（交通运输工程专业论文）钢管环缝COlt2gt气体保护焊焊接生产线的PLC控制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 钢管的对焊在锅炉、石油等行业有着广泛的应用。根据钢管对焊的工艺特点及生产 批量要求，目前在工程实际中广泛采用c o , 气体保护焊，以充分发挥其焊接成本低，焊接 变形小、节省能量及能组织流水线生产便于充分发挥c o , 气体保护焊生产效率高的优点； 作为生产线的传统控制系统易受到环境干扰、可靠性低、维修困难，并随工艺要求变化 的适应能力较低，从而限制了其应用；因而如何提高钢管环缝c 也气体保护焊焊接生产线 工作的稳定性及对工艺的适应性具有重要意义。本文采用可编程控制器即p l c 对钢管环 缝c o , 气体保护焊焊接生产线进行控制，以达到提高系统工作的稳定性和对焊接工艺的适 应性的目的。 p l c 是在传统的继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，并逐渐发展成以微处 理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。 它具有抗干扰能力强，可靠性高、体积小、维护方便，可进行在线修改等优点，因而适 用于钢管环缝o 吐气体保护焊焊接生产线的实时控制。 本文在设计了钢管环缝气体保护焊焊接生产线硬件组成的基础上，采用变频器技 术对焊接速度进行无级调速；通过对输入、输出信号分配和i o 地址分配，编写合适的 控制软件，使p l c 控制系统能够稳定、正常工作。由于p l c 控制系统处于个高噪声环 境中，因而对p l c 控制系统正常工作有一定影响；为此本文主要从硬件方面采取了屏蔽、 滤波等多种抗干扰措施，以保证系统正常工作。 关键词： 钢管的环缝焊接焊接生产线变频调速p l c 控制技术 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb u t tw e l d i n go fs t e e lp i p eh a saw i d ea p p l i c a t i o ni nt h eb o i l e ra n dp e t r o l e u mi n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ea m o u n to fp r o d u c t sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t e c h n i q u e w h i c hi su s e di nt h e b u t tw e l d i n go fs t e e lp i p e ，c 0 2s h i e l d e da r cw e l d i n gi se x t e n s i v e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n g b e c a u s ei th a sl o w e rc o s t ，s m a l l e rd e f o r m a t i o n , l e s se n e r g yc o n s u m p t i o n , i ti su s e di nt h e p r o d u c t i o nl i n et og e tah i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo f t h e p r o d u c t i o nl i n e i s e a s i l yi n t e r f e r e db yt h ee n v i r o n m e n t ，a n di sd i f f i c u l t yt o b em a i n t a i n e dt o s t a b l e b e s i d e s ，i ta l s oh a sa l o w a d a p t a b i l i t yt om a t c h t h ev a r yo ft h et e c h n i q u e t h e s ef a c t o r s l i m i tt h eu s eo fc 0 2s h i e l d e da r cw e l d i n g t h e r e f o r eh o wt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e p r o d u c t i o nl i n e f o rc 0 2s h i e l d e da r co fc i r c u m f e r e n c eb u t tw e l d i n go fs t e e lp i p ea n dt h e a d a p t a b i l i t yf o rw e l d i n gt e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n t t oo b t a i nt h i sp u r p o s e ，t h ea r t i c l ea d o p t s t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t oc o n t r o lt h ep r o d u c t i o nl i n ef o rc 0 2s h i e l d e da r c o fc i