空調四通閥釬焊工藝參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

謝 箭，朱世宇，聶增麗，宋 苗

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

0 引言

四通閥用來實現(xiàn)冷媒流向的轉換，是空調中的制冷、制熱轉換的重要部件。目前很多空調企業(yè)一直采用人工釬焊四通閥，存在勞動強度大，釬焊質量因人而異，焊工長期工作視力會產生損傷等問題[1]，傳統(tǒng)人工釬焊如圖1所示。部分空調企業(yè)引進了設備進行自動化改造，但存在能適配的四通閥型號少，生產效率低下，釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控困難和生產質量不穩(wěn)定等問題。部分企業(yè)利用自動化往復機構和火焰釬焊槍配合，進行較為固定的釬焊模式進行四通閥焊接，但由于缺少釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，設備整體都屬于開環(huán)控制，只能依賴現(xiàn)場巡檢人員來人工監(jiān)控釬焊設備的四通閥焊接質量[2]。自動釬焊機在未進行焊接工藝監(jiān)控時，可能會出現(xiàn)四通閥焊接過熱、焊接氣體過量和漏焊等問題，而焊接氣體過量很可能會產生嚴重的爆炸事故[3]。

圖1 四通閥人工釬焊

部分企業(yè)引進了釬焊工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，其主要采用的是有線通訊方式，如工業(yè)485總線、Profibus總線或工業(yè)以太網等方案[4～7]。由于不同企業(yè)的釬焊現(xiàn)場差異化較大，存在布線困難、有線工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)擴展性差及成本較高等實際問題[8]。ZigBee技術具有實時性強、自組網、抗干擾強、擴展性好和成本低等優(yōu)點，其已成為工業(yè)現(xiàn)場無線監(jiān)控領域的研究熱點[9～12]。本文設計了一種空調四通閥釬焊工藝參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)，質量工程師可以通過工藝室PC機上的上位機軟件遠程監(jiān)控釬焊工藝參數(shù)，并對實時顯示的釬焊工藝數(shù)據(jù)進行分析或保存，以此來滿足企業(yè)對四通閥釬焊質量進行追溯和分析的要求，也為四通閥生產智能化奠定了基礎。

1 釬焊車間需求分析

不同型號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間直接影響焊接質量，而燃氣流速會影響釬焊溫度，焊料送絲速度會影響到焊縫填充，過快或過慢的燃氣流量及送絲速度也會影響到最終的焊接質量，而車間需求具體有以下三個方面：

1）傳統(tǒng)的人工釬焊勞動強度大，焊接質量受人為因素影響較大，釬焊工人培養(yǎng)周期較長，需要利用機械臂來代替人工釬焊工作。

2）根據(jù)四通閥釬焊的特點以及工藝數(shù)據(jù)采集和控制的要求，需要構建一種能夠方便和機械臂PLC對接的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)，以滿足多型號四通閥釬焊工藝參數(shù)能夠靈活、及時的采集、分析和控制，工程師可以遠程監(jiān)控四通閥的釬焊質量信息。

3）釬焊車間與工藝室距離100米左右，兩者之間不存在墻等阻隔物，短程無線網絡可以滿足監(jiān)控需求。工藝室PC機需要可視化的監(jiān)控軟件，以滿足技術人員方便地進行遠程監(jiān)控和參數(shù)調整，避免人工現(xiàn)場調整工藝參數(shù)，提升釬焊效率的需求。

圖2 四通閥釬焊機械臂

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 無線傳感網設計

無線傳感網采用基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術，相較于傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場有線總線網絡，ZigBee技術具有更為高效、便捷的特征，其是一種能夠自組網、低功耗、低成本的無線通信技術，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸速率低的生產工藝參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)需求。車間現(xiàn)場與工藝室距離100米左右，無線傳感網絡拓撲結構可采用星狀網絡，無線傳感網絡框架設計方案如圖3所示。

