（材料加工工程专业论文）薄铜管高速焊接及轧纹成型控制系统的设计与研究.pdf

摘要 射频同轴电缆的皱纹铜管外导体由0 2 0 4 m m 铜带经卷管成型、焊接、轧纹 等几道工序形成，在分析薄铜管焊接和轧纹容易发生的问题和解决措施的基础 上，研制了薄铜管高速焊接及轧纹成型控制系统。 该系统以p l c 联合触摸屏作为逻辑控制器件。设计p l c 的逻辑控制电路和 梯形图程序，实现了整个生产过程自动有序进行。各设备可单独运动或联动，调 试方便。设计了触摸屏的显示界面和以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心的参数转换系 统，可实时显示生产过程中设备运行状态和工艺参数。系统以西门子6 r a 7 0 系 列直流调速器作为核心调速器件，给出了直流调速器的控制电路，通过设置调速 器内部参数和运行自动优化，使调速器处于最佳的控制状态，保证电机转速平稳。 将牵引直流调速器速度给定信号连接到轧纹直流调速器的速度设置端，实现了轧 纹转速跟随牵引速度的变化而自动调整，确保了轧纹节距的稳定。系统用牵引速 度信号经控制电路处理后控制焊接电流，使焊接电流自动跟随焊接速度而变化， 保证了整个生产过程中焊缝热输入的稳定。 通过实际生产验证，焊接速度达到1 1 m m i n 以上，焊缝均匀美观，轧纹尺寸 稳定，产品质量达到最优级。整个系统硬件结构简单、操作方便、控制安全可靠、 生产效率高。 关键词：高速焊，过程控制，p l c ，直流调速器，单片机，薄板 a bs t r a c t t h ec o r r u g a t e dc o p p e rt u b eo u t e rc o n d u c t o ro ft h ec o a x i a lc a b l ei sm a d eb yt h e 0 2 - 0 4 m mt h i ns h e e tv i at u b e s h a p i n g , w e l d i n g ，c o r r u g a t i n ga n do t h e rs e v e r a l p r o c e d u r e s o nb a s i so ft h ea n a l y s i so nt h ep r o c e s so fw e l d i n ga n dc o r r u g a t i n gt h i n c o p p e rt u b e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sad e v e l o p i n gw o r ko ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f h i g h - s p e e dw e l d i n ga n dc o r r u g a t i n go ft h i nc o p p e rt u b e t h ed e v e l o p e ds y s t e mm a k e su s eo fp l cc o m b i n e dw i t hh u m a n - m a c h i n e - i n t e r f a c e a st h el o g i c a lc o n t r o ld e v i c e s , c o n t r o l st h ee n t i r e p r o d u c t i o np r o c e s sw o r k i n g s e q u e n t i a l l ya n da u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dl o g i cc o n t r o lc i r c u i ta n d l a d d e rd i a g r a mp r o g r a mo ft h ep l c i na d d i t i o n ，t h es i n g l e a c t i o no rl i n k a g eo ft h e m o t i l ep a r t sc a i lb ea c h i e v e df o rt h ed e b u g g i n gw o r k s t h ed i s p l a y i n gi n t e r f a c eo f h u m a n - - m a c h i n e i n t e r f a c ea n dt h ep a r a m e t e rt r a n s f o r m a t i o ns y s t e mc e n t e r e dw i t h c 8 0 51 f 0 2 0s i n g l e - c h i pc o m p u t e ra r eb ed e s i g n e dt od i s p l a yi nr e a l - t i m et h er u n n i n g s t a t u so ft h ed e v i c e sa n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s t h es y s t e mt a k e st h es i e m e n s 6 r a 7 0d cr e g u l a t o r sw i t hi