謝 箭，朱世宇，聶增麗，宋 苗

（1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331；2.重慶工程學(xué)院，重慶 400056)

0 引言

四通閥用來(lái)實(shí)現(xiàn)冷媒流向的轉(zhuǎn)換，是空調(diào)中的制冷、制熱轉(zhuǎn)換的重要部件。目前很多空調(diào)企業(yè)一直采用人工釬焊四通閥，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，釬焊質(zhì)量因人而異，焊工長(zhǎng)期工作視力會(huì)產(chǎn)生損傷等問(wèn)題[1]，傳統(tǒng)人工釬焊如圖1所示。部分空調(diào)企業(yè)引進(jìn)了設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，但存在能適配的四通閥型號(hào)少，生產(chǎn)效率低下，釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控困難和生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。部分企業(yè)利用自動(dòng)化往復(fù)機(jī)構(gòu)和火焰釬焊槍配合，進(jìn)行較為固定的釬焊模式進(jìn)行四通閥焊接，但由于缺少釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)備整體都屬于開(kāi)環(huán)控制，只能依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員來(lái)人工監(jiān)控釬焊設(shè)備的四通閥焊接質(zhì)量[2]。自動(dòng)釬焊機(jī)在未進(jìn)行焊接工藝監(jiān)控時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)四通閥焊接過(guò)熱、焊接氣體過(guò)量和漏焊等問(wèn)題，而焊接氣體過(guò)量很可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的爆炸事故[3]。

圖1 四通閥人工釬焊

部分企業(yè)引進(jìn)了釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，其主要采用的是有線(xiàn)通訊方式，如工業(yè)485總線(xiàn)、Profibus總線(xiàn)或工業(yè)以太網(wǎng)等方案[4～7]。由于不同企業(yè)的釬焊現(xiàn)場(chǎng)差異化較大，存在布線(xiàn)困難、有線(xiàn)工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展性差及成本較高等實(shí)際問(wèn)題[8]。ZigBee技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自組網(wǎng)、抗干擾強(qiáng)、擴(kuò)展性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，其已成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9～12]。本文設(shè)計(jì)了一種空調(diào)四通閥釬焊工藝參數(shù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，質(zhì)量工程師可以通過(guò)工藝室PC機(jī)上的上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控釬焊工藝參數(shù)，并對(duì)實(shí)時(shí)顯示的釬焊工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或保存，以此來(lái)滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)四通閥釬焊質(zhì)量進(jìn)行追溯和分析的要求，也為四通閥生產(chǎn)智能化奠定了基礎(chǔ)。

1 釬焊車(chē)間需求分析

不同型號(hào)的四通閥需要不同的釬焊工藝參數(shù)，工藝參數(shù)中釬焊位置和釬焊時(shí)間直接影響焊接質(zhì)量，而燃?xì)饬魉贂?huì)影響釬焊溫度，焊料送絲速度會(huì)影響到焊縫填充，過(guò)快或過(guò)慢的燃?xì)饬髁考八徒z速度也會(huì)影響到最終的焊接質(zhì)量，而車(chē)間需求具體有以下三個(gè)方面：

1）傳統(tǒng)的人工釬焊勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量受人為因素影響較大，釬焊工人培養(yǎng)周期較長(zhǎng)，需要利用機(jī)械臂來(lái)代替人工釬焊工作。

2）根據(jù)四通閥釬焊的特點(diǎn)以及工藝數(shù)據(jù)采集和控制的要求，需要構(gòu)建一種能夠方便和機(jī)械臂PLC對(duì)接的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足多型號(hào)四通閥釬焊工藝參數(shù)能夠靈活、及時(shí)的采集、分析和控制，工程師可以遠(yuǎn)程監(jiān)控四通閥的釬焊質(zhì)量信息。

3）釬焊車(chē)間與工藝室距離100米左右，兩者之間不存在墻等阻隔物，短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足監(jiān)控需求。工藝室PC機(jī)需要可視化的監(jiān)控軟件，以滿(mǎn)足技術(shù)人員方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和參數(shù)調(diào)整，避免人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工藝參數(shù)，提升釬焊效率的需求。