圖3 釬焊工藝參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

工藝室中布置一個ZigBee協(xié)調器通過RS232串口與負責監(jiān)控的上位機PC通信，主要負責搭建無線傳感網絡，并維護整體的無線傳感網絡，其是整個無線傳感網絡的中心樞紐。每個釬焊間內布置一個ZigBee終端節(jié)點，與釬焊機械臂的PLC通過RS232串口相聯(lián)，由于ZigBee網絡具有自組網的特點，其可以在個別釬焊室中的ZigBee終端節(jié)點出現(xiàn)故障時，利用動態(tài)的組網方式來確保其他ZigBee終端節(jié)點與協(xié)調器之間的正常通信，提高了遠程數(shù)據(jù)采集和控制的可靠性。

2.2 ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調器硬件設計

ZigBee終端節(jié)點模塊通過RS232串口采集來自釬焊機械臂PLC的燃氣流量、送絲速度，釬焊位置和釬焊時間等工藝參數(shù)，同時也通過RS232串口發(fā)送調整工藝參數(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網絡的系統(tǒng)SOC方案，支持基于IEEE802.15.4標準的ZigBee2007協(xié)議棧，內部已經集成了RF收發(fā)器和一個增強型的8051 CPU，具有8kB的RAM和128kB的存貯閃存和101dB的無線通訊鏈路質量，其內部集成了2個USART、12位ADC和21個通用GPIO等外設。終端節(jié)點和協(xié)調器為45mm×30mm的電路板，供電電壓為5V，經DC-DC芯片轉換為3.3V后為板上CC2530供電，CC2530晶振電路由外部32MHz晶振和兩個電容27pF及外部32.768kHZ晶振與另外兩個電容15pF組成，無線天線采用SMA接口的2.4G全向天線。ZigBee終端節(jié)點模塊可以通過PLC的輔助電源進行供電，能夠安裝在PLC的控制箱之中，以此來降低系統(tǒng)的安裝復雜度，其硬件功能框圖如圖4所示。ZigBee協(xié)調器模塊通過RS232串口與工藝室的監(jiān)控PC進行通信，其與終端節(jié)點模塊硬件設計完全一致，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)點模塊硬件功能框圖

圖5 ZigBee協(xié)調器模塊硬件功能框圖

2.3 嵌入式程序設計

協(xié)調器和終端節(jié)點嵌入式程序主要基于ZigBee2007/PRO標準的ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧，該協(xié)議?；贗EEE 802.15.4標準構建，其是一個輪轉查詢式的操作系統(tǒng)并包含了ZigBee星狀網絡拓撲中的全功能，它的main函數(shù)包含在協(xié)議棧的ZMain.c文件之中，主要任務是完成硬件系統(tǒng)初始化和無線網絡所需的各個模塊初始化，另一個任務是配合OSAL嵌入式系統(tǒng)完成應用層的運行，循環(huán)查詢各個應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)行用戶設計好的對應的函數(shù)程序，如果沒有發(fā)生新的事件就執(zhí)行下一個應用層程序的查詢。

ZigBee協(xié)調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文件中設置唯一的PanID（域網地址標識）等參數(shù)，通過掃描信道來選擇一個合適的信道，建立一個無線ZigBee監(jiān)控網絡，等待終端節(jié)點的加入。終端節(jié)點上電初始化后，需要設置與協(xié)調器相同的信道，將PanID設置為與協(xié)調器中的PanID一致后就可以加入到無線網絡之中。組網成功后，當需要調整釬焊工藝參數(shù)時，PC機中的上位機監(jiān)控程序可以將預先設定好的工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器再通過ZigBee網絡將數(shù)據(jù)傳給終端節(jié)點，終端節(jié)點通過RS232端口將工藝參數(shù)傳送到釬焊機械臂的PLC中，實現(xiàn)工藝參數(shù)調整。而不需要調整釬焊工藝參數(shù)時，協(xié)調器在接收到每個終端節(jié)點數(shù)據(jù)后，將每個釬焊間的現(xiàn)場工藝參數(shù)打包后，發(fā)送給工藝室的PC機，由PC機中的上位機監(jiān)控程序進行數(shù)據(jù)解碼，并將釬焊工藝參數(shù)可視化顯示出來，程序流程如圖6所示。