t sc o n t r o lc i r c u i ta st h es p e e dm o d u l a t i o nd e v i c e t h e r e g u l a t o r sm a yw o r ka tt h eb e t t e rc o n d i t i o nb ys e t t i n gt h ei n t e r i o rp a r a m e t e r sa n d r u n n i n gt h ea u t o m a t i co p t i m i z a t i o nt oe n s u r et h ed ce l e c t r o m o t o rr u n n i n gs t e a d i l y t h es p e e ds i g n a lo ft h eh a u l i n gr e g u l a t o ri so u t p u tt ot h em a i ns p e e d - s e t - p o i n to ft h e c o r r u g a t i n gr e g u l a t o r , s ot h es p e e do ft h ec o r r u g a t i n ge l e c t r o m o t o rw i l lb ea d j u s t e d a n df o l l o wt h a to ft h eh a u l i n ge l e c t r o m o t o rt oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ec o r r u g a t i o n p i t c h t h ew e l d i n gc u r r e n ti sm a n i p u l a t e db yt r a c i n gt h ep r o c e s s e dv o l t a g es i g n a lo f t h eh a u l i n ge l e c t r o m o t o rt og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h eh e a ti n p u tt ot h ew e l d e dj o i n t i nt h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o nl i n e ，t h es y s t e mp r e s e n t sw e l d i n gs p e e do f1lm m i no r a b o v e ，t h ef i n ew e l dj o i n ta n ds t a b l ed i m e n s i o no fc o r r u g a t i o n ，s ot h ep r o d u c tq u a l i t y a c h i e v e st h eb e s tg r a d e t h e r ei st h es i m p l es t r u c t u r eo fh a r d w a r ei nt h i ss y s t e mw i t h t h ec o n v e n i e n to p e r a t i o n , t h er e l i a b l ec o n t r o la n dh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：h i g h s p e e dw e l d i n g ， s i n g l e - c h i pc o m p u t e r , p r o c e s sc o n t r o l ，p l c ，d cr e g u l a t o r , t h i ns h e e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韩整勃 签字日期：2 0 0 7 年6 月f 秽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韩童勃 导师签名： f 、 栌乏 签字日期：2 0 0 7 年6 月肪日 签字日期：z o o - 年 日 9 d ， 月 霉r s 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 目前，移动通信已成为我国发展最迅速的领域之一，中国己超过美国成为拥 有手机最多的国家。随着我国即将发放第三代移动通信( 3 g ) 牌照，在未来几 年内，中国将投入数干亿元用于第三代移动通信建设，移动通信系统中的基站、 室内覆盖系统等势必将得到迅速发展，这为移动通信系统配套的各种射频同轴电 缆提供了广阔的市场前景【l 5 j 。 其中，皱纹铜管外导体射频同轴电缆具有低电压驻波比、高功率容量和屏蔽 性能、密封性及弯曲性能良好等特点，在移动通信中得到了广泛的应用。皱纹铜 管外导体由薄铜带经卷管成型、焊接、轧纹等工序形成，其中焊接和轧纹的质量 决定了电缆产品的电气性能及机械性能，是影响产品质量的关键工序。薄铜管焊 接时，对焊缝的热输入要求非常严格：热输入过大，则造成薄铜管焊穿，而热输 入太小又不能形成稳定的焊缝。轧纹过程中，轧纹电机的转速关系到皱纹的波峰、 波谷及皱纹间距的尺寸的稳定性。