圖2 四通閥釬焊機(jī)械臂

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)，相較于傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有線(xiàn)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，ZigBee技術(shù)具有更為高效、便捷的特征，其是一種能夠自組網(wǎng)、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸速率低的生產(chǎn)工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)需求。車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)與工藝室距離100米左右，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用星狀網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 釬焊工藝參數(shù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

工藝室中布置一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232串口與負(fù)責(zé)監(jiān)控的上位機(jī)PC通信，主要負(fù)責(zé)搭建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，并維護(hù)整體的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，其是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心樞紐。每個(gè)釬焊間內(nèi)布置一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，與釬焊機(jī)械臂的PLC通過(guò)RS232串口相聯(lián)，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組網(wǎng)的特點(diǎn)，其可以在個(gè)別釬焊室中的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，利用動(dòng)態(tài)的組網(wǎng)方式來(lái)確保其他ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的正常通信，提高了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制的可靠性。

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊通過(guò)RS232串口采集來(lái)自釬焊機(jī)械臂PLC的燃?xì)饬髁俊⑺徒z速度，釬焊位置和釬焊時(shí)間等工藝參數(shù)，同時(shí)也通過(guò)RS232串口發(fā)送調(diào)整工藝參數(shù)的命令和數(shù)據(jù)到PLC之中。主控芯片采用TI公司的CC2530，其是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)SOC方案，支持基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee2007協(xié)議棧，內(nèi)部已經(jīng)集成了RF收發(fā)器和一個(gè)增強(qiáng)型的8051 CPU，具有8kB的RAM和128kB的存貯閃存和101dB的無(wú)線(xiàn)通訊鏈路質(zhì)量，其內(nèi)部集成了2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO等外設(shè)。終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器為45mm×30mm的電路板，供電電壓為5V，經(jīng)DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為3.3V后為板上CC2530供電，CC2530晶振電路由外部32MHz晶振和兩個(gè)電容27pF及外部32.768kHZ晶振與另外兩個(gè)電容15pF組成，無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)采用SMA接口的2.4G全向天線(xiàn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊可以通過(guò)PLC的輔助電源進(jìn)行供電，能夠安裝在PLC的控制箱之中，以此來(lái)降低系統(tǒng)的安裝復(fù)雜度，其硬件功能框圖如圖4所示。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)RS232串口與工藝室的監(jiān)控PC進(jìn)行通信，其與終端節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計(jì)完全一致，主要區(qū)別是兩者中的嵌入式程序不同，其硬件功能框圖如圖5所示。

圖4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊硬件功能框圖

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器模塊硬件功能框圖

2.3 嵌入式程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)嵌入式程序主要基于ZigBee2007/PRO標(biāo)準(zhǔn)的ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧，該協(xié)議?；贗EEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，其是一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式的操作系統(tǒng)并包含了ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械娜δ?，它的main函數(shù)包含在協(xié)議棧的ZMain.c文件之中，主要任務(wù)是完成硬件系統(tǒng)初始化和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所需的各個(gè)模塊初始化，另一個(gè)任務(wù)是配合OSAL嵌入式系統(tǒng)完成應(yīng)用層的運(yùn)行，循環(huán)查詢(xún)各個(gè)應(yīng)用層中的程序是否有新的事件發(fā)生，如果有新的事件發(fā)生就執(zhí)行用戶(hù)設(shè)計(jì)好的對(duì)應(yīng)的函數(shù)程序，如果沒(méi)有發(fā)生新的事件就執(zhí)行下一個(gè)應(yīng)用層程序的查詢(xún)。

ZigBee協(xié)調(diào)器上電后要先初始化各種硬件，然后在ZStack協(xié)議棧的tools/f8wConfig.cfg文件中設(shè)置唯一的PanID（域網(wǎng)地址標(biāo)識(shí)）等參數(shù)，通過(guò)掃描信道來(lái)選擇一個(gè)合適的信道，建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)的加入。終端節(jié)點(diǎn)上電初始化后，需要設(shè)置與協(xié)調(diào)器相同的信道，將PanID設(shè)置為與協(xié)調(diào)器中的PanID一致后就可以加入到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之中。組網(wǎng)成功后，當(dāng)需要調(diào)整釬焊工藝參數(shù)時(shí)，PC機(jī)中的上位機(jī)監(jiān)控程序可以將預(yù)先設(shè)定好的工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232端口將工藝參數(shù)傳送到釬焊機(jī)械臂的PLC中，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)整。而不需要調(diào)整釬焊工藝參數(shù)時(shí)，協(xié)調(diào)器在接收到每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將每個(gè)釬焊間的現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)打包后，發(fā)送給工藝室的PC機(jī)，由PC機(jī)中的上位機(jī)監(jiān)控程序進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，并將釬焊工藝參數(shù)可視化顯示出來(lái)，程序流程如圖6所示。