圖6 ZigBee終端節(jié)點和ZigBee協(xié)調器程序流程圖

2.4 上位機可視化監(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)不同型號四通閥下發(fā)命令給協(xié)調器，然后協(xié)調器通過無線網絡調整釬焊參數(shù)。監(jiān)控軟件還可以實時顯示燃氣流量和送絲速度，并能將數(shù)據(jù)以可視化曲線方式顯示給工程師，當燃氣流量或送絲速度超過預定義工藝參數(shù)時，就立即報警，并存儲報警記錄。監(jiān)控軟件通過LabVIEW 2018及NI-VISA控件設計，通過波形圖表來實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，最終通過LabVIEW Office報表子VI庫將歷史數(shù)據(jù)保存到Excel文件中，最終實現(xiàn)遠程監(jiān)控和工藝參數(shù)可視化及存儲。

3 試驗分析

以重慶某空調企業(yè)的四通閥釬焊車間為例，工程師先打開機械臂進行正常作業(yè)，然后打開ZigBee協(xié)調器啟動無線網絡，再打開ZigBee終端節(jié)點進行無線組網。無線網絡組網成功后，協(xié)調器開始接收工藝室所發(fā)送的命令，而終端節(jié)點定時發(fā)送釬焊工藝參數(shù)到工藝室的PC機中進行可視化顯示。某型號的四通閥釬焊燃氣流量工藝參數(shù)中要求控制在（0.350±0.05）m3/min，監(jiān)控軟件顯示每個釬焊室中的燃氣流量曲線，并將燃氣流量數(shù)據(jù)保存到Excel文件進行數(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。釬焊時間10s和送絲速度0.25m/min與現(xiàn)場儀器測試一致，釬焊位置與機械臂實際釬焊作業(yè)位置一致，四通閥產品的釬焊質量能夠達到預定的工藝參數(shù)要求。在試驗過程中，由于WIFI與ZigBee都處于2.4G頻段，信道高度重合，ZigBee網絡無論是功率還是抗干擾能力都不如WIFI，因此車間內在部署ZigBee網絡時，要考慮當前環(huán)境中WIFI信號的干擾。ZigBee協(xié)調器和終端節(jié)點電路板如圖7所示，工藝室PC機上位機監(jiān)控程序如圖8所示。

圖7 ZigBee協(xié)調器和終端節(jié)點電路板

圖8 釬焊工藝參數(shù)可視化監(jiān)控程序界面

4 結語

本文根據(jù)企業(yè)的實際需求，以TI公司的CC2530為主控芯片搭建ZigBee無線傳感網絡，對釬焊車間內的工藝參數(shù)進行周期性采集，并發(fā)送到工藝室的PC上進行可視化顯示，同時PC機上的上位機監(jiān)控程序能夠將工藝數(shù)據(jù)匯總保存于PC中，以供工程師進行歷史分析和質量追溯，上位機監(jiān)控程序還可以下發(fā)新的工藝參數(shù)到釬焊車間現(xiàn)場的PLC之中，以此來實現(xiàn)工藝參數(shù)的遠程切換。通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，本文所提出的技術與傳統(tǒng)的四通閥釬焊技術相比，可以有效提升產品的釬焊質量，實現(xiàn)生產現(xiàn)場的無人化監(jiān)控，減少了釬焊對工人健康的影響，同時工藝參數(shù)可視化程度更好，為釬焊智能化提供了有效技術支持，可以應用于相關企業(yè)的生產技術升級。