低壓熔斷器生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)研究

岳 敏，龍 林

(上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

0 引言

低壓熔斷器是低壓配電系統(tǒng)中起安全保護作用的一種電器，主要起短路保護和過載保護等作用， 廣泛應用于電網(wǎng)保護和用電設備的保護，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)自動化系統(tǒng)的可靠運行[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)設備，但仍有部分工藝流程需要分批單獨加工，特別是穿絲工藝、焊接工藝和檢測工藝等關(guān)鍵工藝普遍采用人工上下料、人工操作等各個工藝單獨生產(chǎn)的生產(chǎn)方式，因此生產(chǎn)效率較低、質(zhì)量隨機性較大，同時生產(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)場總線及網(wǎng)絡技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、計算機技術(shù)和智能儀表等應用于低壓熔斷器生產(chǎn)線中，設計了一種低壓熔斷器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)NT00系列熔斷器的各個工藝自動化生產(chǎn)、組裝及檢測，改善了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，降低了工人的勞動強度，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安全環(huán)境[2]。

1 系統(tǒng)的組成及工藝流程

1.1 加工對象

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

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、點焊機、灌砂機、檢測單元、噴碼機、移印機、輸送帶和機械手等組成。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

穿絲機是一種具有矯直送絲、自動穿絲、自動切絲和焊接一體化的高精度、快速穿絲機構(gòu)，該設備利用觸刀實現(xiàn)粗、精二級定位方法的精確定位，可使直徑0.25mm柔性熔斷絲自動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]。

點焊機是主要將厚度為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，利用儲能電容器在較長時間里儲積的電能，而在焊接的一瞬間將能量釋放出來的特點來獲得極大的焊接電流，接觸電阻將電能轉(zhuǎn)換成熱能而實現(xiàn)焊接的工藝。

灌砂機采用多點柔性壓緊、定位和整體振動灌砂方法，利用氣、電旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了由外部靜止向旋轉(zhuǎn)體饋送電能和氣源的電、氣、機聯(lián)動技術(shù)控制灌砂，灌砂結(jié)束后并進行密實性檢測，如果密實性不達標，則該熔斷器將繼續(xù)灌砂，直到密實性合格。

檢測單元主要是對灌砂完畢后的熔斷器進行密實性二次檢測、塞子鉚接和電阻測試等工藝。測試合格的熔斷器通過機械手臂抓取到傳送帶3上，進入下一個工位；測試不合格的熔斷器通過機械手臂從測試工位上取下并放入廢料箱。

噴碼機和移印機主要是對熔斷器的生產(chǎn)型號、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。

輸送帶和機械手主要是根據(jù)各個工位的光電開關(guān)信號自動將熔斷器送到各個工位上進行加工。

1.3 系統(tǒng)工藝流程

(1)通過上蓋板氣動裝配單元將已焊有熔斷片的上蓋板與熔斷體進行裝配；

(2)噴碼機將生產(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)通過下蓋板氣動裝配單元將下蓋板與熔斷體進行裝配；

(5)點焊機將下蓋板側(cè)面和熔斷片進行焊接；

(6)灌砂機將干燥的石英砂灌入熔斷器內(nèi)，并進行密實性檢測；

(7)密實性檢測合格的熔斷器進入檢測單元進行第二次密實性檢測，兩次檢測合格的熔斷器進行壓帽；

(8)通過微歐計測量熔斷器的電阻值，檢測不合格的熔斷器扔至廢料倉；

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

圖2 系統(tǒng)工藝流程簡圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制方式，由4個生產(chǎn)工作站和1個集控工作站組成，分別是穿絲機工作站、點焊機工作站、灌砂機工作站、檢測單元工作站和上位工控機集控工作站組成。各個生產(chǎn)工作站由西門子PLC、EM277和觸摸屏承擔分布式控制任務，各工作站之間的PLC具有一定的耦合關(guān)系，集控工作站工控機配置西門子CP5611卡，對各個生產(chǎn)工作站進行集中監(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標準晶體管輸出型CPU 模塊，并且按照工程設計I/O點數(shù)20%的預留原則，因此選用32點數(shù)字量輸入/輸出端口的EM223模塊作為PLC的擴展數(shù)字量輸入/輸出的模塊[4-6]。各個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]。

各個生產(chǎn)工作站均采用變頻電機帶動凸輪圓盤分割器實現(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，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，穿絲機和點焊機工序較少，因此選擇6工位分割器，灌砂機和檢測單元工序較復雜，且考慮二次灌砂、二次檢測工藝和系統(tǒng)冗余性，因此分別選用24工位和12工位分割器。

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

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多網(wǎng)絡通信技術(shù)

