岳 敏，龍 林

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

0 引言

低壓熔斷器是低壓配電系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用的一種電器，主要起短路保護(hù)和過載保護(hù)等作用， 廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)保護(hù)和用電設(shè)備的保護(hù)，其產(chǎn)品的性能和質(zhì)量直接影響著電力系統(tǒng)與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[1]。然而，目前國內(nèi)低壓熔斷器普遍采用國外的熔斷器制作技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備，但仍有部分工藝流程需要分批單獨(dú)加工，特別是穿絲工藝、焊接工藝和檢測(cè)工藝等關(guān)鍵工藝普遍采用人工上下料、人工操作等各個(gè)工藝單獨(dú)生產(chǎn)的生產(chǎn)方式，因此生產(chǎn)效率較低、質(zhì)量隨機(jī)性較大，同時(shí)生產(chǎn)環(huán)境中含有大量石英砂有害人體健康。

本文將PLC控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能儀表等應(yīng)用于低壓熔斷器生產(chǎn)線中，設(shè)計(jì)了一種低壓熔斷器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)NT00系列熔斷器的各個(gè)工藝自動(dòng)化生產(chǎn)、組裝及檢測(cè)，改善了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了熔斷器的生產(chǎn)率。并且操作人員可以在集控室進(jìn)行監(jiān)控操作，防止了操作人員與有害、有腐蝕等物質(zhì)的接觸，從而極大地改善了操作人員的勞動(dòng)安全環(huán)境[2]。

1 系統(tǒng)的組成及工藝流程

1.1 加工對(duì)象

NT00系列熔斷器是一種起短路保護(hù)和過載保護(hù)等作用的元器件，其額定電壓為AC690V、AC500V和DC250V，額定電流為4A～160A, 適用于低壓成套設(shè)備的過載及短路保護(hù)。

1.2 系統(tǒng)的組成

考慮各工藝工序排序原則和生產(chǎn)節(jié)拍匹配因素，低壓熔斷器生產(chǎn)線由穿絲機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)、灌砂機(jī)、檢測(cè)單元、噴碼機(jī)、移印機(jī)、輸送帶和機(jī)械手等組成。低壓熔斷器生產(chǎn)線示意圖如圖1所示。

圖1 低壓熔斷器生產(chǎn)線示意圖

穿絲機(jī)是一種具有矯直送絲、自動(dòng)穿絲、自動(dòng)切絲和焊接一體化的高精度、快速穿絲機(jī)構(gòu)，該設(shè)備利用觸刀實(shí)現(xiàn)粗、精二級(jí)定位方法的精確定位，可使直徑0.25mm柔性熔斷絲自動(dòng)定長穿入熔斷器蓋板上直徑0.5mm的熔絲孔中，并完成與指示片焊接、剪切熔絲功能等生產(chǎn)工藝[3]。

點(diǎn)焊機(jī)是主要將厚度為1mm的金屬熔斷片焊接到金屬蓋板側(cè)面，通過施加一定的焊接壓力，利用儲(chǔ)能電容器在較長時(shí)間里儲(chǔ)積的電能，而在焊接的一瞬間將能量釋放出來的特點(diǎn)來獲得極大的焊接電流，接觸電阻將電能轉(zhuǎn)換成熱能而實(shí)現(xiàn)焊接的工藝。

灌砂機(jī)采用多點(diǎn)柔性壓緊、定位和整體振動(dòng)灌砂方法，利用氣、電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由外部靜止向旋轉(zhuǎn)體饋送電能和氣源的電、氣、機(jī)聯(lián)動(dòng)技術(shù)控制灌砂，灌砂結(jié)束后并進(jìn)行密實(shí)性檢測(cè)，如果密實(shí)性不達(dá)標(biāo)，則該熔斷器將繼續(xù)灌砂，直到密實(shí)性合格。

檢測(cè)單元主要是對(duì)灌砂完畢后的熔斷器進(jìn)行密實(shí)性二次檢測(cè)、塞子鉚接和電阻測(cè)試等工藝。測(cè)試合格的熔斷器通過機(jī)械手臂抓取到傳送帶3上，進(jìn)入下一個(gè)工位；測(cè)試不合格的熔斷器通過機(jī)械手臂從測(cè)試工位上取下并放入廢料箱。

噴碼機(jī)和移印機(jī)主要是對(duì)熔斷器的生產(chǎn)型號(hào)、生產(chǎn)日期、參數(shù)信息等噴涂、打印在熔斷器的正面和側(cè)面位置。

