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真空熱處理生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

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真空熱處理生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

摘要:目前,國內(nèi)真空熱處理自動化程度不高,工人的勞動強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低下。為解決這個(gè)問題,分析了真空熱處理生產(chǎn)線的工藝流程及其構(gòu)成,設(shè)計(jì)了基于一臺真空淬火爐、一臺清洗機(jī)、一臺深冷設(shè)備、一臺回火爐以及物料運(yùn)送料車的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上編制了生產(chǎn)線的控制方案,采用多臺PLC及組態(tài)軟件控制,設(shè)備間通過TCP/IP通訊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的總體控制,并在客戶現(xiàn)場完成整套系統(tǒng)的搭建。采用現(xiàn)場測試的方法驗(yàn)證了生產(chǎn)線料車定位的可靠性,并經(jīng)過了長時(shí)間的現(xiàn)場試運(yùn)行,滿足生產(chǎn)線功能要求。

關(guān)鍵詞:真空熱處理;生產(chǎn)線;PLC;多工藝;現(xiàn)場測試

現(xiàn)有機(jī)械加工產(chǎn)品大多數(shù)需要進(jìn)行多種熱處理以提升其性能,由于其單一處理時(shí)間長且過程時(shí)間有嚴(yán)格要求,傳統(tǒng)熱處理生產(chǎn)線多為連續(xù)式,將多種工藝按順序自動完成。但真空熱處理由于其較高的加熱環(huán)境需求,導(dǎo)致其自動化程度不高,工人的勞動強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率較低[1]。為了提高工件生產(chǎn)的自動化水平,改善生產(chǎn)線工作環(huán)境,構(gòu)建了由真空淬火爐、清洗機(jī)、深冷設(shè)備、回火爐和自動上、下料臺組成的柔性化生產(chǎn)線,同時(shí)利用自動運(yùn)送裝置完成各設(shè)備間的物料轉(zhuǎn)送,生產(chǎn)線依靠計(jì)算機(jī)管理,并將多種生產(chǎn)模式結(jié)合起來,從而減少生產(chǎn)成本,做到物盡其用,以滿足企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)要求[2-4]。

1加工對象描述以及工序

文中所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線主要針對高精軸承套圈,針對不同尺寸、材料,需求不同的熱處理工藝,是一種典型的具有多品種生產(chǎn)特征的產(chǎn)品,該類產(chǎn)品熱處理流程類似,主要包括清洗、淬火、深冷、回火。具體流程如圖1所示。

2生產(chǎn)線整體布局

軸承熱護(hù)理生產(chǎn)線如圖2所示,共6臺設(shè)備,成一字型布置,自下至上分別為淬火爐、清洗機(jī)、深冷設(shè)備、回火爐、自動上下料臺以及料車。物料由料車在各個(gè)設(shè)備中運(yùn)送,要求能實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度、運(yùn)行狀態(tài),并記錄溫度曲線,設(shè)置傳輸工藝曲線參數(shù),工藝結(jié)束提示,設(shè)備異常報(bào)警,緊急故障處理(加熱過程中停電時(shí),自動開啟應(yīng)急冷卻水閥,保證設(shè)備安全)。為提升熱處理效率,熱處理過程可自動完成,操作工僅需要負(fù)責(zé)上下料操作,其他可自動按照設(shè)定工藝完成。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)采用集散操控系統(tǒng)[5],其結(jié)構(gòu)如圖3所示,生產(chǎn)線除料臺外所有設(shè)備均采用以PLC與組態(tài)軟件為基礎(chǔ)的控制方案,其中每臺設(shè)備都具有獨(dú)立的PLC與組態(tài)軟件,通過RS232串口進(jìn)行通信,各臺設(shè)備互聯(lián),可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)。同時(shí)由于各臺設(shè)備采用獨(dú)立PLC及上位機(jī),在非自動狀態(tài)下也可實(shí)現(xiàn)單臺設(shè)備的獨(dú)立運(yùn)行[6]。生產(chǎn)線整體檢測傳感器采用非接觸型和接觸型配合使用。其中料臺以及料車上都裝有多個(gè)非接觸型傳感器,用于判斷物料以及料車的位置,并配合裝有接觸型傳感器來判斷送料機(jī)構(gòu)的位置;淬火爐等設(shè)備多采用接近開關(guān)來判斷動作位置[7-8]。