r c u m f e r e n c eb u t tw e l d i n go fs t e e lp i p e t h ed e v e l o p m e n to fp l ci sb a s e do nt h ec o n d u c tk a c o n t r o la n d c o m p u t e rc o n t r 0 1 p l c g r a d u a l l y b e c o m e san e w t y p e o f e q u i p m e n t f o r i n d u s t r y c o n t r o lw h i c hc o r e do f m i c r o p r o c e s s o ra n d ac o m b i n a t i o no ft h ea u t o m a t i c t e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e p l ch a s m a n ya d v a n t a g e ss u c hah i g h e ra b i l i t y f o r r e s i s t i n g i n t e r f e r e n c e ，h i g h e rs t a b i l i t y , s m a l l e rv o l u m e ，b e t t e rm a i n t e n a n c ea n dt h ea b i l i t yo fo n 1 i n e r e g u l a t i o n s op l c i s v e r yp r o p e rt ob eu s e di nt h eo n l i n ec o n t r o li nt h ep r o d u c t i o nl i n ef o r c 0 2 s h i e l d e da r co fc i r c u m f e r e n c eb u t tw e l d i n go fs t e e l p i p e t h ea r t i c l ei sb a s e do nd e s i g n i n gt h eh a r d w a r e c o m p o s i t i o n so fc 0 2s h i e l d e da r co f c i r c u m f e r e n c eb u t tw e l d i n go fs t e e lp i p e ，a d o p tv a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n i q u et or e g u l a t et h e s p e e do fw e l d i n g t h ep r o p e rs o f t w a r ew h i c h i sm a d e b ya l l o c a t i n gt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l a n di 0a d d r e s sm a k e st h ep l cc o n t r o ls y s t e mw o r kw i t hs t a b i l i t ya n dn o r m a l p l cc o n t r o l s y s t e mi su s e di nav e r yn o i s ea t m o s p h e r ew h i c hh a sal i t t l ei n f l u e n c eo nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n 华中科技大学硕士学位论文 o fp l c t oo v e r c o m et h i sf a u l t ，t h ea r t i c l em a i n l ya d o p t ss e v e r a lm e a s u r e so fr e s i s t i n g i n t e r f e r e n c ei nh a r d w a r ea s p e c ts u c ha ss h i e l d i n ga n df i l t e r i n gw a v e ，m a k et h es y s t e mt o n o r m a l l y w o r k k e yw o r d s ：c f r c u m f e r e n c eb u t tw e l d i n g o fs t e e l p i p e p r o d u c t i o nl i n eo fw e l d i n g v a r i a b l ef r e q u e n c yt or e g u l a t et h es p e e dt h ep l cc o n t r o lt e c h n i q u e m 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：t 砷寺、l 朝 日期：z 妒年月3 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密缸 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：啪，、劾指导教师签名 日期：7 4 w - 匀e 年月札日日期：7 睨4 年嘶 勐渺 华中科技大学硕士学位论文 ：= = ；= = = = = = = = = l = = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 1 1 课题研究的目的与意义 1 1 1 钢管在国民经济中的应用 1 绪论 钢管在锅炉电站、压力容器、石油管道、车辆工程等行业有着广泛的、重要的应用： 如锅炉的膜式壁n 、受热面管的制造，起重机卷筒朔的制造，柴油机水套的制造，水轮机 进水管的制造，机车 3 1 的制造，摩托车的进排气管与摩托车消音器的制造，城镇给排水 管道的铺设，特别是在油田、天然气管道1 4 1 的铺设中有着广泛的应用。