圖6 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

2.4 上位機(jī)可視化監(jiān)控程序

監(jiān)控程序主要的功能有釬焊工藝參數(shù)設(shè)定，工藝數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可視化顯示和保存等功能。監(jiān)控軟件能夠根據(jù)不同型號(hào)四通閥下發(fā)命令給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整釬焊參數(shù)。監(jiān)控軟件還可以實(shí)時(shí)顯示燃?xì)饬髁亢退徒z速度，并能將數(shù)據(jù)以可視化曲線(xiàn)方式顯示給工程師，當(dāng)燃?xì)饬髁炕蛩徒z速度超過(guò)預(yù)定義工藝參數(shù)時(shí)，就立即報(bào)警，并存儲(chǔ)報(bào)警記錄。監(jiān)控軟件通過(guò)LabVIEW 2018及NI-VISA控件設(shè)計(jì)，通過(guò)波形圖表來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，最終通過(guò)LabVIEW Office報(bào)表子VI庫(kù)將歷史數(shù)據(jù)保存到Excel文件中，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和工藝參數(shù)可視化及存儲(chǔ)。

3 試驗(yàn)分析

以重慶某空調(diào)企業(yè)的四通閥釬焊車(chē)間為例，工程師先打開(kāi)機(jī)械臂進(jìn)行正常作業(yè)，然后打開(kāi)ZigBee協(xié)調(diào)器啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，再打開(kāi)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器開(kāi)始接收工藝室所發(fā)送的命令，而終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送釬焊工藝參數(shù)到工藝室的PC機(jī)中進(jìn)行可視化顯示。某型號(hào)的四通閥釬焊燃?xì)饬髁抗に噮?shù)中要求控制在（0.350±0.05）m3/min，監(jiān)控軟件顯示每個(gè)釬焊室中的燃?xì)饬髁壳€(xiàn)，并將燃?xì)饬髁繑?shù)據(jù)保存到Excel文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，平均值為0.349m3/min，最大值為0.352m3/min，最小值為0.347m3/min。釬焊時(shí)間10s和送絲速度0.25m/min與現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)試一致，釬焊位置與機(jī)械臂實(shí)際釬焊作業(yè)位置一致，四通閥產(chǎn)品的釬焊質(zhì)量能夠達(dá)到預(yù)定的工藝參數(shù)要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，由于WIFI與ZigBee都處于2.4G頻段，信道高度重合，ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)論是功率還是抗干擾能力都不如WIFI，因此車(chē)間內(nèi)在部署ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要考慮當(dāng)前環(huán)境中WIFI信號(hào)的干擾。ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)電路板如圖7所示，工藝室PC機(jī)上位機(jī)監(jiān)控程序如圖8所示。

圖7 ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)電路板

圖8 釬焊工藝參數(shù)可視化監(jiān)控程序界面

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，以TI公司的CC2530為主控芯片搭建ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)釬焊車(chē)間內(nèi)的工藝參數(shù)進(jìn)行周期性采集，并發(fā)送到工藝室的PC上進(jìn)行可視化顯示，同時(shí)PC機(jī)上的上位機(jī)監(jiān)控程序能夠?qū)⒐に嚁?shù)據(jù)匯總保存于PC中，以供工程師進(jìn)行歷史分析和質(zhì)量追溯，上位機(jī)監(jiān)控程序還可以下發(fā)新的工藝參數(shù)到釬焊車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的PLC之中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的遠(yuǎn)程切換。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，本文所提出的技術(shù)與傳統(tǒng)的四通閥釬焊技術(shù)相比，可以有效提升產(chǎn)品的釬焊質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人化監(jiān)控，減少了釬焊對(duì)工人健康的影響，同時(shí)工藝參數(shù)可視化程度更好，為釬焊智能化提供了有效技術(shù)支持，可以應(yīng)用于相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)。