为了获得良好的焊缝成形和稳定的轧纹尺寸， 整个生产过程中必须保证焊接电流、轧纹转速与焊接速度三者实时匹配。 目前，国内的皱纹铜管外导体的生产设备一般存在生产速度较低，焊接过程 中焊接电流、焊接速度与轧纹转速难以达到实时匹配、调整耗费时间长等缺点， 从而导致生产率低、铜带浪费严重，增加了产品成本。为了解决这些问题，提高 产品竞争力，对薄铜管高速焊接及轧纹过程进行深入研究非常必要。 1 2 薄板焊接技术的现状 除了在通信电缆制造领域，近年来，厚度为0 1 3 m m 的铜合金、不锈钢、 钛合金等金属薄板在航空航天、电子、化工、汽车等工业部门也得到了广泛的应 用。薄板构件的制造过程中，焊接是重要的加工工艺。对于薄板焊接技术，国内 外研究者利用多种方法工艺进行了大量的研究，取得了重要的成果。 1 2 1 薄板激光焊接 激光焊接是利用激光器产生的激光束，经聚焦系统聚焦后成为微细光束，当 第一章绪论 调焦到焊缝处时，光能转换成热能，使该处金属熔化形成焊接接头。与其他焊接 方法比较，激光焊接的主要优点是p 1 0 1 ： 1 激光束能量高，焊接速度快。激光束经聚集后可获得很小的光斑，能量密 度大于l 1 0 5w c m 2 ，目前，使用4 k w 的c 0 2 激光器焊接l m m 的板材，焊接速 度高达2 0 m m i n ，而且激光束能精密定位，可应用于大批量自动化生产，生产效 率大大提高。 2 激光焊接的焊缝宽度相对较窄，热影响区小，焊缝组织细化，一般其机械 性能均强于母材，提高了焊接的质量。 3 激光焊接对环境要求低，焊接环境无需屏蔽或真空环境，而且激光束不会 带来任何磨损，能长时间稳定地工作，对工业化规模生产意义很大。 4 使用固体激光器时可采用光纤传输技术，把能量源和加工工件从空间上分 隔，实施非接触远距离焊接，可焊接普通焊接难以接近的部位。 综上所述，激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式，非常 适合大量而连续的在线薄板焊接。尤其是随着高功率万瓦级c o ：激光器及y a g 激光器的出现，激光焊接的应用更加广泛【1 1 3 1 。 但是，激光焊接也存在一些缺点【1 4 】：首先，激光焊接大尺寸对接薄板时其 装配精度要求高。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝狭窄，如工件装配精 度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。例如厚度l m m 的常用薄 板对接时，0 1 m m 以上的间隙就会造成焊缝明显下凹，其力学性能和外观都达 不到要求。其次，在焊接高反射率材料( 如铝、铜等) 时，如要减少反射，则需 要仔细优化激光辐射的条件，必要时还需采用涂层材料。同时，这些金属的热 导率较大，在焊接启动时应使用较高的激光能量密度，这有时会导致激光反射 回激光器，从而引起光学元件的损坏。最后，激光器及用于激光束传导和聚集 的附属系统成本过高，操作成本也很高。 1 2 2 薄板激光填丝焊接 激光焊接薄板时对装配精度的严格要求限制了激光焊接的应用，而激光填丝 焊接就是在这种情况下提出的一种新焊接工艺。 激光填丝焊接是在一般的激光焊接过程中，连续填送焊丝熔入熔池，实现加 入熔敷金属的焊接工艺。与一般激光焊接相比，其优点如下【1 5 18 】： 1 能有效控制焊缝形状( 堆高或下凹) ，大大降低了对接板边的加工装配精 度，解决了工业生产中加工装配精度往往难于达到激光焊对间隙的严格要求的实 际问题。 2 改变了一般激光焊接无法调整焊缝成分的缺点。通过选择不同成分的焊丝 2 第一章绪论 改变焊缝成分以达到消除气孔裂纹，提高韧性或其它性能的目的。对于冶金相容 性不好的异种金属焊接时，这一优点就更为重要了。 3 可用于材料表面堆焊和合金化。 激光填丝焊接由于添加了送丝装置，相比于激光焊接，设备更加复杂，成本 更高，一次性投资较大。 1 2 3 薄板钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是一种能够较好控制热输入，又易于推广应用的薄板焊接方法。 它采用惰性气体氩气作为保护气体，熔化金属可以通过填丝或自熔母材而形成。 钨极氩弧焊有以下一些优点【1 9 也3 】： 1 氩气能有效地隔绝空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应，可成功地 焊接易氧化、易氮化、化学性质活泼的有色金属、不锈钢等多种金属材料，焊缝 金属纯净。 2 氩弧焊由于保护气流的冷却作用，降低了熔池的表面温度，提高了表面张 力，有利于避免薄板焊接时的烧穿。 3 氩弧焊的热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入易调节，可进行各种位 置的焊接。 4 便于操作，容易观察熔池状态，焊接过程稳定，而且焊缝致密，力学性能 好，表面成形美观。 5 焊接过程便于实现自动化，提高生产效率。同时由于氩气在我国成本较低， 可有效降低生产成本。 钨极氩弧焊与激光焊接相比，热源能量不够集中，电弧温度较低，从而导致 生产效率不高。 1 2 4 薄板等离子弧焊接 等离子弧焊接是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。它是利用 能压缩电弧的等离子弧枪，使电弧通过枪体结构的机械压缩、热收缩和电磁收缩 效应而产生一种高度压缩、高度电离和能量集中的等离子弧来进行焊接。