随着近年来我国 西气东送工程的实施，钢管的应用有着不可替代的作用并具有越来越重要的意义，是我 国现代化建设重要的一环，在国民经济中占有重要的一席之地。 1 1 2 钢管连接方法 早期的钢管连接主要采用螺栓连接和人工铆接的方法。它存在接头强度低，接头密 封性较差并且存在生产效率低的缺点，因此，这种钢管连接方法受到明显的限制。随着 对钢管连接质量要求，特别是接头强度和密封性的提高，需要一种高效率、高质量的新 型连接方法。随着焊接工艺技术水平的不断进步，特别是气体保护焊的发明，钢管连接 采用焊接的方法就成为可能，并可以发挥焊接生产效率高、钢管接头强度高、接头密封 性好以及接头表面质量高的优点。因此，目前在钢管的连接中，一般主要采用焊接连接 的方法。 1 1 3 焊接方法在钢管连接中的应用 综上所述，目前在钢管的连接中，一般主要采用焊接连接的方法。特别是在一些重 要的钢管的连接中，如锅炉的膜式壁、受热面管的制造，柴油机水套的制造，水轮机进 水管的制造，机车的制造，摩托车的进排气管与摩托车消音器的制造，油田、天然气管 道的铺设中只能采用焊接连接的方法；以保证接头的质量。 华中科技大学硕士学位论文 根据调查武汉、上海、成都等地的锅炉压力容器、机车、摩托车等行业，钢管的连 接焊接方法有很多，如摩擦压力焊、电阻对焊、高频感应压力焊、电弧焊等。由于摩擦 压力焊、电阻对焊、高频感应压力焊设备体积庞大，价格昂贵，焊后还需修理焊缝，所 以应用不多；而应用较多的是氩弧焊和c 0 2 气体保护焊，它们都属于电弧焊；其中锅炉 钢管的电弧焊对接时，分几种情况：一种是全氩弧焊( 适用于管壁较薄) ，另一种是钢管 的环缝底层由氩弧焊打底，c 0 2 气体保护焊盖面焊满( 适用于管壁较厚) ，还有一种是 a r ( 氯气) 与c 0 2 混合气体保护焊( 管壁厚介于前两者之间) ，或钢管材质而定，其焊接 质量都可以满足锅炉高温、高压的使用要求，所用焊接装置的自动化程度可视要求可复 杂也可简单，而且控制灵活，维护方便；机车摩托车行业钢管的环缝焊接广泛采用c o ： 气体保护焊；而油田、天然气管道的铺设中，钢管的连接一般采用钨极氩弧焊或者a r 与 c 0 2 混合气体保护焊。 因而，在钢管的焊接连接中，主要采用气体保护焊焊接，以满足焊接接头质量和生 产效率的要求。 1 2 气体保护焊设备及控制系统 1 2 1c 0 2 气体保护焊设备及控制系统 ( 1 ) c 0 2 气体保护焊的特点【5 】 c 0 2 气体保护焊是五十年代初期发展起来的一种新的焊接技术，现已在国内外获得 广泛的应用。它与其它电弧焊相比有以下一些特点： 生产效率高和节省能量 由于该法焊接电流密度较大，通常为1 0 0 3 0 0 a r a m 2 , 这样电弧热量集中，焊丝的熔 化的效率高，母材的熔透深度大，焊接速度高，同时焊后不需要清渣，所以能够显著提 高焊接效率和节省电能： 焊接成本低 由于c 0 2 气体和焊丝的价格低廉，对于焊前的生产准备要求不高，焊后清理和校正 工时少，所以成本低： 华中科技大学硕士学位论文 焊接变形少 由于电弧热量集中、线能量低和c 0 2 气体具有较强的冷却作用，则焊接工件受热面 积小。特别是焊接薄板时，变形很小； 对油、锈的敏感性较低 焊缝中含氢量少，所以提高了焊接低舍金高强度钢抗冷裂纹的能力 短路过渡焊可用于立焊、仰焊和全位置焊接 电弧可见性好，有利于观察，使焊丝对准焊接线。尤其是在半自动焊时可以较容 易地实现短焊缝和曲线焊缝的焊接工作； 操作简单，容易掌握 ( 2 ) c 0 2 焊接设备的组成【6 】 7 1 c 0 2 焊接设备根据其焊接自动化程度、机种和外观的不同有很大的差异。但基本上 都是由以下几个部分组成： 焊接电源 控制系统 送丝机构 焊枪与焊接小车 c 0 2 气瓶、流量计与减压阀 冷却水循环装置( 用于大电流焊接时冷却焊枪) 焊接电源一般为直流平外特性或缓降外特性，只有在粗丝c 0 2 焊时选用陡降外特性。 送丝机构是驱动焊丝向焊枪输送的装置。它处在焊接电源与工件之间，但一般情况 下更靠近工件，以减小送丝阻力，提i 每送丝的稳定性。 焊枪是输送焊丝、馈送电流和保护气体的操作器具。所以焊接电缆、控制电缆、送 丝软管、气管及冷却水管等都与它相连。 c 0 2 气体的压力和流量由减压表和流量计来调节。如果c 0 2 气体的流量较大时，还 需要有加热c o ：气体的预热器，否则易使减压表冻结。 ( 3 ) c 0 2 焊接控制系统 半自动c 0 2 焊焊接控制系统主要由电源的控制电路、送丝机构的调速电路、焊接过 3 华中科技大学硕士学位论文 程程序控制电路以及显示电路与保护电路组成。控制系统的主要功能包括：控制电源的 通断；调整焊接电流和电弧电压；控制送丝速度；供给与停送保护气体；控制焊接小车 或工件的移动速度( 即焊接速度) ；对于自动焊来说还有焊接程序的转换；当焊接电流超 过5 0 0 a 的情况下，焊枪还需设置冷却水循环装置。 