水冷模块样机自动在线检测系统研究与应用_黄静.pdf

【106】第45卷 第02期 2023-02收稿日期：2021-04-19基金项目：合肥通用机械研究院青年基金项目（2019010375）作者简介：黄静（1991-），男，安徽人，工程师，硕士，研究方向为机电液系统自动化控制。水冷模块样机自动在线检测系统研究与应用The research and application of the automatic on-line testing system for water-cooling module prototypes黄 静*，张 成，王 烜，张 伟，陈 熙HUANG Jing*，ZHANG Cheng，WANG Xuan，ZHANG Wei，CHEN Xi（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）摘 要：针对制冷工厂产品的标准化、批量化、在线化的制造过程中存在检测效率慢、周期长，检测过程离线、分散、非自动化等问题，设计了一种水冷模块样机自动在线检测系统，确定了检测流程和整体检测方案，对该检测系统进行了硬件平台设计和关键核心硬件选型，并基于C+Builder开发了软件系统，该系统可对被测样机和试验平台进行实时的协同测试和控制，可实现样机在线检测的在线判断决策和在线切换执行。关键词：水冷样机；在线检测；实时通信；协同控制中图分类号：TP273+.5 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0106-050 引言随着人工智能技术不断应用于制造领域，可以预见智能工厂已经逐渐成为大势所趋，智能化将是构成未来工业体系的一个关键特征14。制冷工厂产品检测系统，作为工厂智能化的重要体现，承担着工厂产品的研发、测试、技术评定等重要功能，其智能化程度直接决定着工厂产品研发生产质量、工厂运行效率和运维成本5。在制冷产品领域，对制冷产品的测试主要是通过制冷试验装置来实现的，经过二十多年的发展，试验装置技术已经达到了自动或半自动化水准，基于PLC或NI虚拟仪器为核心的控制系统，以采集器和各类传感器为核心的测试系统6,7，以调节表和各类模拟量输出模块为核心的调控系统，现基本可实现试验装置本体的自动或半自动测试和控制810。然而，目前制冷产品试验装置的研究和设计重点只在于试验装置试验工况的实现和被测样机性能的测试，二者之间没有任何联动，试验装置测控系统和被测样机内部测控系统是两套独立的系统，无法同时测试二者的运行数据，更无法对二者进行同步协调控制，样机的检测流程是离线的、分散的、非自动的，尤其是在样机出厂质检过程中，目前试验装置则显得非常乏力。在工厂中，尤其针对工厂中的生产部门，机器的生产制造都是流水线，由于每台机器出厂前都需要检测，在样机出厂质检过程中，待测样机数量大、测试项目多且侧重样机内部各状态运行参数和内部保护功能等、检测时间效率要求高、检测流程切换速度快，即一台样机的一项测试参数运行合格之后即迅速切换至下一项运行参数的测试，等等需求的客观存在，这就对制冷产品的检测提出了新的要求，即样机的检测流程需要实时化、自动化、在线化，在短时间内要完成被测样机各种状态、各种模式的运行切换，对被测样机各种模式下的内部运行数据即时判稳，同时，试验装置的工况要即时匹配，要保证被测样机的运行及测试与试验装置的工况状态要协同化，也就是说，试验装置与被测样机的运行需要保持同步性，试验装置工况的切换和被测样机运转状态的切换要保持一致，对工况参数和样机运行参数同步判稳，二者稳定时间同时达到预定时长后才可同步切换至下一测试流程。目前针对类似情况，国内外工厂都是一方面安排实验员操作试验装置、手动转换各类工况，另一方面单独安排实验人员手工记录样机测试数据，手动操作切换样机运行状态，无法实现样机的自动在线检测，样机的检测结果也是人为判断是否合格，不可避免的降低了样机的检测效率、提高了检测结果出错的可能性，也提高了工厂的人力成本和运行维护成本，降低了工厂的智能化程度。