等离子 弧焊接有以下一些特点【2 2 】： 1 由于等离子弧的压缩效应及热电离充分，所以电弧工作稳定，在小电流焊 接时，仍具有较平的静特性，配用恒流电源，能保证焊接过程非常稳定，故可以 焊接超薄构件。 2 等离子弧经过压缩，能量密度大，弧柱温度高，因而对焊件加热集中，在 同样熔深下其焊接速度比t i g 焊高，可提高焊接生产率。 第一章绪论 3 等离子弧呈圆柱形，扩散角小，挺直度好，所以焊接熔池形状和尺寸受弧 长波动的影响小，因而容易获得均匀的焊缝成形，特别适用于自动焊。 4 钨极内缩到喷嘴孔道里，可以避免钨极与工件接触，消除了焊缝夹钨缺陷。 同时喷嘴至工件距离可以变长，焊丝进入熔池容易。 5 等离子弧对焊件的热输入较小，焊缝及热影响区窄，焊接变形小，裂纹倾 向低，可以全位置焊接。 等离子弧焊接的缺点是焊枪结构复杂，维护困难，而且成本较高。 1 3 本课题的工作内容 比较以上各种薄板焊接方法的优缺点，综合考虑生产成本和焊接质量，皱纹 铜管外导体生产过程中采用钨极氩弧焊对薄铜管进行焊接。本课题的目的就在于 研制套薄铜管高速焊接轧纹成型控制系统，对皱纹铜管外导体的钨极氩弧焊接 和轧纹过程进行自动控制，保证高速焊接过程中焊接电流、焊接速度和轧纹转速 实时匹配，使焊缝热输入和轧纹尺寸保持稳定。对此，拟开展以下几个方面的工 作： 1 设计一套p l c 和触摸屏联合控制系统，编写p l c 的梯形图程序和触摸屏 的人机交互界面，实现皱纹铜管外导体生产过程的自动有序进行，并能实时显示 生产过程设备状态及工艺参数。 2 设计皱纹铜管外导体生产线调速系统，实现生产线速度提升和速度下降过 程的平缓变化，并保证高速生产时速度稳定运行。 3 设计参数采集转换系统，把生产工艺参数的模拟信号转换为触摸屏能够识 别显示的数字信号。 4 设计焊接速度、焊接电流和轧纹转速匹配方案，保证整个生产过程中三者 实时匹配。 1 4 本课题的研究意义 随着我国科技和经济的迅速发展，薄板和超薄型材料的应用越来越广泛。在 需要焊接的薄板构件加工过程中，焊接的质量决定了产品的性能，焊接过程的自 动化控制是保证焊接质量的一个关键因素。同时，企业为了缩短产品制造周期， 往往要求提高焊接速度。所以研究薄板高速焊接过程的自动控制，尤其是实现焊 接过程中焊接电流与焊接速度的实时匹配，保证焊接过程热输入稳定，对于提高 薄板焊接质量和生产效率、降低生产成本具有重要的实际应用意义。 4 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 射频同轴电缆的皱纹铜管外导体由0 2 0 4 m m 的铜带经切边、卷管成型、 t i g 焊接、轧纹机轧纹几道工序形成，其中t i g 焊接的质量关系到射频同轴电缆 的密封性、屏蔽性能等，决定了电缆的电气性能，所以保证焊接质量，获得优质 美观的焊缝是皱纹铜管外导体生产中的首要问题。 2 1 小电流t i g 焊接电弧的特性 薄铜管t i g 焊接时，焊接电流一般较小，范围在2 0 8 0 a 之间，此时焊接电 弧基本工作在电弧静特性的下降段，即电弧表现出强烈的负阻特性，如图2 一l 所 不o l qi p 图2 1 小电流t i g 焊电弧静特性 q p 是小电流t i g 焊电弧的静特性曲线( 负阻特性) ，这是在电弧的电流和 电压处于相对稳定的状态下或以足够缓慢的速率变化时得到的。对于一定弧长的 电弧，当电流以较大速率变化时，电弧电压的瞬时值与电弧电流的瞬时值之间的 关系反映了其动态特性，从而与电弧的静态特性有显著区别。在图2 1 中，当电 流快速由q 点变化到p 点时，电弧电压将沿q c p 曲线变化；当电流以突然下降 的方式由p 点变化到q 点时，电弧电压将沿p m q 曲线变化1 3 3 1 。可以看到，电弧 电压剧烈变化，这会使电弧稳定性变差。 此外，电流较小时，电弧挺度差，钨极热电子发射能力薄弱而容易因斑点跳 动而产生飘弧现象【34 | 。当保持电极与工件距离不变时，其实际弧长及电弧电压 也可能发生随机变动，这些都会影响焊缝的焊接质量。这些对焊接电源提出了 第二章系统总体方案设计 较高的要求，焊接电源必须保证在小电流焊接时电弧稳定燃烧。 2 2 薄铜管焊接容易发生的问题 薄铜管焊接的最大困难就是如何在保证焊透的情况下形成一条连续的、无烧 穿的焊缝。由于铜的导热系数大，焊接时热量迅速从加热区传导出去，使焊缝难 以熔合，不能形成连续的焊缝，所以焊接时一般使用大功率的热源。但因为铜带 非常薄，只有0 2 o 4 m m ，热输入过大又导致铜管烧穿。烧穿的产生与熔池受力 密切相关，图2 2 是平焊时熔池烧穿前瞬间的受力情况【3 5 q 7 1 。 图2 2 平焊时熔池金属的受力情况 平焊时熔池主要承受如下几种力：熔融金属的重力f 重，决定于熔池金属的 多少；电弧吹力f 电弧，主要由电流大小决定；熔池金属表面张力f 表，除与金属 种类有关外，还与熔池表面状态有关；固液体金属的附着力和液体金属的内聚力 都是保持熔池的内力，相对较小，对烧穿的影响可忽略不计。 由此可见，重力和电弧吹力是促使烧穿的力，而表面张力则是阻止熔池烧穿 的力，如果f 重、f 电弧、f 表三者的合力大于熔池金属的强度，液体金属就会被拉 断而出现烧穿。 薄铜管焊接的另一主要问题是焊接变形。焊接过程总是一个局部加热和冷却 的过程，在焊接热作用下，铜带受到不均匀的加热和冷却，会产生不均匀的应力 状态，造成不同程度的应力变形及应变。