輸送帶和機(jī)械手主要是根據(jù)各個(gè)工位的光電開關(guān)信號(hào)自動(dòng)將熔斷器送到各個(gè)工位上進(jìn)行加工。

1.3 系統(tǒng)工藝流程

(1)通過上蓋板氣動(dòng)裝配單元將已焊有熔斷片的上蓋板與熔斷體進(jìn)行裝配；

(2)噴碼機(jī)將生產(chǎn)日期打印在熔斷體上；

(3)將直徑0.25mm柔性熔斷絲穿入熔斷器上蓋板直徑為0.5mm的熔絲孔中，并完成熔斷絲與上蓋板的焊接；

(4)通過下蓋板氣動(dòng)裝配單元將下蓋板與熔斷體進(jìn)行裝配；

(5)點(diǎn)焊機(jī)將下蓋板側(cè)面和熔斷片進(jìn)行焊接；

(6)灌砂機(jī)將干燥的石英砂灌入熔斷器內(nèi)，并進(jìn)行密實(shí)性檢測(cè)；

(7)密實(shí)性檢測(cè)合格的熔斷器進(jìn)入檢測(cè)單元進(jìn)行第二次密實(shí)性檢測(cè)，兩次檢測(cè)合格的熔斷器進(jìn)行壓帽；

(8)通過微歐計(jì)測(cè)量熔斷器的電阻值，檢測(cè)不合格的熔斷器扔至廢料倉；

(9)通過移印機(jī)將熔斷器的生產(chǎn)型號(hào)和參數(shù)信息等噴涂在熔斷體側(cè)面。系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制方式，由4個(gè)生產(chǎn)工作站和1個(gè)集控工作站組成，分別是穿絲機(jī)工作站、點(diǎn)焊機(jī)工作站、灌砂機(jī)工作站、檢測(cè)單元工作站和上位工控機(jī)集控工作站組成。各個(gè)生產(chǎn)工作站由西門子PLC、EM277和觸摸屏承擔(dān)分布式控制任務(wù)，各工作站之間的PLC具有一定的耦合關(guān)系，集控工作站工控機(jī)配置西門子CP5611卡，對(duì)各個(gè)生產(chǎn)工作站進(jìn)行集中監(jiān)視和控制。系統(tǒng)總體框架圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架圖

各工作站PLC均選用西門子S7-200系列的CPU 224XPsi標(biāo)準(zhǔn)晶體管輸出型CPU 模塊，并且按照工程設(shè)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)20%的預(yù)留原則，因此選用32點(diǎn)數(shù)字量輸入/輸出端口的EM223模塊作為PLC的擴(kuò)展數(shù)字量輸入/輸出的模塊[4-6]。各個(gè)工作站均配有觸摸屏均選用步科Kinco 的MT4523T，界面支持文本和圖形顯示[3]。

各個(gè)生產(chǎn)工作站均采用變頻電機(jī)帶動(dòng)凸輪圓盤分割器實(shí)現(xiàn)周期性的旋轉(zhuǎn)和停歇。凸輪圓盤分割器具有高速、高精密和大扭矩的特點(diǎn)，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，穿絲機(jī)和點(diǎn)焊機(jī)工序較少，因此選擇6工位分割器，灌砂機(jī)和檢測(cè)單元工序較復(fù)雜，且考慮二次灌砂、二次檢測(cè)工藝和系統(tǒng)冗余性，因此分別選用24工位和12工位分割器。

機(jī)械手均選用SMC公司氣缸組成3個(gè)自由度的機(jī)械手，并采用磁性開關(guān)傳感器來確保機(jī)械手各氣缸的到位情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

控制系統(tǒng)采用PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信、多主站PPI通信[5]和工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，并采用信息處理層、過程控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層三層通信體系結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、有效性[6-7]?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層中各個(gè)工作站之間的數(shù)據(jù)通信采用多主站主-從模式的PPI通信協(xié)議，通過PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)信息的交互。過程控制層中的上位機(jī)集控工作站與各個(gè)下位機(jī)工作站的通信采用Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線，信息層中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。通信網(wǎng)絡(luò)框圖如圖4所示。

圖4 通信網(wǎng)絡(luò)框圖

3.2 柔性變頻灌砂技術(shù)

為保證熔斷器的性能和安全，陶瓷熔斷器內(nèi)需要灌裝有一定密實(shí)度要求的絕緣石英砂。因此，灌砂機(jī)采用了柔性定位無磨損變頻振動(dòng)灌砂技術(shù)，由24工位柔性變頻灌砂裝置和密實(shí)度檢測(cè)裝置組成多工位無磨損循環(huán)式灌砂機(jī)。

柔性變頻灌砂裝置檢測(cè)到熔斷器后，通過壓緊氣缸、柔性壓緊定位組件和預(yù)壓灌砂組件壓緊熔斷器，并觸發(fā)振動(dòng)器開關(guān)啟動(dòng)變頻振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)一垂直方向二個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的三個(gè)自動(dòng)度的變頻率振動(dòng)，從而在確保密實(shí)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了熔斷器的自動(dòng)化灌砂。該技術(shù)定位可靠、灌砂精度高，并且解決了灌砂時(shí)磨損熔斷器表面的問題。柔性變頻灌砂裝置如圖5所示。

