真空热处理生产线控制系统设计探究

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摘要：目前，国内真空热处理自动化程度不高，工人的劳动强度大，生产效率低下。为解决这个问题，分析了真空热处理生产线的工艺流程及其构成，设计了基于一台真空淬火炉、一台清洗机、一台深冷设备、一台回火炉以及物料运送料车的生产线控制系统。在此基础上编制了生产线的控制方案，采用多台PLC及组态软件控制，设备间通过TCP/IP通讯实现生产线的总体控制，并在客户现场完成整套系统的搭建。采用现场测试的方法验证了生产线料车定位的可靠性，并经过了长时间的现场试运行，满足生产线功能要求。

关键词：真空热处理；生产线；PLC；多工艺；现场测试

现有机械加工产品大多数需要进行多种热处理以提升其性能，由于其单一处理时间长且过程时间有严格要求，传统热处理生产线多为连续式，将多种工艺按顺序自动完成。但真空热处理由于其较高的加热环境需求，导致其自动化程度不高，工人的劳动强度大，生产效率较低[1]。为了提高工件生产的自动化水平，改善生产线工作环境，构建了由真空淬火炉、清洗机、深冷设备、回火炉和自动上、下料台组成的柔性化生产线，同时利用自动运送装置完成各设备间的物料转送，生产线依靠计算机管理，并将多种生产模式结合起来，从而减少生产成本，做到物尽其用，以满足企业的实际生产要求[2-4]。

1加工对象描述以及工序

文中所设计的生产线主要针对高精轴承套圈，针对不同尺寸、材料，需求不同的热处理工艺，是一种典型的具有多品种生产特征的产品，该类产品热处理流程类似，主要包括清洗、淬火、深冷、回火。具体流程如图1所示。

2生产线整体布局

轴承热护理生产线如图2所示，共6台设备，成一字型布置，自下至上分别为淬火炉、清洗机、深冷设备、回火炉、自动上下料台以及料车。物料由料车在各个设备中运送，要求能实时显示设备的实时温度、运行状态，并记录温度曲线，设置传输工艺曲线参数，工艺结束提示，设备异常报警，紧急故障处理（加热过程中停电时，自动开启应急冷却水阀,保证设备安全）。为提升热处理效率，热处理过程可自动完成，操作工仅需要负责上下料操作，其他可自动按照设定工艺完成。

3控制系统的设计

3.1硬件设计

生产线硬件系统采用集散操控系统[5]，其结构如图3所示，生产线除料台外所有设备均采用以PLC与组态软件为基础的控制方案，其中每台设备都具有独立的PLC与组态软件，通过RS232串口进行通信，各台设备互联，可实现生产线的自动化生产。同时由于各台设备采用独立PLC及上位机，在非自动状态下也可实现单台设备的独立运行[6]。生产线整体检测传感器采用非接触型和接触型配合使用。其中料台以及料车上都装有多个非接触型传感器，用于判断物料以及料车的位置，并配合装有接触型传感器来判断送料机构的位置；淬火炉等设备多采用接近开关来判断动作位置[7-8]。

3.2软件设计

生产线运行方式分为自动运行和手动运行。在手动运行条件下，各单台设备有各自的自动工艺和手动工艺程序，可实现单一设备、单一步骤的手动控制操作。自动运行方式则是按照顺序控制方法，在开始前由上位机输入当前工艺要求，通过将需要参数传至相应设备，判断可否进行自动运行，在无报警的情况下，开始自动工艺后可按照设定顺序执行所需工艺。为实现手动运行和自动运行的要求，各个控制系统的PLC程序采用模块化结构进行设计，分别各自有自动部分程序以及手动部分程序。系统上电时，启动初始化操作，系统进入主循环。其中主程序负责对各个子程序信号点监控、对工艺设置以及报警点更新。子程序模块是主循环程序处理判断符合条件时调用的程序块，主要为各种工艺模式下的系统运行。以料车为例，未运行时，PLC扫描主程序主要为各个炉体状态以及外部命令状态。当某设备需要取或送料时，触发行走子程序，并驱动电机运行移动至相应设备，到位后行走子程序结束并触发送或取料子程序进行送或取料，完成后送取料子程序结束并触发行走子程序。使用这种方式可以有效节省程序扫描时间，提高系统处理效率[9-12]。3.3生产线通讯的实现生产线采用多台PLC可编程控制器控制，其最终各设备通信示意图如图5所示。通过TCP/IP连接各台设备组态软件，再经由组态软件通过RS232与PLC设备通信，从而实现生产线的自动控制以及各台设备的信息交互汇总。其中，由于料车需要汇集所有设备的当前状态，进一步判断并执行相应动作，因此选用料车上触摸屏作为服务器接收所有设备状态，并将设备所需信号传至相应设备。最终全部的生产过程信息由服务器TCP/IP传输至工控机的组态王软件进行汇总和记录，可实现系统工作状态监控、手动操作控制、生产加工参数设置、故障查询、运行日志查询等功能[13-16]。按照生产线的布局规划，最终实现的真空热处理生产线如图6所示。

4可靠性检验

由于生产线由不同厂家的多台设备构成，而并非连续性生产线，因此需要料车在多台设备中进行中转送料，这就要求料车送料精准有效，不能偏离送料导轨，否则会导致设备撞击移位或损坏。为保证定位的准确，定位信号采用接近开关配合长条形定位块，PLC内部根据料车移动方向按照不同时间延时进行刹车停止，实现料车导轨和设备导轨的准确对接[17-18]。料车定位原理如图7所示。为验证此方法的可靠性，以清洗机为试验位置，分别从左侧和右侧接近对接20次，利用游标卡尺测量料车和设备固定位置距离，所得数据如表1所示。由表1可知，料车由左侧接近所测得的距离范围为[120,121.6]，均值为120.73mm；从右侧接近所测得的距离范围为[121.9,123.5]，均值为122.79mm。左右两侧所测得均值的差值，是由于控制料车到位减速刹车的PLC定时器是有极限的，项目所选用的欧姆龙系列PLC定时器最小时间为100ms，导致料车左行、右行都无法精准地停在同一个点上。根据料车左右两侧接近所测得的范围可以看出其最大定位误差在4mm以下，可以满足设备对于定位送料的要求[19-20]。

5结束语

设计的真空热处理自动生产线采用一台真空淬火炉、一台清洗机、一台深冷设备、一台回火炉以及物料运送料车实现了设备的自动上下料、整条生产线加工过程的自动运行和在线监控。经现场测试其可靠性以及客户现场的试运行表明，该生产线能够满足用户的自动化生产要求，提高了工件的加工效率。

作者:杨广文 王赫 尹承锟 单位:北京机电研究所有限公司