而薄铜带由于其自身拘束度小，而且铜 的线胀系数和收缩率也比较大，所以容易产生较大的焊接变形。 2 3 薄铜管焊接控制方案 针对上述烧穿、变形产生的原因，可采取以下措施： 对于焊接变形，采用专用的焊接夹具，使焊缝两侧夹紧力均匀，而且提高了 铜带的刚度，同时焊后采用循环水激冷，强迫冷却焊接区，增大冷却阶段纵向塑 6 第二章系统总体方案设计 性拉应变，通过这些措施，可有效减小铜带焊接变形。 对于烧穿问题，由于采用了钨极氩弧焊，熔池金属受到保护气流的冷却作用， 降低了熔池的表面温度，使f 表提高，由于f 电弧由电流大小决定，如果减小焊接 电流，则有可能使焊缝难以熔合，同时降低了生产效率，所以只有减小f 重，这 就需要提高焊接速度，减少由于热量积累而造成熔融金属量的增加，同时提高焊 接速度也可防止焊接变形引起的错边，防止了烧穿。 综上所述，对于薄铜管的焊接，想要获得优质美观的焊缝需要提高焊接速度， 同时严格控制焊接热输入，尤其是选择合适的焊接电流和焊接速度，在完成焊缝 焊接的前提下，尽量减少焊缝的热输入。 2 4 系统总体方案设计 皱纹铜管外导体的生产流程中，除了焊接之外，轧纹是影响电缆质量的另一 关键工艺。轧纹的稳定性关系到皱纹的波峰、波谷及皱纹间距的尺寸，影响电缆 的机械性能。对应皱纹铜管外导体的生产流程，设计薄铜管高速焊接及轧纹成型 控制系统如图2 2 所示。 图2 2 控制系统原理框图 7 第二章系统总体方案设计 本控制系统的目的，就是实现皱纹铜管外导体生产过程的自动进行，同时焊 接电流、牵引速度和轧纹转速达到实时匹配，保证焊缝热输入和轧纹尺寸的稳定。 控制系统具体描述如下： 1 焊接电源采用l i n c o l n 的t i g 3 7 5 型焊机，可用于交直流氩弧焊和手工 焊，直流输出焊铜具有很好的效果；焊机独有的微起弧技术，可在小电流下起弧， 防止烧穿，而且在小电流时电弧燃烧稳定。 2 选用松下电工f p 0 系列p l c 结合g t 3 0 系列工业触摸屏作为控制核心。 p l c 根据生产工艺的要求，对各设备发出控制信号，控制整个生产过程自动有序 进行。触摸屏用于实时显示生产过程设备状态及工艺参数。 3 调速系统由直流电机配合西门子全数字6 r a 7 0 直流调速器构成。直流电 机调速性能好，运行稳定。生产过程中6 r a 7 0 直流调速器根据来巨i p l c 的控制信 号，控制直流电机的启动，调速及停止。同时它接收电机的速度和电流反馈信号， 构成双闭环调速系统，使直流电机稳定运行。 4 选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机构成参数采集转换系统。单片书己采集焊接电流、牵 引速度和轧纹转速模拟信号，经过处理转换成方波输入至i j p l c 高速计数器，p l c 将计数结果存于数据寄存器用于触摸屏显示。 5 来自牵引测速电机的电压信号经过电路处理，然后送至t i g 焊机，控制焊 机的电流输出，实现焊接电流和焊接速度的实时匹配。 6 将牵引直流调速器速度给定信号输出作为轧纹直流调速器的速度给定信 号，实现轧纹转速随牵引速度的变化而自动调整，保证轧纹尺寸的稳定。 8 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 在工业自动化领域，p l c 作为自动控制的三大技术支柱( p l c 、机器人、 c a d c a m ) 之，成为大多数自动化系统的基础设备。触摸屏是新一代高科技 图形化人机界面产品。它具有强大的显示功能和操作功能，既可以对生产现场、 设备进行实时显示和监控，同时又可以在其屏幕上设置触摸开关对设备进行操 作。采用p l c 和触摸屏相结合，触摸屏完成对设备的操作、显示、报警，p l c 则根据生产工艺的要求，编制程序直接对设备进行控制。这种方式省去了电控柜 上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯及大量的中间继电器和端子排，变硬 件设备为软件设备，具有可靠性高、控制精度高、功能强、可编程、智能化等诸 多优点1 3 8 1 。 3 1p l c 与触摸屏介绍 3 1 1p l c 的特点及应用 p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它 采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、 计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各 种类型的机械或生产过程。p l c 主要有以下一些特点【3 9 】： 1 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 是专为工业控制设计的，采用现 代大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技 术，可在恶劣的工业环境中与强电设备起工作，具有很高的可靠性。从p l c 的机外电路来说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比， 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障率大大降低。 2 配套齐全，使用维护方便 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，硬件可按 实际需要配置，到市场上可方便地买到。