李敏 鄒建洪 林雪玉 秦悅寧 李建雄 楊柳

（1江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，2湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和現(xiàn)代化現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)很多行業(yè)中得到了應(yīng)用，自動(dòng)化控制大大減輕了人工負(fù)擔(dān)，有效提升了工作效率，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)自動(dòng)化的應(yīng)用也是科技發(fā)展的體現(xiàn)。本文對(duì)公司空載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化改造，逐步實(shí)現(xiàn)公司綜合傳動(dòng)裝置空載試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化，以自動(dòng)化為橋梁探索符合工廠實(shí)際的智能制造方法。

1 現(xiàn)狀問(wèn)題分析

公司內(nèi)多臺(tái)空載試驗(yàn)臺(tái)，用于某系列綜合傳動(dòng)裝置出廠檢驗(yàn)的空載試驗(yàn)。單臺(tái)產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程累計(jì)317個(gè)操作步驟，且需要對(duì)803 項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)1852 項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，試驗(yàn)操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，空載試驗(yàn)臺(tái)的產(chǎn)能已經(jīng)開(kāi)始逐漸跟不上日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)計(jì)劃。

另一方面空載試驗(yàn)臺(tái)交驗(yàn)效率低。試驗(yàn)人員磨合試驗(yàn)自檢合格后，需要再次進(jìn)行磨合試驗(yàn)，由檢驗(yàn)員現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證各項(xiàng)數(shù)據(jù)合格才能進(jìn)行下一步試驗(yàn)。完成最終試驗(yàn)后需手動(dòng)打印后進(jìn)行人工匯總，對(duì)同批次產(chǎn)品綜合性能的統(tǒng)計(jì)分析較為不便。

2 預(yù)期效果

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及流程要求，對(duì)空載磨合試驗(yàn)、空載轉(zhuǎn)向試驗(yàn)、空載直使試驗(yàn)、拖泵試驗(yàn)、風(fēng)扇泵空載試驗(yàn)、齒輪泵空載和加載試驗(yàn)及密封試驗(yàn)等各個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中被試件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、壓力、流量、空損等幾千項(xiàng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采集，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和被試件異常現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)警和安全停車。利用遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)，可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)集中管理，可利用接口擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控功能。

3 方案實(shí)施

空載試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化改造主要包括以下部分：自動(dòng)控制改造，即更新驅(qū)動(dòng)單元調(diào)試方式、新增自動(dòng)換擋功能、新增自動(dòng)轉(zhuǎn)向、新增試驗(yàn)后放油自動(dòng)控制等；試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集改造；新增遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)功能；。

3.1 更新驅(qū)動(dòng)單元調(diào)速方式

采用工控機(jī)通過(guò)RS485 總線與變頻器進(jìn)行通訊，由工控機(jī)發(fā)出調(diào)速指令，變頻器對(duì)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)編碼器將轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給變頻器，可以形成對(duì)轉(zhuǎn)速的全閉環(huán)控制，這種調(diào)速方式調(diào)速性能好，系統(tǒng)特性曲線較硬，轉(zhuǎn)矩變化對(duì)系統(tǒng)速度擾動(dòng)幾乎不計(jì)。

通過(guò)工控機(jī)、變頻器自動(dòng)調(diào)速控制，輸入轉(zhuǎn)速具有使能控制、正反轉(zhuǎn)控制、自動(dòng)無(wú)極變速功能、自動(dòng)恒速等功能。

3.2 增加自動(dòng)換擋功能

在保持原有手動(dòng)換擋功能的同時(shí)，增加自動(dòng)換擋功能。通過(guò)PLC按照變速箱的實(shí)際工況給出控制信號(hào)，控制電磁閥組完成檔位自動(dòng)切換。并且在工控機(jī)軟件中和PLC 程序中都設(shè)置了保護(hù)程序，確保不會(huì)出現(xiàn)跳擋和無(wú)延時(shí)換擋現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 增加自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能