控制系统一般采用由“与非门”、“r s ”触发器等电子逻辑元器件及继电器组成的步 进式顺控器作为控制系统的核心，因而容易造成控制系统易受到环境干扰，可靠性低、 维修困难【8 】f 9 】，并随焊接工艺要求变化的适应能力较低；其焊接速度的调整一般采用传统 的晶闸管调压控制的直流驱动电机调速来保证。 1 2 2 钨极置弧焊设备及控制系统 ( 1 ) 钨极氩弧焊的特点 钨极氩弧焊是气体保护焊中的一种，通常又称为“ r i g ”焊。它的电极是用难熔金属 钨或钨的合金棒。电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接 过程稳定，焊接质量好。焊接时，电极、电弧区和熔化金属都处在氩气保护之中，使之 与空气隔离。当保护气体采用氮气时称氦弧焊，有时也采用氮或氩的混合气体【1 0 1 。 钨极氩弧焊分为手工焊和自动焊两种。焊接时，填充焊丝在钨极前方添加。当焊接 薄焊件时，一般不需要开坡口和加填充焊丝。为满足焊接0 8m m 以下薄板的需要，并为 适应新材料和新型结构的焊接要求，焊接方法上又出现了新的形式，如钨极脉冲氨弧焊、 钨极氩弧点焊或在充氦的气室中焊接等等。 ( 2 ) 钨极氩弧焊设备的组成【1 1 】 钨极氩弧焊设备与c 0 2 焊接设备相类似，自动钨极氩弧焊基本上也都是由以下几个 部分组成： 焊接电源 控制系统 送丝机构 焊枪与焊接小车 a r 气瓶、流量计与减压阀 4 华中科技大学硕士学位论文 冷却水循环装置( 用于大电流焊接时冷却焊枪) 除焊接电源和焊枪结构与c 0 2 气体保护焊不同外，其它结构基本相同。 焊接电源一般选用弧焊变压器和脉冲弧焊电源，其中脉冲弧焊电源特别适应于全位 置钢管的对接；焊枪结构中由于采用钨电极，因而与c o ：气体保护焊不同。 ( 3 ) 钨极氩弧焊焊接控制系统 传统的钨极氩弧焊焊接控制系统与c 0 2 气体保护焊基本相同。 1 2 3 气体保护焊新型控制系统 ( 1 ) 分布式计算机控制系统 它使用单片微机来进行直接数字控制，置于分级控制系统的最底层。而用微型计算 机或小型计算机作为上级计算机，完成协调各控制器的工作、优化系统特性、采集数据 等功能。另外，在需要时，还有更上一级的管理计算机，完成制定生产计划、产品管理、 财务管理、人员管理等功能，它一般使用高档微机或中、小型计算机实现具有大容量外 存和各种外部设备。 随着分布式系统的大量使用，现在己出现了多种专门用于工业控制用的分布式系统 结构，它们有各自的通信方式和通信规程。如i n t e l 公司推出的b i t b u s 系统，m o t o r o l a 公司等联合推出的l o nw o r k s 系统。气体保护焊中已经开始应用分布式计算机控制系统。 ( 2 ) 可编程序控制器控制系统 以微处理器为基础的可编程序控制器，是过程控制的专用微机系统，它是面向生产 过程控制的新型自动化装置。它用来取代传统的继电器完成开关量的控制，如输入、输 出，以及定时，计数等，具有体积小，可靠性高、编程方便、使用简单、抗干扰能力强 等特点。近几年来，可编程序控制器得到迅速发展；并且出现了具有a d 、d a 和p i d 调 节等功能的可编程序控制器。近年来，从国外引进的自动化气体保护焊装置中很多采用 可编程序控制器控制系统。 本文在钢管的环缝焊接自动化装置中采用可编程序控制器控制系统。 5 华中科技大学硕士学位论文 1 3p l c 控制理论 1 3 1 可编程序控制器的特点、应用及发展 u l i ”i 可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，并逐渐发展成 以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控 制装置。早期的可编程序控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为可编程序逻辑控 制器( p r o 鲥衄m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 简称p l c 。随着技术的发展，其控制功能不断增 强，因此美国电气制造协会( n e m a ) 于1 9 8 0 年将它正式命名为可编程序控制器 ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 简称p c 。但是进年来p c 又成为个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 的简称，为了加以区别，现在常常把可编程序控制器又称为p l c 。 国际电工委员会( i e c ) 颁布的可编程序控制器标准草案中对可编程序控制器作了如 下的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而 设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、 计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的 机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整 体，易于扩充其功能的设计。 ( 1 ) 可编程序控制器的特点 抗干扰能力强、可靠性高。可编程序控制器是专为工业控制而设计的，除了对器 件的严格筛选和优化外，在硬件和软件两个方面还采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断 和自动恢复等措施，使可编程序控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到 ( 3 5 ) 加4 h 以上： 模块化组合结构，使系统构成十分灵活。