1 水冷模块样机自动在线检测流程基本构成1.1 水冷模块样机系统构成本论文基于项目现场某一系列水冷模块样机为检测对象,该样机外机系统原理如图1所示，压缩机是整套系统的运行核心，制冷工况下，冷媒从压缩机排气口出来至油分离器，经四通换向阀C口至套管换热器完成换热，再经冷凝器冷凝，最后经液管截止阀至室内机，室内机冷媒经气管截止阀回到外机再经四通阀S口进入气液分离器回到压缩通讯与网络第45卷 第02期 2023-02【107】机吸气口，至此，完成一次制冷循环，制热工况下，循环过程则相反。样机主要有制冷、制热和冷媒回收三个运行模式转换，故检测系统必须包含这几个模式下样机温度、压力、频率和电流等信号，另外，关键的元器件，如四通阀、吸/排油电磁阀、均压电磁阀、膨胀阀、高低压保护等的动作和状态必须保证实时监控。即检测系统必须能自动测试和切换样机运行状态、实时采集和控制样机内部元器件的动作状态，同时，试验平台的水温、水流量和环温等实时工况必须符合要求。图1 被测样机系统原理图针对该样机的性能特性，分析检测需求，设计了相应的检测流程，如图2所示，上电初始化完成之后，即开始开机前测试，判断电压、频率、加热带功率等，同时启动工况设备，稳定试验工况信息，后面所有测试流程均对试验工况信息同步判稳，如若任一工况不稳，即时发出报警，停止试验；接着进入低压启动测试、制冷运行测试、膨胀阀LEVa1/2动作测试、制热运行测试、冷媒回收、高压压力测试等。以上步骤完成之后，即完成对一台样机的在线检测，整个检测流程中，样机的运行数据判断和运行模式的切换全部自动化，成功实现了样机检测的在线判断决策和在线切换执行。上电初始化开始开机前测试低压启动测试制冷运行测试制热运行测试冷媒回收测试高压压力开关动作测试膨胀阀LEVa1/2动作测试停机图2 被测样机检测流程1.2 自动在线检测系统整体方案样机自动在线检测方案如图3所示。主要分为上位机、试验平台和被测样机三大模块，试验平台和被测样机相当于两个独立的子站，这两个子站之间无数据交流，上位机相当于总站，管控着被测样机和试验平台的协同测试和控制，被测样机可以是一台，也可以是多台同时在线检测。上位机被测样机试验平台实时通信试验工况运行信息被测样机运行信息切换被测样机运行状态控制和调节试验工况图3 自动在线检测整体方案自动在线检测具体流程图4所示，上电初始化之后，首先开机前测试，针对被测样机加热带输入功率、通信、电源相序及传感器插接等，主要判断电源电压、频率和加热带功率值等是否符合要求，该过程稳定至30s后，自动切换至第二步，样机低压启动，上位机控制变频电源输出85%电压至被测样机，在变频样机启动30s后，电压恢复成100%正常电压，即进入第三步，制冷运行测试，压缩机频率开到50HZ，膨胀阀LEVa1、2保持470Pls，膨胀阀LEVb保持5pls。将均压电磁阀SV1、制冷剂抽出电磁阀SV11、吸油电磁阀SV10通电，同时膨胀阀LEVb开为300pls，其他阀关闭，该过程判断样机运转参数Tdi、Ts、Tsi、Tliqsc、Toci1/2、Tsco、Tsuc、Tao、Twi、Two1、Two2、Pd、Ps、Toil、Toilp、输入功率、电流等在指定范围内。同时记录SV1、SV11、SV10通电前后T4、T5温度，LEVb开启前后温度T3，T4升高5K以上，SV1合格，T5上升5K以上，则SV11合格，T3点温度降低5K以上，则LEVb合格。以上均合格之后，稳定70s后，自动切换至膨胀阀LEVa1/2的判断，即第四步，膨胀阀LEVa1关闭到32Pls，膨胀阀LEVa2保持470pls，判断ACC吸气管温度与除霜传感器2温度之差，当大于1时，即符合要求，稳定至预设时间之后，切换至第五步，制热运行，膨胀阀LEVa1/2均开到470pls，压缩机制热运行，同第三步，记录所有制热运行参数，同时比较低外环温用电磁阀SV6、放油电磁阀SV9、吸油电磁阀SV10通电前后T1、T6温度，均符合要求之后，切换至第七步，高压压力开关动作确认，均压电磁阀SV1开启30秒后关闭，机组制热启动，当高低压差Pd-Ps0.4MPa时四通阀4WV立即ON，高压开关断开时，室外机报警立即停机，最后，停机检测结束。