1.多工位轉(zhuǎn)盤 2.變頻振動(dòng)器 3.振動(dòng)器開關(guān) 4.柔性壓緊定位組件 5.壓緊氣缸6.閥芯 7.預(yù)壓灌砂組件 8.熔斷器 9.熔斷器支座 10.灌砂傳感器組件圖5 柔性變頻灌砂裝置

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用STEP7 Micro-Win開發(fā)，為了提高程序的執(zhí)行效率和可讀性，本系統(tǒng)采用模塊化編程，將各個(gè)工作站的功能模塊控制程序編寫成各個(gè)功能子程序，并經(jīng)連鎖保護(hù)、智能匹配，保障各個(gè)工作站可靠運(yùn)行。各工作站均具有三種工作模式，即聯(lián)鎖模式、自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。各個(gè)工作站可以選擇聯(lián)鎖模式組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，也可以選擇自動(dòng)式進(jìn)入單個(gè)工作站獨(dú)立自動(dòng)運(yùn)行，還具有手動(dòng)單步執(zhí)行操作模式。

圖6 聯(lián)鎖啟動(dòng)流程圖

(1)聯(lián)鎖模式

聯(lián)鎖模式下，可以通過第一個(gè)工作站順序啟/停后面的各個(gè)工作站，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化啟/停整個(gè)熔斷器生產(chǎn)線。該模式采用主-從模式的PPI通信協(xié)議，通過PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)交換，構(gòu)建PLC之間的程序組態(tài)和數(shù)據(jù)信息交互，從而實(shí)現(xiàn)工作站之間的聯(lián)鎖啟/停。聯(lián)鎖啟動(dòng)流程圖如圖6所示。

(2)自動(dòng)模式

自動(dòng)模式即單機(jī)模式，根據(jù)企業(yè)需求設(shè)置單機(jī)生產(chǎn)模式。在該模式下，各個(gè)工作站可以通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)連續(xù)的工藝進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)加工，按所選工藝的相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)順序動(dòng)作。

(3)手動(dòng)模式

將自動(dòng)模式的各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行分解，通過手動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)單步順序運(yùn)行。通過該模式可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)工作站的系統(tǒng)調(diào)試和故障檢測(cè)。

程序中采用動(dòng)態(tài)監(jiān)控和邏輯判斷的方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，響應(yīng)各種類型的故障，暫停生產(chǎn)線并進(jìn)行聲光報(bào)警。

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

低壓熔斷器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)人機(jī)界面采用Visual Studio.NET[8]和SQL Server軟件來開發(fā)，采用OPC技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等，并以SIMATIC NET作為OPC服務(wù)器[9]，通過OPC服務(wù)器跨線程異步調(diào)用方式從各個(gè)工作站采集各種生產(chǎn)過程當(dāng)中的過程數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)視并控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控需求，人機(jī)界面主要設(shè)計(jì)了系統(tǒng)登錄界面、監(jiān)控主界面、各工作站監(jiān)控界面、狀態(tài)監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)管理及報(bào)表打印界面和報(bào)警及故障處理界面等。檢測(cè)單元工作站監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 檢測(cè)單元工作站監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

低壓熔斷器生產(chǎn)線已經(jīng)成功應(yīng)用于某公司NT00系列熔斷器生產(chǎn)中。該生產(chǎn)線在調(diào)試時(shí)重點(diǎn)調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸的動(dòng)作時(shí)間，輸送帶和上下料機(jī)器手等氣缸磁性開關(guān)、光電開關(guān)等安裝位置和相應(yīng)節(jié)流閥的開度，以保證機(jī)械手定位準(zhǔn)確和節(jié)拍配合穩(wěn)定。反復(fù)調(diào)整后，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的穩(wěn)定有序運(yùn)行。

根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)情況，經(jīng)過多次測(cè)量，并統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該生產(chǎn)線每小時(shí)可加工工件550 個(gè)左右，合格率大于96%，滿足生產(chǎn)要求。與企業(yè)原有生產(chǎn)工藝相比，該生產(chǎn)線大幅度節(jié)約了人力，降低用工成本，并且該生產(chǎn)線操作簡(jiǎn)單、維修方便。

6 結(jié)論

低壓熔斷器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用工控機(jī)、PLC作為控制核心，以觸摸屏為人機(jī)界面，采用集散控制方式實(shí)現(xiàn)了整條生產(chǎn)線系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。通過多網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)建三層通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，大大提高了熔斷器的生產(chǎn)和檢測(cè)效率，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。該系統(tǒng)大大提高了NT00系列熔斷器的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)推廣前景。