p l c 安装使用方便，内部接点的使用不 受次数限制，设计时只需要考虑输入、输出点个数。而且p l c 配备有很多监控 提示信号，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员并能动态地监视控制程 序的执行情况，为现场的调试和维护提供了方便。 9 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 3 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 的最大特点之一，就是采用易学易用的梯形图语言，它是以计算机软件 技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套独具风格的继电器梯形图为基础的形 象编程语言。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。在了解 p l c 简要工作原理和它的编程技术之后，就可以结合实际需要进行应用设计。 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易。而且程序的调试和修改都 很方便，使同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为可能。 自从1 9 6 9 年美国数字设备公司研制出第一台p l c 成功应用在美国通用汽车 自动装配线上以来，p l c 发展极为迅速，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数 字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、 过程控制、集散控制等各种任务的跨越。今天的p l c 正在成为工业控制领域的 主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。 3 1 2 触摸屏的特点及应用 触摸屏是用户利用手指或其它介质直接与屏幕接触，进行信息选择，向计算 机输入信息的一种输入设备。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸 检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制 器；触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换成 触点坐标送给c p u ，同时能接收c p u 发来的命令并加以执行。 专为p l c 应用而设计的触摸屏集主机、输入输出设备于一体，适合在恶劣 的工业环境中使用。它具有强大的显示功能和操作功能，既可以对生产现场、设 备进行实时显示和监控，同时又可以在其屏幕上设置触摸开关，对设备进行操作。 用它作为人机界面，具有人机界面友好、简化信息输入设备、便于系统维护和改 造、编程简单以及与p l c 连接简便等优点1 4 0 , 4 1 j 。 1 友好的人机界面。 触摸屏在图形技术的支撑下，可以设计出非常漂亮的人机界面，增强用户的 操作兴趣。操作人员直接在屏幕上进行控制信息输入，触摸屏根据操作人员输入 的不同信息，变换不同的控制信息界面，使人机对话更加明了直接。比起现在工 业控制中广泛使用的触摸式键盘、操作控制台和标准键盘更容易被工作人员接 受。 2 简化信息输入设备。 1 0 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 计算机在工业控制上具有广泛的应用领域，其信息输入一般采用专用键盘或 控制台，人机界面和人机对话方式较差，容易出现误操作，且信息输入设备较庞 大。使用触摸屏可以简化信息输入设备，一个庞大的工业控制台，只要一台触摸 屏就可以代替，并且操作也简单到只须在屏幕上指点。 3 便于系统维护和改造。 传统的计算机控制台方式，当需要系统增加或改变某个功能时，必须对整个 控制台进行改造，费时费力。而对触摸屏则没有这个麻烦，只需根据系统功能情 况，改造人机界面即可。在系统维护上，控制台方式接口多、不标准，检测维护 不便；触摸屏采用标准接口，便于维护。 4 编程简单，因其本身自带丰富的部件库，所以画面制作极为方便。 5 连接简便，只用一根通讯电缆即可完成与p l c 的连接。 当前，在一些控制要求较高，参数变数多，硬件接线有变化的场所，采用触 摸屏进行控制已占主导地位。 3 2p l c 逻辑控制功能设计 考虑到皱纹铜管外导体的实际生产情况，本系统对p l c 有以下一些要求： 第一，需要对多路脉冲进行计数，而且计数器需要有很高的速度；第二，能够长 时间稳定运行，故障率低；第三，体积小，最大限度节省空间。 根据上述要求，综合考虑价格和性能，本系统选用的p l c 为松下电工的f p 0 系列p l c 。它的一个控制单元尺寸为2 5 9 0 6 0 m m ，是目前业界体积最小的p l c ； 在不需任何电缆的情况下即可轻松连接最多三个扩展单元；它的控制功能非常强 大，具备两路脉冲输出，可单独进行位置控制，互不干扰，具备双相、双通道高 速计数功能，脉冲捕捉和中断输入满足了高速响应的需要。 