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SPD 生产自动化的设计与实现

_本文原始标题：SPD生产自动化的设计与实现
该SPD自动化改造方案在上海辰竹仪表有限公司实施后 ， 电源SPD的焊接工序平均工时降低为原来的30% ， 检验工序平均工时减少为原来的35% ， 生产效率提高了两倍 。 产品质量也相对有所提高 ， 而且所有检验数据可追溯查询 ， 为以后产品的升级改进和精益生产提供了数据支撑 。
上海辰竹仪表有限公司（简称“上海辰竹”）成立于2002年4月 ， 由上海工业自动化仪表研究所九·五国家重点科技攻关“本安自控系统关联设备（安全栅）技术研究及产业化”项目组转制而来 ， 专业从事工业自动化控制系统中电气信号的防爆安全 ， 防电磁干扰安全、防雷安全、机械功能安全、控制功能安全等安全仪表的技术研究、产品设计、制造、销售及服务 。
摘要:
针对电涌保护器生产过程中焊接和检验这两个主要瓶颈工序 ， 从电涌保护器(SPD)的原理和结构入手 ， 阐明它的生产工艺流程 ， 并进行自动化设计 。 通过机器人、智能控制器、防雷元件测试仪和数字万用表等 ， 实现对SPD的自动化生产 。 自动检验系统采用FameView组态软件实现产品检验指标和流程的设置 ， 自动判定合格并分拣 。 检验数据可存储、查询和分析 。 文章详细介绍了自动化的软硬件设计方法 ， 以及调试和验证的实现过程 。 通过自动化 ， 实现SPD生产效率提高两倍 ， 并且减少了人为因素的质量隐患 ， 提升了产品直通率 。
关键词:
电涌保护器;气体放电管;压敏电阻;瞬态电压抑制二级管;生产自动化;焊接;点胶;智能控制器;防雷元件测试仪
0引言
【SPD 生产自动化的设计与实现】电涌保护器(SurgeProtectiveDevice ， SPD)是一种为各种电子设备、仪器仪表、通信线路提供安全防护的电子装置 。 当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时 ， SPD能在极短的时间内导通分流、限制电压 ， 从而避免电涌过电压或过电流对回路中其他设备的损害 。
在先进制造与自动化领域 ， 为了保障安全生产、防止系统受到雷电或电涌导致的事故和灾害发生 ， 除安装避雷针和防雷接地系统外 ， 加装SPD保护电气和电子设备也越来越重要 。 甚至在建筑、电信等行业 ， 这已成为强制要求 。 随着各行业对雷电安全意识的提高 ， SPD开始广泛应用在很多场合 。 由于电涌造成的损失已经达到了造成极大的威胁规模 ， 除避雷针和防雷接地外 ， SPD对感应雷的防护也越来越重要 。
SPD的应用重点集中于建筑、电信、电力、新能源、铁路、石油化工、矿山、国防与航天等领域 。 建筑电气领域是目前国内防雷产品的主要领域 ， 除避雷针和防雷接地工程外 ， 市场已逐步退让给更具优势的低电压电气厂家 。 由于SPD的产品生产能力门槛较低 ， 在产品质量、防雷性能、可靠性等方面 ， 存在良莠不齐的现象 。 随着全国各行各业对产品质量的重视 ， SPD产品的质量也将会日益得到人们的关注 。
1SPD的硬件设计
1．1SPD的工作原理及其基本元器件
按照国际电工委员会的定义 ， 电涌保护器是“用于限制瞬时过电压和泄放电涌电流的装置 ， 它至少应包含一个非线性限制元件［1］” 。 其主要功能如下 。
①在被保护电路正常工作、瞬态电涌未到来时:SPD不应对其所保护电路的工作特性有影响 。
②当瞬态电涌到来时:SPD迅速转变为低阻状态 ， 泄放电涌电流 ， 并将被保护设备两端的电压限制到其保护水平 。
③当电涌能量释放后:SPD电涌通过及任何可能出现的工频续流熄灭以后 ， 恢复到高阻抗状态 。
用于SPD的常用的非线性电压限制元件有:气体放电管(gasdischargetube ， GDT)、压敏电阻(metal-oxidevaristor ， MOV)、瞬态电压抑制二极管(transientvolatagesuppessor ， TVS)等 。
1．1．1气体放电管
气体放电管是一种开关型保护器件 ， 工作原理是气体放电 。 当两极间电压足够大时 ， 极间间隙将放电击穿 ， 由原来的高组状态变为类似短路状态［2］ 。 此时 ， 两极间维持的电压很低 ， 一般在20～50V ， 因此可以起到保护后级电路的效果 。 气体放电管的响应时间可达数百ns到数μs ， 在保护器件中是较慢的 。 它主要可应用于:交流电源的N-PE保护、信号线-地保护、天馈口馈线芯线对屏蔽层的保护 。
