太阳能集热管烤消打标生产线的研究与应用

杨怀林

YANG Huai-lin

（江苏财经职业技术学院 机械与电子工程系，淮安 223003）

0 引言

我国有丰富的太阳能资源，太阳能热水器是太阳能利用行业中使用最为广泛的经济、节能、减排产品，是国家产业政策优先发展的低碳绿色产业。全玻璃太阳能真空集热管是太阳能热水器的核心部件，真空管的质量直接关系到太阳能热水器的性能和寿命，而真空管的真空夹层真空度的高低对集热管的性能、寿命有着十分重要的影响，良好的真空度能够有效地减少集热管的热损。真空集热管通过使用吸气剂来提高和维持夹层中的真空度，吸气剂是由钡铝合金加镍粉压制而成，经高温烘烤后，可以在管壁上生成纯净的钡膜，这就是烤消的过程。烤消后产品要进行打标，用激光打码机将太阳能集热管的特征参数印在太阳能管上。

目前，真空集热管生产企业在吸气剂高频烤消和激光打标工序大都采用单机手工作业，也有企业尝试用输送线将两个工序加以连接，由于烤消节拍与激光打标节拍不同步，导致生产不连贯，不能自动生产。而且吸气剂烘烤位置一致性较差，每一支集热管在烘烤时其吸气剂在高频线圈中的相对位置不尽相同，吸气剂蒸散的起蒸时间与总蒸时间在人工操作时是凭操作人员的经验去控制的，因此，针对以上分析，为了提高产品质量，减轻工人劳动强度，减少工时，降低能耗，提高生产效率，研制了一条集高频烤消、激光打标于一体的生产线，能够实现对太阳能真空集热管进行柔性烤消和自动打标控制。

1 总体方案设计

1.1 总体结构设计

设计的烤消打标生产线主要由机架体、动力驱动装置、传输装置、电气控制装置、感应加热装置、喷码装置等组成；其中动力驱动装置安装在机架体上，由步进电动机、减速器、同步带传动组成；传输装置由主动端组件、从动端组件、链条组件、链条托架、链条张紧装置等组成；链条组件由链条、支架、管卡、横撑组成；感应加热装置由气动滑台、感应加热器、控制系统组成；喷码装置由打标机、控制系统组成；电气控制装置安装在控制柜内，由三菱FX2N可编程控制器、空气开关、可控硅移相触发器、驱动器、计数器、开关电源、中间继电器等组成，如图1所示。

1.2 工作原理

图1 总体方案设计图

系统的工作原理是：启动步进电机（正常工作时由控制系统控制启停），通过减速器带动同步带传动，使主动端组件转动，通过链条组件传动，使放置在管卡上的太阳能集热管在生产线上移动。当集热管到达烤消工位时，光电开关发出信号，步进电机停转，传输带停止移动工件，高频加热设备由气压滑台带动移动到指定位置，高频感应线圈对集热管进行烤消，同时后部的激光打标机对相应工位上集热管进行打标。烤消完毕，高频加热设备在气压滑台带动下退回到原始位置，传输带继续启动行走，到下一根真空管到达烤消工位再进行烤消，同步进行另一工位上的打标。

在此过程中，太阳能真空管通过传输线自动送料到达烤消位置，通过光电传感器准确定位，启动气动装置，让高频加热线圈与太阳能管准确对接，并进行烤消。烤消过程由系统自动控制烤消温度，烤消完毕太阳能管继续由传输带传输到打标位置，通过光电传感器准确定位，启动打标机进行打标。打标的开始时间与烤消开始时间同步，但由于打标时间节拍比烤消时间节拍稍短，所以打标结束后真空管要在原地停顿以补充不足时间。烤消结束后，传输线将真空管送至出料口。

2 传输装置的设计

2.1 链条传输装置创新设计

传输装置即传输线，是本生产线的基础，传输线既要满足太阳能管的传输移动，还应将其进行固定，太阳能管不是随意地堆放，而是一根一根的进行烤消和打标。另外，在传输过程中要准确定位，烤消和打标的位置是固定的，太阳能管必须在相应的位置准确停放，这要求传输线在传输过程中误差很小。为此，设计了具有特殊结构的以链条传动为核心的传输线。设计的链条组件结构原理图如图2所示。

图2 链条组件结构原理图

链条组件由链条、链条支架、管卡、横撑组成。对国标链条进行改装，在链条上每隔一定距离安装一个链条支架，在支架上安装管卡，用来准确放置集热管，左右两排链条用横撑连接，使链条组件形成一个整体，消除左右两侧链条传动误差。在机架体上装有链条托架，用来支撑链条。