用自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)替代原有轉(zhuǎn)向手柄、蝸桿等組成手動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置。該系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、帶離合器的步進(jìn)電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)、前梁等組成。

工控機(jī)控制PLC 向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖和轉(zhuǎn)向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度和角度，從而帶動(dòng)前梁進(jìn)退，以此來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向擺臂轉(zhuǎn)向。加裝了接近開(kāi)關(guān)（雙向）以保證機(jī)械限位，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，可以判斷，轉(zhuǎn)向擺臂轉(zhuǎn)到了工位角±30O的極限位置，在此位置保持3 分鐘（時(shí)間由工藝要求決定）。保持時(shí)間達(dá)到后，工控機(jī)通過(guò)PLC 控制離合器斷開(kāi)，轉(zhuǎn)向擺臂自由落下，回到工位角0°位置，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的目的，既可靠又能提高效率。

3.4 增加自動(dòng)換油功能

原設(shè)備在完成磨合試驗(yàn)后，需要等變速箱內(nèi)油溫下降至50℃以下方可手動(dòng)換油，工作效率低。設(shè)計(jì)自動(dòng)放油裝置，由直線步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)頂珠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放油。當(dāng)磨合試驗(yàn)完成后，工控機(jī)向PLC 發(fā)出指令，PLC 控制電機(jī)將頂珠頂起，產(chǎn)品中的油自動(dòng)放回油槽中，既能降低試驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度，也能縮短試驗(yàn)時(shí)間。自動(dòng)放油裝置結(jié)構(gòu)圖如下：

3.5 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集

由PLC 給出采集信號(hào)，各參數(shù)的物理量都是由傳感器（含壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等）獲取，變換成電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理、放大、屏蔽處理，數(shù)據(jù)采集處理后，傳輸至工控機(jī)，并能自動(dòng)生產(chǎn)試驗(yàn)報(bào)表。信號(hào)采集系統(tǒng)框圖如下：

3.6 軟件改造升級(jí)

在原有軟件基礎(chǔ)上，根據(jù)自動(dòng)控制的需求進(jìn)行升級(jí)改造。新版軟件由控制軟件、測(cè)量軟件、診斷軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

3.6.1 控制軟件

控制軟件包含主控軟件和PLC 梯形圖軟件兩部分。主控軟件主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)流程控制，包括操作授權(quán)模塊、專家?guī)焓跈?quán)模塊、報(bào)警庫(kù)授權(quán)模塊、性能試驗(yàn)程序模塊、數(shù)據(jù)試驗(yàn)程序模塊、封閉試驗(yàn)程序模塊、專家?guī)鞌?shù)學(xué)分析模塊、報(bào)警庫(kù)對(duì)比模塊、試驗(yàn)報(bào)告生成模塊等。PLC 梯形圖軟件主要負(fù)責(zé)功能和安全控制，主要包括：動(dòng)力、換擋、轉(zhuǎn)向、拖車泵、風(fēng)扇泵、齒輪泵、散熱器冷卻等及其它控制程序。

3.6.2 測(cè)量軟件

測(cè)量軟件通過(guò)人機(jī)對(duì)話獲得參數(shù)修改權(quán)限，可進(jìn)行傳感器參數(shù)標(biāo)定、通道選擇、零點(diǎn)校正等。另一方面，測(cè)量軟件具備相應(yīng)的數(shù)字濾波功能，以濾除這些雜波干擾信號(hào)，數(shù)字濾波器可開(kāi)啟和關(guān)閉。

3.6.3 診斷軟件

在軟件中對(duì)常見(jiàn)故障進(jìn)行了編輯，試驗(yàn)過(guò)程中一旦設(shè)備或功能出現(xiàn)故障，將自動(dòng)給出報(bào)警，并顯示故障、事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及性質(zhì)。

3.6.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)用ACCESS 小型數(shù)據(jù)庫(kù)。它是在小型數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位的產(chǎn)品，系統(tǒng)可移植性好、使用方便、功能強(qiáng)，適用于各類大、中、小、微機(jī)環(huán)境。

