便捷，具有一定的行業實用與推廣價值。