控制系統(tǒng)采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線通信、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)場設備層三層通信體系結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、有效性[6-7]。現(xiàn)場設備層中各個工作站之間的數(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)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)PLC之間的數(shù)據(jù)信息的交互。過程控制層中的上位機集控工作站與各個下位機工作站的通信采用Profibus DP現(xiàn)場總線，信息層中的遠程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務器等的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。通信網(wǎng)絡框圖如圖4所示。

圖4 通信網(wǎng)絡框圖

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度要求的絕緣石英砂。因此，灌砂機采用了柔性定位無磨損變頻振動灌砂技術(shù)，由24工位柔性變頻灌砂裝置和密實度檢測裝置組成多工位無磨損循環(huán)式灌砂機。

柔性變頻灌砂裝置檢測到熔斷器后，通過壓緊氣缸、柔性壓緊定位組件和預壓灌砂組件壓緊熔斷器，并觸發(fā)振動器開關(guān)啟動變頻振動器進行振動，可實現(xiàn)一垂直方向二個旋轉(zhuǎn)方向的三個自動度的變頻率振動，從而在確保密實度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了熔斷器的自動化灌砂。該技術(shù)定位可靠、灌砂精度高，并且解決了灌砂時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.變頻振動器 3.振動器開關(guān) 4.柔性壓緊定位組件 5.壓緊氣缸6.閥芯 7.預壓灌砂組件 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)設計

4.1 控制程序設計

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，將各個工作站的功能模塊控制程序編寫成各個功能子程序，并經(jīng)連鎖保護、智能匹配，保障各個工作站可靠運行。各工作站均具有三種工作模式，即聯(lián)鎖模式、自動模式和手動模式。各個工作站可以選擇聯(lián)鎖模式組成自動化生產(chǎn)線，也可以選擇自動式進入單個工作站獨立自動運行，還具有手動單步執(zhí)行操作模式。

圖6 聯(lián)鎖啟動流程圖

(1)聯(lián)鎖模式

聯(lián)鎖模式下，可以通過第一個工作站順序啟/停后面的各個工作站，從而實現(xiàn)自動化啟/停整個熔斷器生產(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，從而實現(xiàn)工作站之間的聯(lián)鎖啟/停。聯(lián)鎖啟動流程圖如圖6所示。

(2)自動模式

自動模式即單機模式，根據(jù)企業(yè)需求設置單機生產(chǎn)模式。在該模式下，各個工作站可以通過觸摸屏參數(shù)設置界面設置一個或幾個連續(xù)的工藝進行自動化生產(chǎn)加工，按所選工藝的相應程序?qū)崿F(xiàn)順序動作。

(3)手動模式

將自動模式的各個動作進行分解，通過手動模式實現(xiàn)單步順序運行。通過該模式可以實現(xiàn)各個生產(chǎn)工作站的系統(tǒng)調(diào)試和故障檢測。

程序中采用動態(tài)監(jiān)控和邏輯判斷的方法對控制系統(tǒng)進行故障診斷，響應各種類型的故障，暫停生產(chǎn)線并進行聲光報警。

4.2 人機界面設計

低壓熔斷器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)人機界面采用Visual Studio.NET[8]和SQL Server軟件來開發(fā)，采用OPC技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)等，并以SIMATIC NET作為OPC服務器[9]，通過OPC服務器跨線程異步調(diào)用方式從各個工作站采集各種生產(chǎn)過程當中的過程數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視并控制現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲到本地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控需求，人機界面主要設計了系統(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)設置界面、數(shù)據(jù)管理及報表打印界面和報警及故障處理界面等。檢測單元工作站監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 檢測單元工作站監(jiān)控界面

5 系統(tǒng)測試

低壓熔斷器生產(chǎn)線已經(jīng)成功應用于某公司NT00系列熔斷器生產(chǎn)中。該生產(chǎn)線在調(diào)試時重點調(diào)節(jié)各個氣缸的動作時間，輸送帶和上下料機器手等氣缸磁性開關(guān)、光電開關(guān)等安裝位置和相應節(jié)流閥的開度，以保證機械手定位準確和節(jié)拍配合穩(wěn)定。反復調(diào)整后，最終實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的穩(wěn)定有序運行。

根據(jù)控制系統(tǒng)的實際生產(chǎn)情況，經(jīng)過多次測量，并統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該生產(chǎn)線每小時可加工工件550 個左右，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、PLC作為控制核心，以觸摸屏為人機界面，采用集散控制方式實現(xiàn)了整條生產(chǎn)線系統(tǒng)的自動化控制。通過多網(wǎng)絡通信技術(shù)構(gòu)建三層通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對各個設備的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲，大大提高了熔斷器的生產(chǎn)和檢測效率，且具有很強的抗干擾能力。該系統(tǒng)大大提高了NT00系列熔斷器的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，具有良好的實際應用價值和廣闊的市場推廣前景。