數(shù)據(jù)庫(kù)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)性能好，滿足試驗(yàn)試軟件對(duì)所需數(shù)據(jù)的要求。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)從實(shí)時(shí)系統(tǒng)中接受數(shù)據(jù)與事件并存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)。

3.7 新增遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

主要由中央控制室操作員工作站（也稱工作總站、遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)）軟件系統(tǒng)及工位操作員工作站（也稱子站、從機(jī)）系統(tǒng)軟件組成。工作總站可監(jiān)測(cè)子站所屬空載試驗(yàn)臺(tái)工作狀態(tài)及實(shí)時(shí)試驗(yàn)情況，也可對(duì)子站下達(dá)試驗(yàn)流程，遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)進(jìn)行，并能自動(dòng)接收各工位操作員工作站試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)存貯試驗(yàn)數(shù)據(jù)或上傳至公司內(nèi)部網(wǎng)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高試驗(yàn)產(chǎn)能

改造后的自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)以自動(dòng)化為基礎(chǔ)，利用自動(dòng)控制技術(shù)及軟件分析處理平臺(tái)，做到試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)控制，在空載試驗(yàn)臺(tái)未出報(bào)警的情況下，通過(guò)一鍵啟動(dòng)可完成整套試驗(yàn)，將單臺(tái)次產(chǎn)品的試驗(yàn)時(shí)間由22.34 小時(shí)縮減至20 小時(shí)以下，大大降低試驗(yàn)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)產(chǎn)品性能，助力產(chǎn)品可持續(xù)化改進(jìn)

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的文件傳輸功能，將離散型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，對(duì)產(chǎn)品的最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行橫向比較，并生成圖表，分析產(chǎn)品的一致性，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有針對(duì)性的可持續(xù)改進(jìn)。

4.3 數(shù)據(jù)采集的有效性得到可靠保障

為了解決試驗(yàn)臺(tái)改造前數(shù)據(jù)采集受干擾，波動(dòng)大的問(wèn)題。采用了三組獨(dú)立隔離型電源模塊供電：Ue3、Ue4、Fn1、Fn2 一組，Rt 一組，風(fēng)扇泵電磁閥一組；信號(hào)線采用測(cè)量專用電纜，并做了分項(xiàng)屏蔽和雙層屏蔽處理，防止共地干擾和電磁干擾。另一方面，在軟件中優(yōu)化了濾波算法，對(duì)于油溫、油壓等量是非快速變化信號(hào)用64 點(diǎn)快速FFT 算法計(jì)算出直流分量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)油溫信號(hào)，首先采用中位值濾波法，再采用限幅濾波法；對(duì)油壓信號(hào)，先采用限幅濾波法，再采用消抖濾波法。對(duì)于頻率信號(hào)，直接用快速FFT 算法，得到信號(hào)頻率。通過(guò)不同信號(hào)的特性，采用合適的濾波算法，有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，有良好的濾波效果。在試運(yùn)行過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)顯示基本無(wú)波動(dòng)，產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)得到了較好的可靠性。

4.4 降低消耗，節(jié)約試驗(yàn)成本

通過(guò)優(yōu)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)，采用軸間直連的方式替代原有增速箱傳動(dòng)，避免了增速箱的損耗。原設(shè)備每年損耗1-2 個(gè)增速箱，每臺(tái)增速箱約3 萬(wàn)元。另一方面，自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)具有自動(dòng)采集、自動(dòng)控制及邏輯判斷功能，減少每臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)時(shí)間，大大降低電力消耗。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)空載試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化改造，將原試驗(yàn)臺(tái)手動(dòng)換擋，手動(dòng)轉(zhuǎn)向、實(shí)時(shí)人工采集等手動(dòng)操作改成了全自動(dòng)操作，初步實(shí)現(xiàn)整套試驗(yàn)流程的自動(dòng)化，生產(chǎn)效率將顯著提升、勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性也得到有效保障。對(duì)于探索符合工廠實(shí)際的智能制造方法，走向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、便捷化的道路，具有較大的意義。