發動機端蓋清洗烘干的PLC控制流程可視化設計

張 敏，關 健，林錦坤

（1.廣東理工學院 電氣與電子工程學院，肇慶 526100；2.廣東風華高新科技股份有限公司 設備維修部，肇慶 526020）

隨著機械、汽車、電子、信息、能源等領域各類裝備的不斷發展，出現了大批性能要求越來越高的機加工零部件，機加工零部件的形狀和結構日趨復雜和精細，加工精度不斷提高，零件表面層的結構、表面質量、力學和物理性能的要求越來越高[1]。 而汽車發動機端蓋形狀不規則，結構尤為復雜，加工出來后需要進行深度清洗， 提高其表面質量及精度。此次清洗發動機端蓋外觀圖如圖1 所示，該端蓋有深孔、多孔、結構復雜孔，有凸塊、凹槽、不同尺寸的加強筋等。

圖1 發動機端蓋實物圖Fig.1 Physical drawing of engine end cover

該工件采用鑄造的方法生產出來后存在工作表面的尺寸有誤差、表面光潔度不足，螺絲孔和軸承孔需要二次加工和一些必要的管孔滲漏壓力測試等。 而在二次加工過程中，發動機端蓋的管孔和表面都會殘留部分油漬和一些金屬碎屑，因此需要深度清洗。 清洗的過程可分多個工序完成，一般采用專用清洗液及高壓水噴淋清洗，清洗完后還要求烘干處理，根據零件結構復雜程度不同，一般采用4～6 個工位完成清洗及烘干全過程。 設備采用FX3U-80MR 可編程控制器為主控元件，用三菱溫控模塊進行溫度的反饋控制，結合組態軟件和威綸觸摸屏完成數據設定及統計、設備輸入和輸出信號的顯示以及設備故障的報警、提示等界面操作，設計一套環形清洗烘干可視化設備，達到自動控制目的[2]。 該清洗設備也成功應用在廣東某汽車零部件生產公司的清洗線上。

1 清洗設備結構對比分析

清洗設備在設計過程中有兩種思路：第一種是U 型結構設備，該結構采用鏈式輸送方式，即通過前后兩對鏈輪帶動2 條鏈條平行且同步運行，兩條鏈條之間使用不銹鋼條相隔一定的距離連接起來，由鏈條的傳動帶動專用夾具固定的發動機端蓋進入各清洗工位，經多次清洗后的工件在U 型結構的另一端，經多個烘干工位后取出[3]。 U 型清洗機是雙直線布局，占地面積較大，且由于其機械傳送機構的設計采用鏈條定位和分割器定位，因此在定點清洗及精確定位方面清洗效果差；同時，其放置工件和取件是不同工位，不便于人工操作；第二種思路是采用環形清洗結構設備，環形清洗機將整個環形轉盤均分為6 個工位，采用伺服電機帶動轉盤順時針方向旋轉。 該設備對產品的管道、螺絲孔等較難清洗的部位可以做到精準的定點清洗，同時方便各清洗工位的密封，并能將清洗、漂洗、風干、烘干等多個生產工序合為一體。 該設計入件工位即為出件工位，在節省生產場地的同時可以實現一人操作多臺設備，大幅提升生產自動化程度，故文中采用環形清洗機進行工件清洗。

2 環形清洗機工位設計過程分析

環形清洗機結構設計靈活，可以根據零件復雜程度設計4～6 個工位不等，其中第1 個工位是放件工位，也是取件工位。 經過一圈旋轉后再從該工位取出清洗完的工件， 并再次放上第2 個待清洗工件。 清洗過程中會用到高壓水柱清洗，且為保證各復雜管道及深孔的清洗效果， 會定位噴嘴位置，因此設計專用夾具定位工件，保證清洗過程的安全與可靠。 除了取放件工位外，還應設計噴淋、漂洗、風干及烘干等多工位。

