電能表鉛封自動化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李林霞，周洪超，馬紅斌，侯興哲，胡天鏈

（1. 重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123；2. 重慶市區(qū)供電局，重慶 400013；3. 綿陽固創(chuàng)科技有限責任公司，綿陽 529533）

0 引言

重慶電能計量中心對重慶市電能表進行入網(wǎng)前檢定，每年電能表產(chǎn)量為單相電能表200萬只，三相電能表8萬只，其采用現(xiàn)代化的物流設備，在全國各電能計量中心中具有標桿作用。計量中心的電能表基本生產(chǎn)流程為：誤差檢定與走字耐壓——鉛封——掃描——裝箱——組盤。其中電能表鉛封是其中一項比較繁瑣和費時的工作。

電能計量中心對電能表加鉛封是一種加封鎖住的含義，是防竊電的技術(shù)措施。鉛封技術(shù)經(jīng)過發(fā)展，已由傳統(tǒng)的鋁殼鉛芯結(jié)構(gòu)發(fā)展為目前多種結(jié)構(gòu)，重慶電能計量中心采用的是塑殼智能防偽鉛封。目前，對電能表加鉛封采用如下的手工方式操作：1）取長度適當?shù)姆饨z穿過欲封件內(nèi)孔；2）將該封絲的兩個端頭分別對穿鉛封塑料外殼的兩孔，任意一面穿進，對面孔穿出即可；3）用手指或?qū)Ｓ玫氖謮恒Q將自鎖插件頭部壓入鉛封塑料外殼中，聽到明顯的到位聲響后，操作完成。

隨著電能表數(shù)量的持續(xù)上升，采用人工操作的方式進行電能表鉛封，工作效率較低，自動化程度不高，與整個物流系統(tǒng)自動化程度不匹配，無法滿足目前和將來電能表鉛封的高效率要求。因此，需要開發(fā)新型的自動化設備，提高電能表鉛封效率。本文針對該實際應用需求，結(jié)合精密機械設計技術(shù)與先進電氣控制技術(shù)，研究電能表鉛封自動化系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。最后，通過實際的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及分析，證實設計的可靠性和先進性。

1 電能表自動鉛封設備的本體設計

本節(jié)首先對電能表自動鉛封設備的機械本體進行總體設計，然后分別介紹送料機構(gòu)、送表及定位機構(gòu)以及穿線和壓封機構(gòu)的機械設計。

1.1 總體設計

通過分析電能表鉛封的手工操作過程，可知基本工藝流程如圖1所示。根據(jù)圖1，自動鉛封設備應具備如下三個關(guān)鍵機械部件：送料機構(gòu)、送表及定位機構(gòu)以及穿線和壓封機構(gòu)。以下部分分別對這三個關(guān)鍵機械部件的設計情況進行詳細介紹。

1.2 送料機構(gòu)設計

送料機構(gòu)首先接收來自振動盤的鉛封，并最終把鉛封輸送至穿線壓封機構(gòu)。圖2所示為該送料機構(gòu)的設計圖。由圖可見，送料機構(gòu)主要由四個氣缸、兩個光電開關(guān)式傳感器（以下簡稱光電傳感器）、打標機、閱讀器和轉(zhuǎn)盤電機以及入料滑道構(gòu)成。

該送料機構(gòu)工作原理如下：按下啟動按鈕，鉛封振動盤啟動，鉛封通過軌道進入鉛封入料口；若鉛封檢測傳感器檢測到鉛封，則推料氣缸啟動；當推料氣缸位置傳感器檢測到信號，則進料和去料氣缸啟動，經(jīng)適當延時后，進料、去料和推料氣缸復位；然后轉(zhuǎn)盤電機啟動，同時激光打標機對鉛封進行打標；閱讀器對已打標鉛封進行檢測當轉(zhuǎn)盤電機轉(zhuǎn)過一圈時，轉(zhuǎn)角檢測傳感器檢測到信號，延時一段時間后轉(zhuǎn)盤電機停止；如果閱讀器無報錯，則下料氣缸啟動，適當延時后馬上復位。此后鉛封將沿著入料滑道進入穿線壓封機構(gòu)。當穿線壓封完成后，該機構(gòu)重新開始下一輪的工作。

圖1 自動鉛封設備工藝流程

1.3 送表及定位機構(gòu)設計

送表及定位機構(gòu)主要功能是將傳送帶上的待鉛封電能表準確及時地輸送至穿線壓封機構(gòu)中。如圖3所示，該機構(gòu)主要由九個氣缸、四個交流電機和一個光電傳感器構(gòu)成。

送表及定位機構(gòu)的工作原理如下：按下啟動按鈕，則輸送電機、刷表電機啟動，輸送電能表，此時平臺處于下降狀態(tài)，等待電能表的到來；當電能表檢測光電管檢測到電能表，經(jīng)適當延時，輸送和刷表電機停止，筆形定位氣缸、壓表氣缸啟動，固定電能表，原鉛封調(diào)整氣缸啟動，調(diào)整電能表進入鉛封穿線壓封機構(gòu)；當鉛封穿線壓封完成后，平臺升降氣缸啟動，平臺上升，同時筆形定位氣缸、壓表氣缸、原鉛封調(diào)整氣缸復位松開，輸送電機啟動，送走已完成鉛封的電能表；當電能表光電管檢測到下降沿信號時，平臺下降，等待下一個電能表的到來，開始下一個循環(huán)。