1．1．2压敏电阻
压敏电阻是一种限压型保护器件 。 当电压出现在压敏电阻的两极间 ， 压敏电阻可以将电压箝位到一个相对固定的值 ， 从而实现对后级电路的保护［3］ 。 压敏电阻的响应时间为ns级 ， 比气体放电管快 ， 比TVS稍慢一些 。 它主要可应用于:直流电源、交流电源、低频信号线路、带馈电的天馈线路的保护 。
1．1．3瞬态电压抑制二极管
瞬态电压抑制二极管(TVS)是一种限压保护器件 。 其作用与压敏电阻很类似 ， 也是利用非线性特性将过电压箝位到一个较低的电压值［4］ ， 实现对后级电路的保护 。 TVS的响应时间可以达到ps级 ， 是限压保护器件中较快的 。 它主要可应用于直流电源、信号线路、天馈线路的防雷保护 。
1．2SPD的结构和电路设计
1．2．1低压配电系统SPD
低压配电系统SPD用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流 ， 至少包含一个非线性元件［5］ 。 其中 ， 普遍采用的是MOV元件 。 MOV元件常为圆片或方片状 ， 由多种金属氧化物(主要是ZnO)组成 。 以T2类电源SPD为例 ， 其典型结构是分体型、可插拔式 。 这类SPD由底座和模块两部分组成 。 安装时 ， 底座固定在DIN35mm导轨上 。 将模块插入底座固定 ， 再将导线连接到底座端子上 。 模块内置热脱扣机构 ， 并具有联动状态指示窗口 ， 用来显示SPD是否失效［6］(红色为失效) 。 若模块已失效 ， 可只将其拆下更换 。 模块内部是压敏电阻或气体放电管 。 它们的组装和焊接是电源SPD生产的主要工序 。 首先要将塑料脱扣指示机构、压敏电阻及其电极安装好 ， 然后将金属电极、金属弹片采用不同熔点的锡丝(或锡膏)进行焊接 。 其中 ， 弹片和电极之间还有铜编织带 ， 事先已通过电流点焊连接在一起 。
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1．2．2信号网络SPD
信号网络SPD的设计主要考虑两个方面:一是SPD安装后保证信号的正常传输 ， 二是SPD安装后的保护效果 。 以分布式控制系统(distributedcontrolsystem ， DCS)用的信号网络SPD为例 ， 主要用在机柜中 ， 采用导轨安装方式 ， 可并排密集安装 。
信号网络SPD内部多数采用二级防雷 ， 由气体放电管、退耦电阻或电感 ， 以及TVS管组成［7］ 。 这些元器件都用于板级电涌防护设计 。
信号网络SPD的印刷电路板(printedcircuitboard ， PCB)设计各不相同 ， 但生产工艺相似 ， 都是通过SMT贴片和THT插件焊接 。
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2SPD的生产工艺
2．1SPD传统的生产工艺流程
SPD生产工艺流程如图1所示 。
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尽管低压电源SPD和信号网络SPD的结构有区别 ， 但是产品的生产工艺流程大同小异 。 对于不同结构和电路的产品 ， 需要增加或减少某些生产工序 。
图1中 ， 虚线框为可选工序 ， 有的产品可能不需要 。 这些工序中相对比较复杂的就是焊接和检验 ， 是生产的瓶颈 。 尤其是对于结构比较复杂的电源SPD ， 焊接效率和质量都难以提高 。
SPD的检验主要通过防雷元件测试仪测量MOV压敏电压和漏电流 ， GDT击穿电压以及串联电路 ， 仅限对地测试 。 SPD中的每根线对地都需要通过防雷元件测试仪进行测试 ， 正负极性各一次 。 此外 ， 还需再增加一些短路、开路功能测试以及外观目测检验 。 这些测量项目难以在一台仪器里集成 ， 而且测试的同时还要人工记录测量值 。
2．2实现SPD自动化生产的目的
SPD市场竞争日益激烈 ， 质量和成本是企业生存的关键 。 随着国内人工成本的不断增长 ， 用户对质量要求越来越高 ， 传统的人工生产方式已经满足不了市场需求 。 实现SPD生产自动化主要目的在于:
①通过自动焊接和自动检验 ， 解决SPD生产瓶颈问题、提高生产效率、降低制造成本;
②自动检验可以记录检测数据 ， 实现可追溯 ， 而且可自动判定是否合格 ， 消除人为质量隐患 。
3SPD生产自动化方案设计
3．1整体方案设计
针对传统的人工生产工艺中“焊接”和“检验”这两个瓶颈 ， 进行生产自动化改造 。 焊接和检验自动化流程如图2所示 。