2.1 高壓噴淋清洗

該工位是清洗機的第2 個工位，重點針對工件結構復雜程度不同，從多角度對工件進行全方位的高壓噴淋清洗，有對管孔或螺紋孔噴淋的，有對加強筋或凹槽噴淋的。 其中，為到達較好的清洗效果，負責清洗管孔和凹槽的噴頭噴出來的清洗液是柱狀的，負責清洗工件表面噴頭噴出的則是傘狀的清洗液，該工位噴淋結構示意簡圖如圖2 所示。 該工位主要清洗油污和金屬碎屑，故添加了專用的油污清潔劑，為保證清洗效果，壓力要求約在0.8～1.2 MPa之間，清洗時間在30～60 s 不等，具體可視不同的工件而定。 為了增加去油污效果，溫度要求在45～50 ℃左右，對管孔內的金屬碎屑的清洗需要高壓柱狀水噴淋，如果是通孔，則還需要主要噴淋的方向從小孔進大孔出，否則碎屑容易在小孔端堵塞。

圖2 噴淋結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of spray structure

2.2 清水漂洗

該工位位于高壓噴淋清洗之后，主要是用清水漂洗，該工位對清洗水壓要求略低，但要求水流量大。 同時，要求用熱水漂洗，要加熱水溫，其水溫應高于高壓噴淋工位溫度，一般控制在55～60 ℃之間。主要目的是為了提高下一工位的吹干效果，因為高溫干燥效果優于常溫干燥效果。

2.3 吹風干燥

該工位的主要目是做到工件的全面干燥，包括管道、螺絲孔、深孔等內部的水分干燥。 為到達較好的風干效果，設計中主要是使用高壓縮空氣，通過噴氣嘴深入孔內吹氣，將殘留水分帶出，達到去除水分及吹風干燥的目的。

2.4 烘干工序

由于利用吹風干燥的方式不能徹底去除水分，故烘干工序是必要的，該工位是徹底去除水分的有效方法。 烘干時需注意溫度的高低和時間的長短，溫度過低達不到烘干效果，溫度過高以及時間過長會使鋁合金材料的產品表面顏色泛黃。 溫度與時間的控制根據產品材質和結構特性而定，一般溫度控制在150 ℃，時間在1 min 以內，且采用紅外線加熱管加熱裝置及輻射方式加熱。 為了盡可能避免產品顏色泛黃，一般應盡可能降低烘干溫度，但降低溫度后會有機件不能烘干的現象，為了解決該矛盾，設備中采用把產品放在一個有加熱和抽真空功能的裝置內，實現了低氣壓低溫度沸騰，溫度100 ℃以下，氣壓約98 Pa，達到把水分充分抽干的目的。

3 電氣控制元件選型

為實現環形清洗機的自動控制操作，對控制系統做電路設計和電氣元器件的選型。根據PLC 的工作原理及用弱電控制強電的設計思路，設計中通過各溫控元件及傳感器采集現場信號傳給PLC 的輸入，經過PLC 程序設計、調試、運行、輸出控制相應的中間繼電器， 再由繼電器控制交流接觸器等，從而控制氣閥、馬達、變頻器等控制元器件[4]。

根據控制設備實際的輸入、輸出點數的設計要求，同時充分考慮系統的可擴展性和穩定性等因素，PLC 在選型時其I/O 點數還應留有10%～15%的裕量，故此處選用三菱FX3U-80MR 的PLC[5]。 為實現可視化控制，方便員工的操作和參數設置的量化等，選用威綸觸摸屏及配套的組態軟件制作控制畫面窗口。

4 可視化畫面設計

觸摸屏的主要作用是現場及運行過程中人機界面的控制及處理，合理的界面設計使得直觀、操作方便、穩定性強，實現的功能主要包括實時參數采集、參數設置、歷史數據查詢、診斷及報警、分析和報表及遠程Web 監控等。合理的人機界面有助于可視化直觀監控和減輕操作人員的工作量[6-7]。 清洗機可根據用戶需要設計多個控制和監視畫面，此處列舉部分設計頁面進行說明可視化操作。