1.4 穿線和壓封機構(gòu)設計

穿線和壓封機構(gòu)是本系統(tǒng)中的精密部件，是實現(xiàn)電能表鉛封的關(guān)鍵。該機構(gòu)主要由七個氣缸、一個壓封油缸和步進電機構(gòu)成，如圖4所示。

圖3 送表及定位機構(gòu)設計圖

穿線和壓封機構(gòu)的工作原理如下：當電能表和鉛封到達該機構(gòu)后，升降氣缸啟動，平臺下降，鉛封固定氣缸、接料氣缸和鉛封下推氣缸啟動；接著步進電機啟動，正向送線約2cm后停止，夾線氣缸啟動后步進電機再次啟動，正向送絲約8cm后停止；然后固線鉗氣缸啟動，實現(xiàn)對封線的箝位固定，切線氣缸啟動后步進電機啟動反向抽絲2mm后停止，同時壓封油缸啟動，延時一段時間后壓封油缸和鉛封下推氣缸復位；經(jīng)適當延時后穿線機構(gòu)氣缸總復位，然后平臺上升，完成鉛封的電能表被送走。最后平臺下降，等待下一個電能表。

圖 4 穿線及壓封機構(gòu)設計圖

2 電能表自動鉛封設備的電氣控制系統(tǒng)設計

所設計的電能表自動鉛封設備的機械機構(gòu)本體，每個獨立的機械部件都具備較為精密的定位操作功能，但是各部件之間的運動協(xié)調(diào)必須通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)?；谛逝c可靠性考慮，采用PLC設計并實現(xiàn)自動鉛封設備的電氣控制系統(tǒng)。

2.1 電氣控制流程設計

根據(jù)所設計的機械本體以及鉛封工藝流程，電氣控制系統(tǒng)總體設計原理如圖5所示。其中，過程控制的所有反饋信號（即觸發(fā)信號）來自于光電傳感器。與機械本體相對應，需要進行精密控制的幾個過程是送表定位、鉛封入庫和穿線壓封。因此，整個控制系統(tǒng)的核心電氣控制單元包括送料機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)、送表及定位機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)和穿線壓封機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)。

2.2 送料機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

對電能表進行鉛封所使用的材料是鉛封塊和封絲。因此，在設備運行過程中必須通過控制送料機構(gòu)及時輸送這些材料。圖6所示是該送料機構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)控制流程。

圖5 鉛封設備控制系統(tǒng)總體原理圖

圖 6 送料機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

2.3 送表及定位機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

送表及定位過程的控制與送料過程的控制是并行進行的，控制系統(tǒng)流程如圖7所示。該電氣控制系統(tǒng)只要檢測到光電傳感器的觸發(fā)信號，就馬上啟動履帶電機，將電能表送至鉛封設備上的穿線壓封機構(gòu)，然后停止履帶電機。整個過程循環(huán)反復進行，直至整個鉛封設備停止運行為止。

圖 7 送表及定位機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

2.4 穿線和壓封機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

穿線和壓封過程的控制是整個控制系統(tǒng)中最重要和最復雜的核心控制環(huán)節(jié)。該電氣控制系統(tǒng)須根據(jù)穿線壓封流程和機械本體結(jié)構(gòu)特點進行嚴格設計，得到的相應電氣控制系統(tǒng)如圖8所示。其中送線和抽線的長度都是通過精密步進電機進行控制。

圖 8 穿線和壓封機構(gòu)電氣控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及結(jié)果分析

通過機械設計和電氣控制系統(tǒng)設計，得到一臺電能表自動鉛封設備物理樣機，通過對整個自動鉛封系統(tǒng)進行機電聯(lián)調(diào)，著重解決系統(tǒng)運行的可靠性問題。

實際聯(lián)調(diào)時，先分別對三個核心機構(gòu)，即送料機構(gòu)、送表及定位機構(gòu)以及穿線壓封機構(gòu)，進行單獨調(diào)試，調(diào)試完后再整合成總體的PLC電氣控制系統(tǒng)。通過這種調(diào)試方法，基本上系統(tǒng)組裝起來就能正常運行，但是電能表鉛封的成功率只有約80%，所以需要提高穿線壓封的成功率。經(jīng)實際檢查發(fā)現(xiàn)，導致穿線壓封過程出問題的主要原因在于穿線平臺提升機構(gòu)和送線機構(gòu)不同步。通過調(diào)整PLC控制程序中的相應軟件延時時間，實現(xiàn)了兩個機構(gòu)的同步運動。經(jīng)實際檢驗，調(diào)整后的鉛封設備對電能表自動鉛封的成功率達到約99%，進一步優(yōu)化后可達到工業(yè)級應用水平。

4 結(jié)論

本文基于電能表鉛封行業(yè)需求，采用機電一體化技術(shù)設計并實現(xiàn)了對電能表進行自動鉛封的生產(chǎn)設備。通過PLC控制系統(tǒng)對機械本體的協(xié)調(diào)控制，該鉛封設備能自動實現(xiàn)送表、送料以及穿線壓封等電能表鉛封的自動化處理過程。對物理樣機的調(diào)試結(jié)果驗證了所設計的鉛封設備具有很高的可靠性，進一步優(yōu)化和測試后可推廣應用到實際的電能表鉛封工作中，完全替代傳統(tǒng)的手工操作方式，從而提高生產(chǎn)效率，為我國智能電網(wǎng)技術(shù)整體水平的提高做出較大貢獻。

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