能根据各种要求组成不同的控制系统， 对于同一个控制系统，只要用编程器在线或离线修改程序，就能变更控制功能； 编程语言简单易学，便于掌握。p l c 采用面向控制过程的编程语言，使用的是梯 形图或简单的指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，形象直观，容易掌握： 能进行在线修改柔性好： 6 华中科技大学硕士学位论文 体积小，维护方便。 ( 2 ) 可编程序控制器的应用和发展 自从6 0 年代末，美国首先研制和使用可编程序控制器以后，世界各国特别是日本和 德国也相继开发了各自的p l c ，广泛应用于钢铁、石油化工、机械制造、汽车装配、电 力、轻纺等各行各业。在美国，p l c 的应用在各类自动化仪表或系统中已名列前茅，目 前比较著名的生产厂家有a b 公司、g e 电气公司、g m 公司、t i 仪器公司、西屋电气公 司等。德国研制和应用p l c 也很迅速，其中著名的有西门子公司、b b c 公司等。 据日本n o m u r a 研究所公布资料称，日本最早出现p l c 是立石( o m r o n ) 公司。 目前日本最大三家p l c 制造厂为o m r o n 公司、三菱公司和日立公司。 我国在8 0 年代初才开始使用p l c ，目前从国外引进的p l c ，使用较为普遍的有日本 o m r o n 公司c 系列、三菱公司f 系列、美国g e 公司g e 系列、德国西门子公司s 系 列等。与此同时国内科研院所和工厂也在消化和引进p l c 技术的基础上，研制了自己的 p l c 产品。但目前使用的p l c 还主要依赖进口，从长远来看，逐步实现国产化也是发展 的必然趋势。 值得一提的是，p l c 的应用在机械工业十分重要。据国外有关资料统计，用于机械 行业的p l c 销售占总额的6 0 。可以说p l c 是实现机电一体化的重要工具，也是机械工 业技术进步的强大支柱。进入9 0 年代后，工业自动控制领域几乎全被p l c 占领。 典型的p l c 控制功能有以下几点： 顺序控制：这是p l c 最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺序控制如印 刷机械、组合机床、装配生产线及电梯控制等； 过程控制；在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液 位、速度、电流和电压等，称为模拟量。p l c 有a d 和d a 转换模块，这样p l c 可以 作模拟控制，用于过程控制： 数据处理：一般p l c 都设有四则运算指令，可以很方便地对生产过程中的数据 进行处理。用p l c 可以构成监控系统，进行数据采集和处理、监控生产过程； 通信联网和显示打印：某些控制系统需要多台p l c 连接起来使用或者由一台计 算机与多台p l c 组成分布式控制系统。可编程序控制器的通信模块可以满足这些通信联 7 华中科技大学硕士学位论文 网要求。可编程序控制器还可以连接显示终端和打印机等外围设备，从而实现显示和打 印功能。 表1 - 1 各种工业自动控制设备的使用比较 设备名次比例 可编程序控制器 18 2 过程控制仪表 27 9 计算机 34 3 专用控制器 43 6 数据采集系统 52 7 能源管理系统 6 2 4 自动材料处理系统72 3 分散控制系统82 2 自动检查、测试91 8 数控( d n c 和c n c )1 01 5 材料供应计划系统1 11 4 传送机械1 29 c d 妃a n l1 3 8 机器人、机器手1 46 随着半导体技术，特别是微处理器和微型计算机技术的发展，使p l c 的功能曰趋 完善。今后，p l c 的发展将朝着以下两个方向进行：一个是向超小型、专用化和低价格 的方向发展；另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方向发展，以适应 现代化的大型工厂企业自动化生产的需要。 1 3 2 可编程序控制器的组成 ( 1 ) 可编程序控制器的组成 可编程序控制器的主要由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r a m 、r o m ) 、输入输出 r 华中科技大学硕士学位论文 单元( i o ) 、电源和编程器等几部分组成。 中央处理单元 可编程序控制器中常用的c p u 主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器 三种类型。通用微处理器如8 0 8 0 、8 0 8 6 、8 0 2 8 6 、8 0 3 8 6 等，单片机如8 0 3 1 、8 - 0 9 6 等， 位片式微处理器如a m 2 9 0 0 、a m 2 9 0 1 、a m 2 9 0 3 等。可编程序控制器的档次越高，c p u 的位数也越多，运算速度也越快功能指令越强；f x 2 系列可编程序控制器使用的微处 理器是1 6 位的8 0 9 6 单片机。 存储器 可编程序控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统 管理程序；用户存储器存放用户编制的控制程序。常用的存储器有c m o sr a m 和 e p r o m 、班；p r o m 。c m o sr a m 是一种可进行读写操作的随机存储器，e p r o m 、 e e p r o m 都是只读存储器。 输入输出单元 这是p l c 与外围设备之间联系的桥梁。