2.2 传动组件结构设计

传动组件安装在机架体上，由主动端组件、从动端组件、链条组件等组成；主动端组件由安装在主动轴上的链轮同步带轮和轴承支座组成；从动端组件由安装在从动轴上链轮、链轮和链条张紧装置组成，如图3、图4所示。

图3 主动端组件原理图

图4 从动端组件原理图

3 电气传动系统设计

3.1 动力驱动系统设计

根据传输线的要求，传输带是间歇运动，频繁启停，准确定位，所以选择步进电机作为传输线的动力设备。

驱动装置安装在机架体的角铁架上，如图1所示，包括步进电机、减速器、同步带和同步带轮，步进电机连接减速器，减速器的输出轴上安装同步带轮，经同步带连接输出动力。步进电机采用86BYG250H大力矩电机，配套使用FX860A驱动器，配以开关电源：S-350-48，S-50W-24。

3.2 气压滑台和烤消装置的设计

太阳能管必须插进高频感应圈内进行烤消，插进和拨出做的是横向运动，而太阳能管在传输线的运动是纵向运动，为了提高效率，设计了气压滑台来拖动高频感应圈作横向运动。高频感应圈从高频感应炉剥离，由导线相连接，感应圈固定在气压滑台上，气压滑台由两个电磁阀控制做前后方向的横向运动。

当太阳能管到达烤消位置并且停止，通过光电开关将信号传给控制系统，控制气压滑台作横向运动，使高频感应圈接近并套上太阳能管烤消部位进行烤消。烤消完毕，控制系统发出指令让气压滑台作横向运动，退回到初始位置，使太阳能管继续沿传输线传输，到达打标工位。设计的气压滑台如图5所示。

图5 气压滑台示意图

4 烤消温度控制

4.1 烤消温度控制原理

烤消温度控制模块由PLC、光电传感器、可控硅移相触发电路、GPL-5KW高频感应炉等组成，如图6所示。烤消温度控制的基本过程是：用光电高温计读取高频感应炉的温度，输出一个与温度对应的电压信号，此信号经过放大、滤波处理后送到PLC，PLC将此温度与设定温度相比较，经过PID运算，产生一个控制电压，此控制电压的大小决定可控硅移相触发电路的触发相位，从而控制高频感应炉的输入功率，进而调节温度，可以获得很高的温度控制精度。

系统采用KC05可控硅移相触发器，该触发器适用于双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制。具有锯齿波线性好、移相范围宽、控制方式简单、易于集中控制、有交互保护、输出电流大等优点。系统采用GPL-5KW高频感应炉，采用互感耦合自激式振荡器，振荡功率为5kW，振荡频率为500±50KHz，电路简洁，效率高，调节方便，价格便宜。

图6 烤消温度系统硬件结构框图

4.2 烤消温度控制系统硬件设计

根据烤消温度控制系统原理图设计的硬件结构框图如图7所示。

图7 烤消温度系统硬件结构框图

4.3 烤消温度控制系统软件设计

本系统以PLC为核心控制器，主要完成PID运算和系统的逻辑控制。系统启动时，先作初始化处理，采用特殊辅助继电器M8002产生初始脉冲，将要使用的内部寄存器清零。

由于温度调节具有滞后性，所以必须要进行PID调节。将FX2N-2AD 温度反馈电压信号和给定温度电压值进行比较，传入PID调节器，经过运算后输出运算值，驱动调节模块，完成温度的自动控制。烤消温度控制系统程序设计流程图如图8所示。

图8 温度控制系统软件设计流程图

5 电气控制系统设计

5.1 设计要求

1）步进电动机的启动与停止：太阳能管由上料系统进入传输线后就可以进行启动，工作完毕就可停止。

2）步进电动机控制：由PLC作为控制器，根据指令或传感器信号，通过驱动器对步进电机进行控制，可以准确启停，可以调速。

3）烤消的启停：当太阳能管到达烤消工位时，传输线立即停止，启动气压滑台移动，感应线圈弹出，包住太阳能管顶部烤消部位进行加热烤消。烤消完毕，气压滑台向后滑动，感应线圈复位，同时启动步进电机使传输线继续运行。

4）打标机的启停：当太阳能管到达打标工位时，传输带停止，启动打标机，用事前设计好的商标和相应参数在太阳能管上进行打标。打标时间一般为3秒，打标完成关闭打标机。在打标的同时，前工位的太阳能管也同时达到烤消工位同步进行烤消，烤消时间是12秒。这时段的烤消和打标完毕，传输线继续运行。