3.2軟件設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線運(yùn)行方式分為自動運(yùn)行和手動運(yùn)行。在手動運(yùn)行條件下,各單臺設(shè)備有各自的自動工藝和手動工藝程序,可實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備、單一步驟的手動控制操作。自動運(yùn)行方式則是按照順序控制方法,在開始前由上位機(jī)輸入當(dāng)前工藝要求,通過將需要參數(shù)傳至相應(yīng)設(shè)備,判斷可否進(jìn)行自動運(yùn)行,在無報(bào)警的情況下,開始自動工藝后可按照設(shè)定順序執(zhí)行所需工藝。為實(shí)現(xiàn)手動運(yùn)行和自動運(yùn)行的要求,各個(gè)控制系統(tǒng)的PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),分別各自有自動部分程序以及手動部分程序。系統(tǒng)上電時(shí),啟動初始化操作,系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)。其中主程序負(fù)責(zé)對各個(gè)子程序信號點(diǎn)監(jiān)控、對工藝設(shè)置以及報(bào)警點(diǎn)更新。子程序模塊是主循環(huán)程序處理判斷符合條件時(shí)調(diào)用的程序塊,主要為各種工藝模式下的系統(tǒng)運(yùn)行。以料車為例,未運(yùn)行時(shí),PLC掃描主程序主要為各個(gè)爐體狀態(tài)以及外部命令狀態(tài)。當(dāng)某設(shè)備需要取或送料時(shí),觸發(fā)行走子程序,并驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行移動至相應(yīng)設(shè)備,到位后行走子程序結(jié)束并觸發(fā)送或取料子程序進(jìn)行送或取料,完成后送取料子程序結(jié)束并觸發(fā)行走子程序。使用這種方式可以有效節(jié)省程序掃描時(shí)間,提高系統(tǒng)處理效率[9-12]。3.3生產(chǎn)線通訊的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線采用多臺PLC可編程控制器控制,其最終各設(shè)備通信示意圖如圖5所示。通過TCP/IP連接各臺設(shè)備組態(tài)軟件,再經(jīng)由組態(tài)軟件通過RS232與PLC設(shè)備通信,從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動控制以及各臺設(shè)備的信息交互匯總。其中,由于料車需要匯集所有設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài),進(jìn)一步判斷并執(zhí)行相應(yīng)動作,因此選用料車上觸摸屏作為服務(wù)器接收所有設(shè)備狀態(tài),并將設(shè)備所需信號傳至相應(yīng)設(shè)備。最終全部的生產(chǎn)過程信息由服務(wù)器TCP/IP傳輸至工控機(jī)的組態(tài)王軟件進(jìn)行匯總和記錄,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控、手動操作控制、生產(chǎn)加工參數(shù)設(shè)置、故障查詢、運(yùn)行日志查詢等功能[13-16]。按照生產(chǎn)線的布局規(guī)劃,最終實(shí)現(xiàn)的真空熱處理生產(chǎn)線如圖6所示。

4可靠性檢驗(yàn)

由于生產(chǎn)線由不同廠家的多臺設(shè)備構(gòu)成,而并非連續(xù)性生產(chǎn)線,因此需要料車在多臺設(shè)備中進(jìn)行中轉(zhuǎn)送料,這就要求料車送料精準(zhǔn)有效,不能偏離送料導(dǎo)軌,否則會導(dǎo)致設(shè)備撞擊移位或損壞。為保證定位的準(zhǔn)確,定位信號采用接近開關(guān)配合長條形定位塊,PLC內(nèi)部根據(jù)料車移動方向按照不同時(shí)間延時(shí)進(jìn)行剎車停止,實(shí)現(xiàn)料車導(dǎo)軌和設(shè)備導(dǎo)軌的準(zhǔn)確對接[17-18]。料車定位原理如圖7所示。為驗(yàn)證此方法的可靠性,以清洗機(jī)為試驗(yàn)位置,分別從左側(cè)和右側(cè)接近對接20次,利用游標(biāo)卡尺測量料車和設(shè)備固定位置距離,所得數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知,料車由左側(cè)接近所測得的距離范圍為[120,121.6],均值為120.73mm;從右側(cè)接近所測得的距離范圍為[121.9,123.5],均值為122.79mm。左右兩側(cè)所測得均值的差值,是由于控制料車到位減速剎車的PLC定時(shí)器是有極限的,項(xiàng)目所選用的歐姆龍系列PLC定時(shí)器最小時(shí)間為100ms,導(dǎo)致料車左行、右行都無法精準(zhǔn)地停在同一個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)料車左右兩側(cè)接近所測得的范圍可以看出其最大定位誤差在4mm以下,可以滿足設(shè)備對于定位送料的要求[19-20]。

5結(jié)束語

設(shè)計(jì)的真空熱處理自動生產(chǎn)線采用一臺真空淬火爐、一臺清洗機(jī)、一臺深冷設(shè)備、一臺回火爐以及物料運(yùn)送料車實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動上下料、整條生產(chǎn)線加工過程的自動運(yùn)行和在線監(jiān)控。經(jīng)現(xiàn)場測試其可靠性以及客戶現(xiàn)場的試運(yùn)行表明,該生產(chǎn)線能夠滿足用戶的自動化生產(chǎn)要求,提高了工件的加工效率。

作者:楊廣文 王赫 尹承錕 單位:北京機(jī)電研究所有限公司

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