实际生产过程中的信号电平是多种多样的， 外部执行机构所需的电平也是千差万别的，而可编程序控制器的c p u 所处理的信号只能 是标准电平，正是通过输入输出单元实现了这些信号电平的转换。i o 单元实际上是p l c 与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。i o 单元有良好的电隔离和滤波作用。接 到p l c 输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。p l c 的各种输出控制器件往 往是电磁阀、接触器、继电器。 电源单元 p l c 的供电电源是一般市电，也有用2 4 v 供电的。p l c 对电源稳定性要求不高，一 般允许电源电压额定值在+ 1 0 一- - 1 5 的范围内波动。p l c 内有一个稳压电源用于 对p l c 的c p u 单元和i o 单元供电，小型p l c 电源往往和c p u 单元合为一体，中大 型p l c 都有专门电源单元。 编程器 编程器是p l c 最重要的外围设备。利用编程器将用户程序送入p l c 的存储器；还可 以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视p l c 的工作状态。编程器一般 9 华中科技大学硕士学位论文 分简易型编程器和智能型编程器。小型p l c 常用简易型编程器，中大型p l c 多用智能型 c r t 编程器。 1 3 3 可编程序控制器的编程语言 p l c 是一种工业控制计算机，不光有硬件，软件也必不可少。一提到软件就必然和 编程语言相联系。不同厂家，甚至不同型号的p l c 的编程语言只能适应自己的产品。目 前p l c 常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语 言、高级编程语言。 ( 1 ) 梯形图编程语言 梯形图编程语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显。 梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形圈编程语言是在电气控制系统中 常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，形象、直观、实用，电 气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种p l c 编程语言。 梯形图直观易懂，它有以下的规定： 梯形圈最左边是起始母线，每一逻辑行必须从左母线开始画起。梯形图的最右边 可画结束母线也可以省去不画。 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一 层阶梯。接点有各种连接，最后终于继电器线圈( 或右母线) 。 图中的继电器是“软继电器”，它不是继电器电路中的物理继电器，实质是存储 器中的每位触发器。当它为“1 ”状态时，表示继电器线圈通电，常开触点闭合或常闭触 点打开。 一般情况下，某个编号的继电器线圈只能出现一次。而继电器接点则可无限次使 用。 输入继电器不能由内部其它继电器的接点驱动，它只供p l c 接受外部输入信号， 故在梯形图中不会出现输入继电器线圈。 输出继电器是由p l c 作输出控制用，驱动外部负载工作，故梯形图中输出继电 器线圈接通时，表示相应的输出点有信号输出。 华中科技大学硕士学位论文 梯形图是p l c 形象化的一种编程方法，圈中的母线并不接任何电源，图中不存 在真正的物理电流，而仅是从左到右流动的“概念”电流。 p l c 工作时，对按先后顺序从左到右、从上而下逐一扫描处理，不存在几条并列 支路同时动作的情况。 一卜一 常开触点 ( ) 一 继电器线圈 爿半i 一 常闭触点 图1 - 1 梯形图的基本符号 ( 2 ) 指令语句表编程语言( s t l ) 这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，用一系列操作指 令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到p l c 中去。需要指出的是，不 同厂家的p l c 指令语句表使用的助记符并不相同，因此，一个相同功能的梯形图，书写 的语句表并不相同。指令语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单 元。每个操作功能由一条或几条语句来执行。p l c 的语句表达形式与微机的语句表达式相 类似，也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示( 如l d 表示取、0 r 表示 或等) ，用来说明要执行的功能，告诉c p u 该进行什么操作，例如逻辑运算的与、或、非： 算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。 操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电 器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先 设定值。 ( 3 ) 功能图编程语言( c s f ) 这是一种较新的编程方法。它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过 程，目前国际电工协会( i e c ) 正在实施发展这种新式的编程标准。不同厂家的p l c 对 这种编程语言所用的符号和名称也不一样。