3 2 1 主模块逻辑控制功能设计 主模块选用f p 0 一c 1 4 r m ，继电器输出型，模块集成8 个输入、6 个输出共 1 4 个数字量i o 点，可连接3 个扩展模块，最大可扩展至6 2 个继电器型i o 点； 2 7 2 0 步e e p r o m 程序存储器；高速c p u ，执行每个基本指令只需0 9 u s ；1 6 6 0 字数据寄存器，1 0 0 8 点中间寄存器，1 4 4 个定时器计数器，4 路高速计数输入， 可编程为单路输入或双相输入，最高计数频率1 0 k h z ，可方便地通过程序进行延 时、计数控制，处理速度快，准确性高。 主模块逻辑控制i o 点功能分配如图3 1 所示。 主模块采用2 4 v 直流电源供电。x o 、x 1 、x 3 作高速计数器输入用，分别接 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 焊 机 电 源 废 带 电 机 轧 纹 润 滑 轧 纹 正 转 牛中中年2 f ! 盯2 4 - y 0y i y 2y 3y 4y 5c o mc o m f p 0 c 1 4 】u 订 x 0x 1x 2 ) ( 3c o mx 4x 5x 6 x 7 图3 1 主模块i o 点功能分配 收来自数据采集处理系统将焊接电流、轧纹转速和牵引速度转换的相应的脉冲 数，经过处理供触摸屏显示用；x 4 、x 5 、x 6 、x 7 接运行档”开关c k l ，实现 生产过程中0 ，1 ，2 ，3 ，4 档的切换；输出端y 0 、y 1 、y 2 、y 5 分别接2 4 v 继 电器j 0 1 、j 0 2 、j 0 3 、j 2 1 ，它们的触点分别控制电焊机电源、废带电机电源、轧 纹润滑电机电源和轧纹电机正向励磁的通断。 3 2 2 扩展模块逻辑控制功能设计 当主模块的i o 点数不能满足要求时，可以增加数字量扩展模块以提供更多 的i o 点。本系统中，增加两个f p 0 一e 1 6 r m 扩展模块，提供1 6 个输入、1 6 个 输出共3 2 个继电器型i o 点。 扩展模块逻辑控制i o 点功能分配如图3 2 ，3 - 3 所示。 扩展模块1 中，x 2 0 、x 2 1 接“联动调试”开关c k 2 ，实现联动调试时正向 反向切换；x 2 4 、x 2 5 分别接气压开关和水压开关，检测保护气体的气压和焊枪 水冷的水压是否正常；x 2 6 接牵引直流调速器4 6 端子，检测牵引直流调速器运 行状况；x 2 7 接牵引直流调速器4 8 端子，检测牵引直流调速器励磁电流是否正 常；输出端y 2 0 、y 2 1 、y 2 3 分别接2 4 v 继电器j 2 2 、j b 2 、j b 4 ，它们的触点分 1 2 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 轧 纹 反 转 焊 枪 开 关 涨 紧 气 阀 巨习中中 上咔1 。 2 4 l -：14- y 2 0 y 2 1y 2 2y 2 3y 2 4y 2 5y 2 6y 2 7c o mc o m f p 0 - e 1 6 r m l x 2 0 x 2 l x 2 2 x 2 3c 0 mx 2 4x 2 5x 2 6x 2 7c o m 。2 j l 一 lii 寸寸岬寸 图3 - 2 扩展模块1i o 点功能分配 y 4 0y 4 1 2 4 2y 4 3y 4 4y 4 5y 4 6y 4 7c o mc o m h ) o e 1 6 i 洲2 x 4 0x 4 lx 4 2x 4 3c o mx 4 4x 4 5x 4 6x 4 7c o m 1 j 2蚕誊兰皇兰薹 图3 - 3 扩展模块2i o 点功能分配 1 3 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 别控制轧纹反向励磁、焊枪、牵引机气阀电源的通断。 扩展模块2 中，x 4 4 、x 4 5 分别接继电器c j 2 3 、c j 2 4 的触点，用于励磁换 向检测；x 4 6 接轧纹直流调速器4 6 端子，检测轧纹直流调速器运行状况；x 4 7 接轧纹直流调速器4 8 端子，检测轧纹直流调速器进线接触器1 0 9 ，1 1 0 端子的通 断状态；输出端y 4 0 、y 4 1 、y 4 2 、y 4 3 分别接牵引直流调速器的3 6 ，3 7 ，3 8 ， 3 9 端子，用于控制牵引直流调速器的点动、合闸分闸、运行使能和固定值接入 信号；y 4 4 、y 4 5 、y 4 6 、y 4 7 分别接轧纹直流调速器的3 6 ，3 7 ，3 8 ，3 9 端子， 用于控制轧纹直流调速器的点动、合闸分闸、运行使能和固定值接入信号。 3 2 3 控制逻辑电路设计 针对p l c 的逻辑控制功能，设计控制逻辑电路如图3 4 所示。 k 1 o - 彳 ； 妻。七 磊o _ _ 8i o以o o ，c 飚 j c j 0 1 、 ( m 】 乜 电缆水冷 电机 t i g 焊机 m 奠朗伽2 出 焊笔袤冷电机丫 图3 4 控制逻辑电路 3 3p l c 控制程序与g t 3 0 界面的设计 3 3 1p l c 的编程语言与编程软件f p w i ng r 1 4 篡荫 m 4= 收废带电机轧纹润滑电机 一 心一 一 一 一一一一一母一一 第三章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 p l c 的用户程序是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过p l c 编程 语言编制设计的。