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3．1．1低压电源SPD自动焊接方案设计
首先 ， 简化电源SPD的结构 ， 设计一款新型转盘式结构(该产品另作项目设计 ， 在此不展开) 。 其主要目的是简化焊接前的组装 ， 以便后续压敏电阻两个电极的焊接 。 其次 ， 通过机器人自动点胶将压敏电阻固定在模盒内 ， 提高产品的抗振性能 ， 也便于后续自动焊接 。 鉴于压敏电阻的吸热慢放热慢的热特性 ， 可将MOV整体预热(在一定温度范围内) ， 同时加速胶水固化 。 最后 ， 通过焊接机器人实现压敏电阻低温电极的自动焊接 ， 需采用低温焊锡丝 ， 确保热脱扣功能安全可靠 。
3．1．2SPD自动检验系统方案设计
SPD自动检验系统 ， 需要实现SPD的各项出厂检验指标测量、记录、合格判定 。 根据SPD电气性能指标 ， 要求测试仪器满足以下条件 。
①MOV压敏电压U1mA为20～2000V ， 测量误差小于±1%FS±1d 。
②GDT气体放电管击穿电压为VB为200～2000V ， 测量误差小于±2%FS±1d 。
③泄漏电流IL(@75%U1mA)为0～100μA ， 测量误差小于±0．2%FS±1d 。
④导通电阻(万用表测试) ， 测量误差为±0．1Ω 。
这套SPD自动检验系统的整体设计方案如图3所示 。 产品通过自动化设备实现上料→传送→扫码→检验→分拣→激光打标→下料 。 检验数据保存在企业数据库中 ， 可以通过计算机查询和分析 。
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3．2软件设计
3．2．1自动点胶和焊接机器人设计
机器人的控制程序主要参考厂家提供的编程指导书进行离线编程 。 通过手持式示教盒对坐标设定、路线优化、点胶阀的开关和延时、烙铁头的角度和高度等进行设定 。 所以机器人的程序要根据产品工装的设计、点胶或焊接的要求 ， 在调试时现场编写 。
3．2．2SPD自动检验系统下位机软件设计
智能控制器的下位机软件比较简单 ， 主要实现设备的启停、合格判定、继电器通道的切换等功能 。 控制器的程序采用PLC梯形图的编程方式 ， 配合上位机进行上述简单的控制功能 。
3．2．3SPD自动检验系统上位机软件设计
上位机软件采用FAMEVIEW组态软件 ， 外围涉及的应用软件主要有SQLSERVER、MULTIPROG、EXCEL 。 SQLSERVER为测试数据的保存及处理中心 。 MULTIPROG把控SPD多功能测试仪的测试流程以及外围电路的切换 。 EXCEL主要用于出产检验卡的打印 。 上位机软件需要控制或通信到的硬件设备有数字万用表(GDM-8261A)、CTOP控制器、CPU模块、条码枪、防雷元件测试仪 。
上位机软件测试流程如图4所示 。
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①系统配置:安装相应的驱动并启动 ， 包括MB_RTU、MB_TCPIP、OPENCOM ， 设置对应的设备数据表 ， 完成CTOP控制器、SPD防雷元器件多功能测试仪与测试软件的通信功能设置 。 OPENCOM为条码枪驱动 ， 采用脚本编程 。
②建立数据库 ， 并完成连接:根据测试数据要求设计相应的数据结构及数据表 ， 然后在FameView中定义变量 ， 并更新到运行的数据库中 。
③界面设计与优化:上位机所有界面包括“登录画面”、“开始画面”、“型号选择画面、“产品测试标准显示画面”、“测试画面”以及“报表打印画面” 。
④脚本设计:测试脚本包括“画面脚本”以及“全局脚本” 。 画面脚本主要维护画面显示 ， 包括SPD的选型、性能测试、串联电阻测试等功能 。 全局脚本主要用于数据处理与合格判定 。
3．3硬件设计
自动化产线上料机、传送机、下料机等可由专业机械自动化公司外包完成 ， 不作为本节叙述内容 。 本节重点介绍自动检验装置的硬件设计 。 SPD自动检验装置主要设备如表1所示 。
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SPD自动检验装置的硬件包括测量设备和自控系统 。 硬件设计拓扑如图5所示 。 工控机作为系统控制中心 ， 通过控制器来控制测量设备的启停及继电器的切换 。 测量数据则通过工控机与各个设备间的通信来获取 。
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4SPD生产自动化调试和验证