三菱p l c 叫功能图编程语言，而西门子p l c 叫控制系统流程图编程语言 ( 4 ) 高级语言编程 1 1 华中科技大学硕士学位论文 近几年推出p l c ，尤其是大型p l c ，已开始用高级语言进行编程。有的p l c 采用类 似p a s c a l 语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序。采用高级语 言编程后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作p i , c 。除了完成逻辑功能外，还可 以进行p i d 调节、数据采集和处理以及与上位机通信等。 1 3 4 可编程序控制器的工作原理 p i c 采用循环扫描的工作方式，其扫描过程如图1 2 所示。 这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个 阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段，p l c 检查c p u 模块的 硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段，p l c 与一些智能模块通信、 响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当p l c 处于停状态时，只进行内部 处理和通信操作服务等内容。在p l c 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输 入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 ( 1 、输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输 入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的 映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序 执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离， 即使输入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不会发生 变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入 信息。 ( 2 ) 程序执行 根据p l c 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下 的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令， 则根据跳转条件是否满来决定程序的跳转地址。 ( 3 ) 输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即器件映 图1 - 2p l c 扫描过程 1 2 华中科技大学硕士学位论文 象寄存器中的y 寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路， 驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。p i c 的扫描既可 按固定的顺序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需 要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一些大系统中需要处理的i o 点数多，通过安 排不同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方式，可缩短循环扫描的周期和提高控制 的实时响应性。 循环扫描的工作方式是p l c 的一大特点，也可以说p l c 是“串行”工作的，这和传 统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别。p l c 的串行工作方式避免了继电器控制 系统中触点竞争和时序失配的问题。 由于p l c 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄 存器的内容也不会变化，要等到下一个周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映象 寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，c p u 集中将这些输出信号全部输送给输 出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变，需要一个扫描周期。 扫描周期是p l c 一个很重要的指标，小型p l c 的扫描周期一般为十几毫秒到几十毫 秒。p l c 的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的扫描时间对于一般工业 设备通常是可以接受的，p l c 的响应滞后是允许的。但是对某些i 0 快速响应的设备， 则应采用相应的处理措施。如选用高速c p u ，提高扫描速度，采用快速响应模块、高速 计数模块以及不同的中断处理等措施减少滞后时间。影响i 0 滞后的主要原因有：输入 滤波器的惯性，输出继电器接点的惯性，程序执行的时间，程序设计不当的附加影响等。 