基于PLC的平板集熱器板芯試壓機電控設計

0 引言

平板集熱器是太陽能熱利用的主打產品之一，其板芯需承受一定的壓力，我團隊在幾年前設計并實際投入使用了基于繼電器控制的平板集熱器半自動試壓機。相比于原來的手動試壓工裝，該試壓機表現出了多個明顯的優點，如節約人力、降低勞動強度、提高產線產能。同時，該機還使操作員能夠較方便地調整壓力值、保壓時間等參數，這些參數見文獻[2-3]。

不過，隨著生產發展日趨自動化且生產信息要求即時可視化，該設計方案也逐漸暴露出一些問題和不足，比如參數的穩定性不足，不能滿足車間更進一步節約人力、降低成本的要求，無法實現參數、產量等數據的記錄和可視化。為此，本文介紹了基于PLC的全自動電動試壓機電控設計。

1現有工藝的問題及新的設計方向

1.1 現有試壓工藝簡述

現有試壓機操作工序如下：首先，該機處于初始狀態，氣、電、水等正常，人工將板芯放在試壓支架上。然后，按下啟動按鈕，氣缸下壓，上下密封墊壓住板芯集管。當到達設定時間（該時間能確保密封墊壓住板芯集管）后，增壓泵啟動，水沿管路進入板芯。到達設定時間（該時間能確保水流從出水口滿管流出）時，電動球閥啟動，緩慢關閉出水管路。球閥緩慢關閉的目的是消除水擊現象，關于水擊的問題可參見文獻[4]。然后增壓水泵繼續泵水，水壓上升，到達設定壓力時，壓力開關切斷增壓水泵電源，水泵停止增壓。管路中的單向閥保證管路中的水流不倒流。此時人工觀察板芯各處是否有滲漏，到達設定保壓時間后，電動球閥打開，水流沿出水口流出，水壓降低。泄壓后，氣缸上升，密封墊脫離集管，然后人工將板芯取出，按是否合格分別放入合格品區或不合格品區，其間板芯中的試壓水自然流出。

1.2 現有工藝存在的問題

根據以上所述工藝過程及生產中的實際應用，現有工藝仍然存在以下問題：

1）采用常用的壓力開關，隨著工作時間的延長，由于水汽、銹蝕等問題，開關內部的壓力彈簧等部件穩定性不足，壓力設定無法做到準確、穩定、迅速。

2）采用繼電器設計，雖然成本低廉，但系統的可視化不好，不能實時反映和記錄在產的產品種類、壓力值、極限值及已產數量等參數。

3）該機為半自動試壓機，仍然需要人工取放料，人工觀察是否有滲漏，生產效率和質量控制仍有進一步提升的空間。

1.3 設計方向

基于上述問題分析，擬改善方向有以下幾點：

1）將原來設備的機械式壓力開關更換為可采集電信號的壓力變送器，根據文獻[2-3]的要求以及文獻[4]的計算，試驗壓力設定為 ，選用軒勝中科量程 的PCM300壓力變送器，輸出 0

2）將原來的純繼電器控制改為PLC 人機界面，可實現數據的可視化及實時采集和存儲，且車間觀感檔次也有明顯提升。

3）上下料動作引入機器人，代替人工上下料；同時，用設定的保壓時間和期間的壓力降低值來判斷是否有滲漏，徹底實現無人化操作。本機與機器人之間采用開關量握手，確保信息簡單可靠、通用性強。

2 IO點分析及元件選型

根據已有試壓機現狀，PLC輸入側有啟動按鈕、手自動轉換開關、急停開關、產品有無檢測、氣缸上下位置、機器人送料信號和放料完成信號等，輸出側有氣缸五通閥、電動球閥、進水電磁閥、電動排污閥、增壓水泵、充許機器人送料信號和充許機器人取料信號等。具體IO表如表1所示。

根據上述技術分析和IO點數，擬選用松下AFP-XHC30TD的PLC控制單元和AFPX-AD2模擬量插件，人機界面選用威綸通的TK6072IP。光電開關選用滬工E3F-DS30C3，磁性開關為亞德客DMSG-020。

3 電路設計

電路設計是電控設計的主要工作，包括一次線路、二次線路及PLC、繼電器的接線圖等，是整機邏輯控制的物理基礎。

3.1 一次線路圖

一次線路為動力電路，根據設備功能，設計一次線路圖如圖1所示，增壓水泵電機為單相交流電機，負載開關用于設備電源的手動開關，開關電源為明緯LRS-240-24。

3.2 二次線路圖

二次線路為控制電路，包括人機界面、PLC、繼電器和傳感器等，由上述明緯LRS-240-24的開關電源供電。為安全起見，通風用的排風扇選用24V風扇，因此也設計在此電路上，如圖2所示。

3.3 PLC接線圖

PLC是整個設備控制的核心，根據上述信息，本機PLC選用的是松下AFPXHC30TD控制單元，搭配AFPX-AD2模擬量插件。控制單元線路圖如圖3所示。X側是輸入側，輸入各個開關、傳感器等的信號。Y側是輸出側，用于控制各繼電器，并通過各繼電器來控制各氣缸、增壓水泵、電動球閥等執行部件。模擬量插件線路圖如圖4所示，壓力變送器接在CH0上。

3.4 繼電器接線圖

PLC的輸出端經繼電器組控制各氣缸、閥、接觸器和三色燈等，起到隔離作用，繼電器組線路圖如圖5所示。根據文獻[4-5]，為減輕或消除水擊，電動球閥的開關動作需緩慢進行。

4結束語

PLC及人機界面程序設計是本機設計另一重要內容，由于篇幅所限，后續另文介紹。本試壓機經過此次升級改造，至今已穩定運行12個月，試壓壓力的穩定性、一致性明顯提高，且系統數據的可視化滿足了車間現場管理要求，同時車間的生產效率和產品品質得到進一步提升。根據同樣的控制邏輯，可將陽臺型平板集熱器板芯自動試壓機5做同樣的設計改善。

[參考文獻]

[1]李振鋒，唐文學，鮑業喜.工程型平板集熱器板芯自動試壓機的設計與應用[J].機電信息，2014（36）：141-142.

[2]工業閥門壓力試驗：GB/T13927—2008[S].

[3]平板型太陽能集熱器：GB/T6424—2007[S].

[4]李振鋒，唐文學，鮑業喜.平板集熱器板芯自動試壓機中的水擊問題分析及對策[J].機電信息，2015（9）：70-71.

[5]李振鋒，閆偉.陽臺型平板集熱器板芯自動試壓機的設計與應用[J].廣東科技，2015，24（12）：37-39.

收稿日期：2024-12-26

作者簡介：閆偉（1977一），女，山東德州人，工程師，研究方向：機電一體化。