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准，p l c 的编 程语言包括以下五种：梯形图语言、指令表语言、功能模块图语言、顺序功能流 程图语言和结构化文本语言。 在这些程序设计语言中，以梯形图语言的应用最为广泛。梯形图语言是一种 图形语言，它来源于继电器逻辑控制系统的描述，沿用传统控制图中的继电器触 点、线圈等术语和一些图形符号构成。在工业过程控制领域，电气技术人员对继 电器逻辑控制技术较为熟悉。因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到 欢迎，并得到广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是： 1 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性。 2 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于撑握和学习。 3 与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是：梯形图中的能流不是实际意义 的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此应用时需与原有继电器逻 辑控制技术的有关概念区别对待。 4 与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互转换和程序检查。 不同型号的p l c 编程软件对五种编程语言的支持种类是不同的，本系统采用 梯形图语言来进行程序的编写，编程软件为松下电工开发的f p w i ng r 。软件采 用典型的w i n d o w s 界面，可以实现对p l c 系统寄存器及其它参数的设置、程序 的输入及编辑。软件提供了多种方式编程、程序检查、运行状态和数据的监控及 测试、程序清单及监控运行结果的打印输出、文件管理及数据传输等功能。该软 件还有功能强大的帮助系统，在帮助菜单中有操作方法、指令、特殊内部继电器、 特殊数据寄存器等一览表，使用户在没有手册的情况下也能方便地使用。 3 3 2 触摸屏g t 3 0 及其界面设计软件t e r m i n a lg t w i n 本系统选用的触摸屏为松下电工的g t 3 0 系列可编程智能操作液晶显示面 板，型号为g t 3 0 c 。g t 3 0 c 为工业用彩色触摸屏，画面尺寸为1 5 0 x 1 1 9 m m ，1 6 色显示，图像分辨率3 2 0 2 4 0 ，画面明亮清晰；窄边缘紧凑结构，厚度仅4 1 m m ， 是业界同类产品中最薄的，节省了空间；可以和松下电工、三菱、o m r o n 、 s i e m e n s 等多种p l c 连接通信，连接简便；具有穿越功能，可从计算机中进行 p l c 的调试。 触摸屏界面设计采用画面制作工具t e r m i n a lg t w i n ，界面由基本画面上粘 贴特殊功能部件构成，基本画面显示文字信息及简单图形，功能部件实现对p l c 的操作及显示。软件内置多种部件库，功能部件可直接从部件库中拖动对象到希 望的位置，操作简单；部件之间可以互相复制，减轻了设计工作量。 1 5 笫二章p l c 控制逻辑与触摸屏功能的设计 3 3 3 控制逻辑的设计 3 3 3 i 单项调试功能的设计 实际生产过程中，在正常生产之d 口往往需要埘生，“线的各个设备单独进行调 试，看其是否运行正常，防止整个+ f 产线运行后由于某个设备不正常晦造成材料 浪费。根据实肋、情况，奉系统| 殳汁r 六项内容可进行单独训试：牵引电机正转、 牵引电机反转、轧纹电机l e 转、轧纹电机反转、轧纹润滑、收废带。单项调试功 能| 殳计为通过触摸屏j ：触摸按锉米实现，省去了控制柜板上的大量”关和指示 灯。下而以“牵引电机t e 转”功能的奠现来说明档个设训过程。 触摸按键要实现升关的功能，即按r 去，设备启动，再接r 去没各停止。 t e r m i n a lg t w i n 的标准部件j 车中有专fj 的开关部件川于实现此项功能。其舡奉 榭悱设置盘圉3 - 5 所示。 图3 - 5 开关部件基本属性改置 选择开关 ： | f 什的动作模式为“交替型”( 每按一次将当前状态取反) ，指定p l c 中与按键动作辅联系的| 殳备为中间继电器r 5 8 ，即触摸按键用于挖制r 5 8 的通 断，在p l c 程序中川r 5 8 的状态来控制牵引电机正转的运行及停止，则触 摸按键实现r 开关的功能。 牵引电机正转和反转严禁同时动作，否则可能使电机调速器烧毁损坏。因此 第一帝p l c 拧制逻辑与触摸厨功能的啦汁 | 殳汁，电机运转n 向互锁功能。时触摸按键的操作条件进行设置使枷反方f 1 j 运 转的按键不能同时动作，防i r 了误操作特米的危险。其设簧界面如图3 - 6 所示。 图3 - 6 操作条件设置 | 盐置p l c 中控制牵引电机反转的i o 点y 4 3 的状态为芙断时，触摸按键 的操作卅有效。经过设胃作牵引l 乜机反转运行时，y 4 3 群电闭台，此时按f 触 摸屏卜牵引l r 转”按键时，按键没有反应，保i 正，设备的安伞。 l 刮州，在编巧p l c 梯形图 g 序时也加入互锁条件。分别将控制相反动作发 生的i o 点的常闭触点与控制醵动作发生的i o 点的常丌触点串联，卉擞件上避 免九哪种棚反状态