真空熱處理生產線控制系統設計探究

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摘要：目前，國內真空熱處理自動化程度不高，工人的勞動強度大，生產效率低下。為解決這個問題，分析了真空熱處理生產線的工藝流程及其構成，設計了基于一臺真空淬火爐、一臺清洗機、一臺深冷設備、一臺回火爐以及物料運送料車的生產線控制系統。在此基礎上編制了生產線的控制方案，采用多臺PLC及組態軟件控制，設備間通過TCP/IP通訊實現生產線的總體控制，并在客戶現場完成整套系統的搭建。采用現場測試的方法驗證了生產線料車定位的可靠性，并經過了長時間的現場試運行，滿足生產線功能要求。

關鍵詞：真空熱處理；生產線；PLC；多工藝；現場測試

現有機械加工產品大多數需要進行多種熱處理以提升其性能，由于其單一處理時間長且過程時間有嚴格要求，傳統熱處理生產線多為連續式，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境需求，導致其自動化程度不高，工人的勞動強度大，生產效率較低[1]。為了提高工件生產的自動化水平，改善生產線工作環境，構建了由真空淬火爐、清洗機、深冷設備、回火爐和自動上、下料臺組成的柔性化生產線，同時利用自動運送裝置完成各設備間的物料轉送，生產線依靠計算機管理，并將多種生產模式結合起來，從而減少生產成本，做到物盡其用，以滿足企業的實際生產要求[2-4]。

1加工對象描述以及工序

文中所設計的生產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特征的產品，該類產品熱處理流程類似，主要包括清洗、淬火、深冷、回火。具體流程如圖1所示。

2生產線整體布局

軸承熱護理生產線如圖2所示，共6臺設備，成一字型布置，自下至上分別為淬火爐、清洗機、深冷設備、回火爐、自動上下料臺以及料車。物料由料車在各個設備中運送，要求能實時顯示設備的實時溫度、運行狀態，并記錄溫度曲線，設置傳輸工藝曲線參數，工藝結束提示，設備異常報警，緊急故障處理（加熱過程中停電時，自動開啟應急冷卻水閥,保證設備安全）。為提升熱處理效率，熱處理過程可自動完成，操作工僅需要負責上下料操作，其他可自動按照設定工藝完成。

3控制系統的設計

3.1硬件設計

生產線硬件系統采用集散操控系統[5]，其結構如圖3所示，生產線除料臺外所有設備均采用以PLC與組態軟件為基礎的控制方案，其中每臺設備都具有獨立的PLC與組態軟件，通過RS232串口進行通信，各臺設備互聯，可實現生產線的自動化生產。同時由于各臺設備采用獨立PLC及上位機，在非自動狀態下也可實現單臺設備的獨立運行[6]。生產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構的位置；淬火爐等設備多采用接近開關來判斷動作位置[7-8]。

3.2軟件設計

生產線運行方式分為自動運行和手動運行。在手動運行條件下，各單臺設備有各自的自動工藝和手動工藝程序，可實現單一設備、單一步驟的手動控制操作。自動運行方式則是按照順序控制方法，在開始前由上位機輸入當前工藝要求，通過將需要參數傳至相應設備，判斷可否進行自動運行，在無報警的情況下，開始自動工藝后可按照設定順序執行所需工藝。為實現手動運行和自動運行的要求，各個控制系統的PLC程序采用模塊化結構進行設計，分別各自有自動部分程序以及手動部分程序。系統上電時，啟動初始化操作，系統進入主循環。其中主程序負責對各個子程序信號點監控、對工藝設置以及報警點更新。子程序模塊是主循環程序處理判斷符合條件時調用的程序塊，主要為各種工藝模式下的系統運行。以料車為例，未運行時，PLC掃描主程序主要為各個爐體狀態以及外部命令狀態。當某設備需要取或送料時，觸發行走子程序，并驅動電機運行移動至相應設備，到位后行走子程序結束并觸發送或取料子程序進行送或取料，完成后送取料子程序結束并觸發行走子程序。使用這種方式可以有效節省程序掃描時間，提高系統處理效率[9-12]。3.3生產線通訊的實現生產線采用多臺PLC可編程控制器控制，其最終各設備通信示意圖如圖5所示。通過TCP/IP連接各臺設備組態軟件，再經由組態軟件通過RS232與PLC設備通信，從而實現生產線的自動控制以及各臺設備的信息交互匯總。其中，由于料車需要匯集所有設備的當前狀態，進一步判斷并執行相應動作，因此選用料車上觸摸屏作為服務器接收所有設備狀態，并將設備所需信號傳至相應設備。最終全部的生產過程信息由服務器TCP/IP傳輸至工控機的組態王軟件進行匯總和記錄，可實現系統工作狀態監控、手動操作控制、生產加工參數設置、故障查詢、運行日志查詢等功能[13-16]。按照生產線的布局規劃，最終實現的真空熱處理生產線如圖6所示。

4可靠性檢驗

由于生產線由不同廠家的多臺設備構成，而并非連續性生產線，因此需要料車在多臺設備中進行中轉送料，這就要求料車送料精準有效，不能偏離送料導軌，否則會導致設備撞擊移位或損壞。為保證定位的準確，定位信號采用接近開關配合長條形定位塊，PLC內部根據料車移動方向按照不同時間延時進行剎車停止，實現料車導軌和設備導軌的準確對接[17-18]。料車定位原理如圖7所示。為驗證此方法的可靠性，以清洗機為試驗位置，分別從左側和右側接近對接20次，利用游標卡尺測量料車和設備固定位置距離，所得數據如表1所示。由表1可知，料車由左側接近所測得的距離范圍為[120,121.6]，均值為120.73mm；從右側接近所測得的距離范圍為[121.9,123.5]，均值為122.79mm。左右兩側所測得均值的差值，是由于控制料車到位減速剎車的PLC定時器是有極限的，項目所選用的歐姆龍系列PLC定時器最小時間為100ms，導致料車左行、右行都無法精準地停在同一個點上。根據料車左右兩側接近所測得的范圍可以看出其最大定位誤差在4mm以下，可以滿足設備對于定位送料的要求[19-20]。

5結束語

設計的真空熱處理自動生產線采用一臺真空淬火爐、一臺清洗機、一臺深冷設備、一臺回火爐以及物料運送料車實現了設備的自動上下料、整條生產線加工過程的自動運行和在線監控。經現場測試其可靠性以及客戶現場的試運行表明，該生產線能夠滿足用戶的自動化生產要求，提高了工件的加工效率。

作者:楊廣文 王赫 尹承錕 單位:北京機電研究所有限公司