【108】第45卷 第02期 2023-022 软硬件系统设计和选型2.1 系统硬件平台设计该平台共分为三个层级：管理级、控制级和现场级，如图5所示。管理级即上位机，作为检测系统的大脑，完成对检测系统控制层级的控制目的输入，采集模拟工况运行参数，与用户实时交流。控制级是整套系统的核心，主要包括主控制器模块、数据采集模块和被测样机通信模块，其中主控制器模块完成对试验工况模拟设备模块的控制和各类信息采集，通过串口通信单元与变频电源模块实时通信，完成对变频电源的控制，同时，主控制器模块与被测样机通信模块的实时通信，完成对被测样机的运行状态的数据采集和运行流程的切换控制，数据采集模块完成对试验工况模拟设备模块的测点，如温度、压力、压差、流量等，实时采集。现场级包括试验工况模拟模块、变频电源模块和被测样机模块，该层级为整体系统的最终执行端。上位机数据采集模块变频电源模块被测样机通信模块室内机室外机被测样机模块温度、压力、流量等测点传感器试验工况模拟设备模块水泵、阀门、风机等工况模拟设备PLC控制单元主控制器模块串口通信单元数字量输入/输出单元模拟量输入/输出单元PID调节单元管理级控制级现场级图5 自动在线检测系统硬件平台设计2.2 关键设备选型控制核心选用西门子Simatic S7-1500系列产品，该系列是西门子旗下高端产品，该系列产品性能优异，集成开始上电初始化试验工况调控，开启水泵、机组、电加热等系统设备NO样机供电电源电压、频率、加热带功率等参数是否合格判断工况是否稳定提示报警信息NO制冷低压启动样机样机运转、膨胀阀LEVa1/2，LEVb电磁阀动作等是否合格NOYESYES样机制冷运行压机工频启动，电磁阀SV1/SV11/SV10通电确认制冷运行各参数、T4/T5/T3温度变化等参数是否合格YESNO膨胀阀LEVa1/2确认判断ACC吸气管温度与除霜传感器2温度之差是否1NO样机制热运行，四通阀切换确认制热运行各参数、T1/T2温度变化等参数是否合格YESNO回收冷媒，开启SV10,关闭SV1，LEVb开为5pls当PS0.1MPa，判断液管电磁阀动作是否正常NO高压压力开关动作确认高压Pd升高到（3.84.3）Mpa，判断高压开关是否断开YESNO出具试验报告断电停机YESYESYES图4 自动在线检测系统流程第45卷 第02期 2023-02【109】了各类通信功能，可通过组态与其他设备或上位机建立通信，在进行S7-1500 PLC编程时，使用的主要软件是TIA博图软件，在硬件组态、网络连接一级上位组态方面具有操作简单、使用方便快捷的特点。PLC主机选用CPU1511-1 PN主机，该CPU功能强大、扩展能力强，最快位处理速度大1ns。数字量输入输出单元分别选用DI 16x24VDC HF和DQ 16x230VAC/2A继电器，可分别实现16通道的输出和输出控制。模拟量输入输出单元分别选用AI 8x U/I/RTD/TC ST和AQ 8x U/I HS，模拟输入可实现电流、电压、铂电阻和热电偶等信号的采集，模拟输出可实现15V和420mA的信号输出控制。通信模块选用CM PtP,RS244/485，通信速率115.2kbit/s，最大报文长度4kbyte，满足使用要求。3 系统通信协议设计和软件开发3.1 系统通信协议设计在工业现场，各类装置和设备之间的通信，都是由工业现场总线来实现的，工业现场总线技术是指用于工业生产现场的新型工业控制技术，是一种在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实现双向、互联、串行和多节点的数字通信技术，常用的现场总线有基金会现场总线（FF）、MODBUS、PROFIBUS、CANLonWorks和CC-Link等等11。由于在线检测的对象样机的控制器可能是不同类型、不同厂家、不同版本的控制硬件系统，因此对检测系统的通用性和普适性方