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(diǎn)使其逐漸成為“第四代熱水器”的核心，是未來熱水器的發(fā)展方向。目前熱泵市場發(fā)展非常迅速，每年都在成倍增長，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)國家，如澳大利亞、英國、法國、德國、日本、馬來西亞等，由于先進(jìn)的自動化生產(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)過程以手工操作為主導(dǎo)，或者依靠一些簡單的設(shè)備來操作，由于加工工藝分散，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。針對熱泵熱水器生產(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)計了一套完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化熱泵熱水器裝配檢測生產(chǎn)線，以實現(xiàn)其自動裝配和檢測功能。

1 熱泵裝配檢測線線體結(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)過程要經(jīng)過許多裝配檢測工序，其生產(chǎn)過程中主要的裝配檢測工序有：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，裝配檢測完畢后，再經(jīng)過清理、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，需要更多的場地、勞動力，檢測技術(shù)的效率比較低，為了能將所有工序集中統(tǒng)一，實現(xiàn)全自動的裝配檢測，根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)要求，設(shè)計了一條全自動裝配檢測生產(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等復(fù)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(shù)要求，把線體設(shè)計成四段，每段線體完成對應(yīng)的裝配檢測工序，這樣使得裝配具有較強(qiáng)的針對性，以提高線體的可靠性和穩(wěn)定性。

設(shè)計的熱泵裝配檢測生產(chǎn)線線體總長約為38m，結(jié)構(gòu)簡圖如圖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，對經(jīng)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(xiàn)生產(chǎn)線檢測工藝。

圖1 裝配檢測線線體結(jié)構(gòu)

1.2 工作流程

根據(jù)熱泵裝配檢測生產(chǎn)線線體結(jié)構(gòu)，在考慮到滿足裝配檢測要求和提高生產(chǎn)效率的同時，合理設(shè)計了線體的工作流程：生產(chǎn)線開始運(yùn)行時，前鏈板線、前滾筒線、后鏈板線、后滾筒線、抽真空環(huán)形線同時運(yùn)行，熱泵從上線開始，依次經(jīng)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(guān)操作，熱泵經(jīng)過6號工位時，環(huán)形抽真空線上面的#1-#5帶有真空泵的小車運(yùn)行到相對應(yīng)的位置，對經(jīng)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(huán)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(jīng)過前滾筒線工位時，滾筒線內(nèi)部的6個升降臺和側(cè)旁相對應(yīng)的6個工件檢測臺聯(lián)合對經(jīng)過線體的熱泵實現(xiàn)自動或手動檢測，升降臺和檢測臺分別由電機(jī)控制進(jìn)料、出料和氣缸上升。線體運(yùn)行時，線體每個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(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)以實現(xiàn)其功能，熱泵檢測生產(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。整個電路控制系統(tǒng)中，有86個數(shù)字輸入量，99個數(shù)字輸出量，10個模擬輸出量，該硬件組態(tài)滿足所有點(diǎn)數(shù)的要求。PLC輸入量有啟動、暫停、進(jìn)料、出料按鈕，手動/自動模式選擇開關(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

PLC軟件設(shè)計運(yùn)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(jié)合，系統(tǒng)設(shè)計了手動和自動兩種工作方式。手動工作方式下，在設(shè)計好的觸摸屏上按各種按鈕和硬件上相應(yīng)的操作按鈕來實現(xiàn)不同的操作，通過軟件功能把按鈕信號變?yōu)檩敵鲂盘栻?qū)動對應(yīng)的機(jī)構(gòu)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(tài)值，然后根據(jù)狀態(tài)值結(jié)合工藝需求作出下一步動作的判斷，并輸出相應(yīng)的信號通過驅(qū)動電路來驅(qū)動機(jī)構(gòu)動作。控制系統(tǒng)采用順序控制方法進(jìn)行設(shè)計，按照生產(chǎn)工藝的順序，在各個輸入信號作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動有序地進(jìn)行操作。在程序設(shè)計中，整個線體都是順序運(yùn)行，真空環(huán)形線和檢測臺的程序設(shè)計較為復(fù)雜。

3.1 抽真空環(huán)形線程序設(shè)計

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)行并實現(xiàn)抽真空時間最大化，在程序設(shè)計中，設(shè)計了小車在環(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間來接上和拔出抽真空裝置。軟件中當(dāng)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(yùn)行速度，當(dāng)小車檢測到快變慢檢測開關(guān)后，延時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)行檢測臺程序設(shè)計

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

軟件設(shè)計的熱泵的進(jìn)料過程為：工件進(jìn)料時，升降臺氣缸上升，摩擦滾臺運(yùn)行停止，升降臺電機(jī)和檢測臺電機(jī)正轉(zhuǎn)，工件進(jìn)料，檢測臺光電開關(guān)檢測到進(jìn)入的工件后，進(jìn)料完成，升降臺氣缸下降，摩擦滾臺繼續(xù)運(yùn)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(yùn)行停止，升降臺電機(jī)和檢測臺電機(jī)反轉(zhuǎn)，工件出料，升降臺光電開關(guān)檢測到對應(yīng)出去的工件后，氣缸下降，摩擦滾臺繼續(xù)運(yùn)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(jìn)料程序流程圖

4 觸摸屏設(shè)計

觸摸屏軟件設(shè)計采用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)庫和組態(tài)工具。觸摸屏由主界面、手動調(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；手動調(diào)試界面對所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能執(zhí)行單步調(diào)試動作，有主線體、真空小車、升降臺氣缸、升降臺電機(jī)、檢測臺電機(jī)等；參數(shù)設(shè)置界面對主線體的運(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)控界面實時顯示各線體的實際運(yùn)行速度、真空小車目前的運(yùn)行速度、6個工位檢測臺的空閑狀況和檢測時間監(jiān)控。

5 結(jié)論

設(shè)計的熱泵裝配檢測生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到設(shè)計要求，實現(xiàn)了生產(chǎn)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(yùn)行更加可靠。設(shè)計的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)最后投入生產(chǎn)，并已生產(chǎn)運(yùn)行多日，與之前的人工手動裝配檢測相比，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化，可實現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本。基于本系統(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)計有很好的推廣價值。

[1] 中國熱泵熱水器(空氣源熱泵)市場運(yùn)行態(tài)勢與未來前景預(yù)測報告[R].(北京) 中國報告網(wǎng)，2012.

[2] 譚俊.現(xiàn)代PLC控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展[J].科技創(chuàng)新，2012，7：68-69.

[3] 呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010，31(8)：45-51.

[4] 劉文生.PLC與觸摸屏的綜合應(yīng)用[J].遼寧師專學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，11(1)：87-88.

[5] AyeL，Charters W W S，Chairchana C.Solar heat pump systems for domestic hot water [J].Solar Energy，2002，73(3)：169-175.

[6] Kamil Kaygusuz.Experimental and theoretical investigation of a solar heating system with heat pump [J].Renewable Energy，2000，21：79-102.

[7] 韓志超，桑斌修.PLC與觸摸屏通訊的實現(xiàn)和應(yīng)用[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2006，9(3)：53-55.