5）对生产线上经过烤消打标的太阳能管进行计数。

5.2 主电路的设计

根据控制要求设计的系统主电路如图9所示。

图9 控制系统主电路图

由空气开关引出220V交流电，分别送给开关电源10、开关电源（9）、计数器（6）、PLC7的电源端，经过中间继电器KA0送给高频炉12，经过中间继电器KA1送给打标机13、经过中间继电器KA2送给电磁阀A、经过中间继电器KA3送给电磁阀B；开关电源10输出端P48和N48分别接入步进电机驱动电源（8）的相应端子。

图中计数器（6）的引脚①、②分别接交流220V电源，引脚③、④并接KA1，当光电开关B检测到太阳能管时，信号经PLC产生脉冲，KA1闭合计数；PLC开关电源9，其输入端接交流220V电源，输出端接PLC7的P24、N24两端；步进电机驱动器8，由P48、N48供电，输入端接PLC输出端，输出端分别接步进电机的A、B两相绕组；两相步进电机11由驱动器提供两相脉冲电源,根据脉冲信号实现启停和调速。

5.3 控制电路的设计

系统PLC硬件控制电路设计如图10所示。

图10 控制系统硬件控制电路图

图中16～22为PLC输入接线端子，16接交流电零线，17接交流220V相线，18接直流24V正极，19为PLC输入端X0,接启动按钮，20为PLC输入端X1,接停止按钮，21为PLC输入端X2，接光电开关A，22为PLC输入端X3，接光电开关B。23～30为PLC输出接线端子，23为PLC输出端Y0，接中间继电器KA0至高频炉，24为PLC输出端Y1，接中间继电器KA1至打标机，25为PLC输出端Y2，接中间继电器KA2至电磁阀A，26为PLC输出端Y3，接中间继电器KA3至电磁阀B，PLC输出端Y4，接步进电机驱动器8输入端，27～30接到PLC开关电源（9）上P24端；中间继电器KA02中间继电器KA1、中间继电器KA2、中间继电器KA3线圈一侧接到开关电源9的N24上。

系统的电气控制原理是：合上空气开关，按下启动按钮，PLC7输出端Y4产生脉冲信号启动步进电机，使链条传输线运动，固定在管卡上的太阳能集热管在传输线上移动；当太阳能集热管到达烤消工位时，光电开关A检测到信号，并将信号传给PLC，PLC输出端Y4产生停止信号，让步进电机停转；同时PLC输出端Y2输出信号，中间继电器KA2闭合，电磁阀A14工作，高频感应圈随气动滑台移动到相应位置，套上太阳能集热管进行烤消；与此同时，打标工位上光电开关B也检测到信号，通过PLC输出端Y4产生输出信号让步进电机停止，双重信号确保电机停止，通过PLC输出端Y1产生信号，对集热管进行打标；烤消完毕后（此时打标工作也已完成），PLC输出端Y2输出信号，中间继电器KA3闭合，电磁阀B15工作，高频感应圈随气动滑台退回到原来位置，步进电机再次启动使传输线运动，当下一根集热管到达烤消工位再进行烤消时，同步进行另一工位上的打标。同时通过中间继电器KA1送至计数器进行计数。

6 结论

对太阳能真空集热管的烤消打标生产线进行了研究和设计，研制的样机如图11所示。实践证明，研制的太阳能集热管烤消打标生产线能够实现烤消打标一体化，可进行流水线作业，保证了产品质量，降低了生产成本，提高了生产效率。

图11 太阳能集热管烤消打标生产线样机

主要工作的关键点如下：

1）烤消作业节拍柔性控制。设计了以PLC为核心的控制系统，根据集热管钡镆情况，通过对感应炉温度的精确控制来提高集热管烤消的质量，提高了产品合格率；同时根据不同的集热管烤消时间不同，通过PLC柔性控制烤消时间。

2）对高频加热设备中的高频感应线圈进行了改造。将常规线圈改成可以移动线圈，线圈可以随着集热管的位置来回自由移动，使真空集热管在输送线行走时无阻挡，提高了工作效率，同时也保证了真空管在高频感应线圈中的蒸散效果。

3）将烤消与激光打标两个工序集成在一条生产线。对国标链条进行了结构创新改造，设计了新型实用的链传动机械传输线和PLC控制电路，并进行软件的设计，使烤消时间与打标节拍相吻合，实现烤消打标的自动控制。

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