4．1自动点胶和焊接的调试与验证
4．1．1自动点胶
设备准备工作:选择正确的耗材 ， 将点胶机两侧的压力控制器调至0;安装AB胶水、点胶阀、针头、混合管;手动控制左右两侧点胶阀 ， 检查胶水能否顺利滴下来;按照工装上压敏电阻模盒的相对位置 ， 以及注胶点和量的控制 ， 在示教盒上进行编程 ， 反复测试验证后确定工艺参数和程序 。 生产时 ， 按照这一工艺参数和程序进行自动点胶 。
4．1．2自动焊接
经过点胶后的压敏模盒放在工装里 ， 一起经过预热炉 ， 预热炉的各温区控制在130℃左右 。 将压敏电阻预热到这个温度范围 ， 经过预热后的治具温度已高达100℃以上 ， 必须带上隔热手套 。 取出已预热的产品模块和治具后立即放到自动焊接台上 ， 进行低温焊接(在1min内) 。
设备准备工作如下:①检查助焊膏是否够用 ， 如果不够先更换助焊膏;②检查毛刷针头是否堵塞 ， 如有堵塞需更换针头;③检查低温焊锡丝选择是否正确 ， 如果不对或者不够 ， 先更换焊锡丝;④调节气压到(0．150±0．02)MPa ， 设定烙铁温度(360±20)℃;⑤启动后面的排气过滤装置 。
按照工装低温焊接点的位置 ， 优化路径 ， 反复测试验证弹片与压敏电极的焊接状况 ， 确定焊接温度、锡量、焊接时间等工艺参数和程序 。 生产时即可按照这一工艺参数和程序进行自动焊接 。
4．2自动检验系统集成测试与验证
硬件集成后 ， 确保电气设备和连接都正常 。 通过智能控制器CTOP调试助手进行控制I/O点的测试 ， 通过组态软件检查进行产品自动检验和数据记录 。
SPD测试项目及测量误差如表2所示 。
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通过多次测量和理论分析 ， 考虑到设备本身的测量误差和继电器触点及导线等引入的系统误差 ， SPD自动检验系统的总测量误差完全满足所有SPD产品的性能测试指标 。
针对系统的测量一致性 ， 通过对多台产品进行每台5次的重复测试 ， 测量结果的一致性和稳定性满足产品检验要求 。
①MOV压敏电压:5次安装、测试 ， 重复性误差最大值为0．67% 。
②GDT击穿电压:5次安装、测试 ， 重复性误差最大值为5．39% 。
5结论
该SPD自动化改造方案在上海辰竹仪表有限公司实施后 ， 电源SPD的焊接工序平均工时降低为原来的30% ， 检验工序平均工时减少为原来的35% ， 生产效率提高了两倍 。 产品质量也相对有所提高 ， 而且所有检验数据可追溯查询 ， 为以后产品的升级改进和精益生产提供了数据支撑 。
采用自动生产线能使全部生产过程保持高度连续性 ， 并显著缩短生产周期 ， 减少工序间的在制品数量和简化计划编制工作 ， 使产品的运输线路达到最短的限度 。 随着用户对质量和成本的要求越来越高 ， SPD生产自动化将是大势所趋 。 企业只有通过自动化和信息化才能跟上时代的步伐 。
参考文献:
［1］李祥超 ， 赵学余 ， 姜长稷 ， 等．电涌保护器(SPD)原理与应用［J］．气象出版社 ， 2010(12):177-178．
［2］国家质量监督检验检疫总局．GB/T18802．311-2007低压电涌保护器元件第311部分:气体放电管(GDT)规范［S］．北京:中国标准出版社 ， 2007．
［3］国家质量监督检验检疫总局．GB/T18802．331-2007低压电涌保护器元件第331部分:金属氧化物压敏电阻(MOV)规范［S］．北京:中国标准出版社 ， 2007．
［4］国家质量监督检验检疫总局．GB/T18802．321-2007低压电涌保护器元件第321部分:雪崩击穿二极管(ABD)规范［S］．北京:中国标准出版社 ， 2007．
［5］李祥超 ， 周中山 ， 张鹏．防雷装置试验理论与实践［J］．西安交通大学出版社 ， 2015(1):112．
［6］国家质量监督检验检疫总局．GB/T18802．1-2011低压配电系统的电涌保护器(SPD)第1部分:性能要求和试验方法［S］．北京:中国标准出版社 ， 2011．
［7］国家质量监督检验检疫总局．GB/T18802．21-2016低压电涌保护器第21部分电信和信号网络的电涌保护器(SPD)性能要求和试验方法［S］．北京:中国标准出版社 ， 2016．
本文发表在《自动化仪表》2020.4
作者：上海辰竹仪表有限公司杜刚陈科企
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