对用户而言，选择了一个p i _ 2 ，合理的程序编制是缩短响应的关键。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = _ # ；= = = = = = # = = = = = = = = 2 钢管环缝焊接生产线的设计 2 1 钢管环缝焊接生产线的设计 本文主要针对锅炉受热面管( 简称钢管) 的环缝焊接设计。锅炉受热面部件由成排 蛇形管件组成。蛇形管屏通常是由很多根直管对接焊成一定长度的管件后，在自动生产 线上的弯管机上弯制成所要求的形状。钢管的尺寸大小一般为：外经范围为3 2m m 7 6 r a m ，壁厚范围为3i n n 1 2 r a m ，长度范围为o 5m 1 2 2 m 不等。 钢管环缝焊接生产线主要由一台能输出钢管环缝焊接所需一定大小焊接电流与电弧 电压的c o ：焊接电源，一台能夹持钢管进行自动旋转并完成焊接工作的焊接机床，焊枪， 相应的送丝机构、c 0 2 气瓶等辅助机构以及p i c 控制系统等组成。 2 1 1 c 0 2 焊接电源 c 0 2 焊通常采用实芯焊丝，没有稳弧剂，所以用交流电时电弧燃烧不稳定，飞溅丈， 难以正常工作，因此c 0 2 焊接电源都采用直流电源和反极性连接。 根据钢管环缝焊接生产线的工作要求，并参考钢管的壁厚范围和所选用的焊丝直径， 选用z d k - - 5 0 0 型焊接电源f 1 4 】【1 5 】【。该电源具有平陡两用特性，额定工作电流为5 0 0 a ， 允许最大电流为6 0 0 a ；电压调节范围为1 5 5 0 v ：额定负载持续率为8 0 。由于采用晶 闸管式弧焊整流器，不仅具有引弧方便、电弧燃烧稳定、飞溅少和焊缝成型好，还具有 以下特点【1 7 】18 】： ( 1 ) 动特性好、反应速度快 它与弧焊发电机和磁饱和电抗器式弧焊整流器相比，内部电感小得多，因而具有电 磁惯性小、过渡过程时间短的特性，在用作下降外特性电源时，不致有过大的短路电流， 因而飞溅少，电弧稳定；在用作平特性电源时可以获得所需的短路电流上升速度，所 以引弧可靠、稳定。 ( 2 ) 控制性能好，容易获得所需外特性 1 4 华中科技大学硕士学位论文 由于晶闸管式弧焊整流器只要通过不同的反馈方式就可获得各种所需的外特性形 状，易于实现电网电压及周围温度的补偿。因此，它适用于不同的焊接方法，并能保证 焊接工艺参数稳定。 ( 3 ) 电流、电压控制范围大 晶闸管式弧焊整流器的电流、电压控制范围比磁饱和电抗器式弧焊整流器大，这有 利于对焊接工艺参数进行自动控制。特别是晶闸管式焊整流器输出的最小电流较小，这 对薄板焊接具有重要意义。 ( 4 ) 节能 与弧焊发电机相比，晶闸管式弧焊整流器无机械损耗，并且由于其易获得多种外特 性，空载电压可以相应降低，电源输入功率相应减小；与磁饱和电抗器式弧焊整流器相 比，也没有磁饱和电抗器部分造成的g 损、f c 损，因此可以节约电能。 ( 5 ) 省料 与弧焊发电机相比，它没有原动机；与磁饱和电抗器式弧焊整流器相比，它没有磁 饱和电抗器，整机体积小，重量轻，因而可节省材料。 ( 6 ) 噪声小 与弧焊发电机相比，因其无旋转运动部件，噪声明显减小。 2 1 2 钢管环缝c 0 2 焊焊接机床的设计 从调查上海和武汉等地锅炉钢管焊接生产的情况来看，专用焊接机床有进口和国产 的，有复杂和较复杂的。设计的焊接机床就设在焊接生产线上，它由气、液压传动夹紧 部分、转动系统、床身、焊枪架等部分组成，如图2 1 所示。焊枪架通过支架与床身相 联接，由支架的升降油缸带动，可进行上下起落动作；根据钢管直径的大小，调节焊枪 架的高低，以保证焊枪导电嘴到工件焊缝之间的距离，便可以保证焊丝有一定的伸出长 度。 ( 1 1 焊枪架 焊枪架由焊枪和微调机构等组成。焊枪由导电杆、导电嘴、喷嘴等零件组成。焊枪 与微调机构固定在支架升降气缸的活塞杆上；焊枪与微调机构相联接，由丝杠丝母和一 华中科技大学硕士学位论文 对伞齿轮带动进行焊枪上下位移的微调。这种微调对于保证焊枪导电嘴到工件焊缝之间 的距离符合要求是非常有必要的。 ( 2 ) 焊枪架的升降机构 焊枪架的升降由液压升降油缸带动。选用液压传动主要是保证足够的升降动力，满 足焊枪架的升降要求。升降油缸由油泵通过电磁阀和液压传动系统来控制油缸的上下动 作。支架上安装焊枪架升降动作到位控制的行程开关，以保证焊枪上升和下降到位时的 信号输出，来作为系统相应的下一个动作控制的输入信号。 ( 3 ) 送丝机构 根据焊丝直径及施工要求，钢管环缝c 0 2 焊焊接生产线的采用推丝式送丝机构。其 由送丝电机、送丝滚轮、矫直机构、焊丝盘等组成。焊丝盘上的焊丝由由送丝滚轮拉动， 送丝滚轮将焊丝推进焊枪导电杆内孔。送丝滚轮固定在焊接机床的床身上，由一个直流 电机通过减速箱，按送丝速度送丝。在送丝滚轮前部安装两个导丝轮，导丝轮起校直焊 丝的作用。为了提高送丝的稳定性，送丝电机选用1 6 0 s n 0 2 型印刷绕组电扭直流伺服电 机【1 9 】，其额定转速为2 1 0 0r r a i n ，额定转矩为6 8 6 n c m ，完全可以满足送丝要求。送丝 电机的启闭由相应的电磁阀来控制。 ( 4 ) 送气系统 送气系统c 0 2 钢瓶、预热器、干燥器、减压阀、流量计和电磁气阀等组成f l l l 。液态 c 0 2 气体由钢瓶盛装，经预热器预热和干燥器干燥后，再经减压阀一次减压，由橡胶管 送到安装在焊接机床床身上的流量计，流量计的出口由橡胶管与焊枪入口管相接，开启 流量计阀门，可以调节c 0 2 气体流量。电磁气阀安装于流量计与焊枪之间的管路上，用 来接通和切断保护气体。 ( 5 ) 焊接转动系统1 2 0 1 焊接转动系统主要由变频器、异步电动机、减速箱等组成。用于驱动焊接时被焊钢 管的转动，也