4.1 密碼登錄界面

現場控制中，為了做好安全防護，避免其他操作人員誤操作、或避免生產過程中關健技術外泄等原因，在進入操作頁面之前，一般都會設計密碼登錄界面。 有些控制系統還會設計多個安全等級不同的密碼，方便不同等次的管理人員操作。 因此，想要進入操作界面， 操作員需要輸入預置好的有效密碼。 觸摸屏密碼登錄界面如圖3 所示，該頁面也可以查看報警歷史記錄，方便了解設備的歷史工作情況。 同時，該頁面還設置了返回主頁按鈕，主頁可根據設備公司實際情況進行設計，一般可寫明公司名稱、設備名稱、公司地址、公司聯系電話等信息，讓操作畫面一目了然。

圖3 觸摸屏密碼登錄界面Fig.3 Touchscreen password login interface

4.2 觸摸屏主屏設計

觸摸屏控制的主屏設計頁面如圖4 所示，頁面正中把旋轉清洗機轉盤的6 個工位均等形象繪出，并在各工位對應傳感器的位置設了指示燈，用于指示每個工位門是否開關到位， 噴水閥是否動作，加熱開關是否加熱等等。 頁面左右分槽位設計各工位門開關、噴淋開關、加水開關、加熱開關、氣缸升降、風機開關等多種開關量。 同時，畫面上下空余位置設置了啟動、停止、正反轉、水溫報警、轉盤復位、報警解除、手動自動及返回主頁和返回上一頁等多個按鈕開關[8]。 整個操作頁面形象，現場演示操作簡單，可視化較強，方便操作者操作和觀察。

圖4 觸摸屏主屏設計圖Fig.4 Design of main screen of touch screen

4.3 參數設置及報警顯示

如圖5 所示，觸摸屏設計了環形清洗機中機械參數的設定內容，包括了清洗水溫設定、上下限溫度顯示、 溫度補償給定；1 槽和2 槽的清洗時間顯示、 噴嘴噴淋時間的計時顯示；3 槽、4 槽和5 槽吹干時間顯示；輪轉次數及6 槽等待工件取出的時間顯示等等。 所有需要監視及設計的機械參數均可從觸摸屏上進行可視化設置及觀察，該觸摸屏的可視化為工人操作帶來極大便利。

圖5 機械參數觸摸屏設計Fig.5 Mechanical parameters touch screen design

報警是指當系統中的某一些量的值超過了所規定的界限時，系統自動產生相應警告信息，表明該量的值已經超限，提醒操作人員[9]。

報警歷史記錄的顯示如圖6 所示，該頁面設置了可以顯示當天的報警記錄，同時，也保留了前一天的報警記錄， 每一條報警記錄都明確了報警信息，方便操作者查看，具有較強的可視化功能。

圖6 報警記錄顯示Fig.6 Alarm record display

5 結語

文中對形狀結構復雜的汽車發動機端蓋精加工中去毛刺、雜質及油漬提出處理方案，要求實現清洗、漂洗及烘干自動化操作、通過對比分析U 型結構清洗方案及環形結構清洗方案優缺點，選擇環形結構清洗機，環形清洗機在對產品的管道、螺絲孔等較難清洗的部位可以做到精準的定點清洗，能將設備清洗、漂洗、烘干3 個生產工序合為一體。 并增加觸摸屏，通過設計密碼設置界面、觸摸屏主屏設計頁面、機械參數設置及報警顯示等可視化監控畫面，通過觸摸屏對控制參數進行設定、數據統計、設備輸入和輸出信號狀態的顯示以及對設備故障的提示等一系列智能化操作，實現即時修改及可視化控制，在節省生產場地的同時可以一人操作多臺設備，大幅提升自動化程度、生產效率和節省大量的人工成本。