基于PLC及質(zhì)量流量計的新型燃氣自動(dòng)焊接機控制系統設計

0 引言

燃氣自動(dòng)焊接機在家用空調熱交換器的生產(chǎn)線(xiàn)中使用廣泛，主要用于將處理過(guò)后的U型銅管彎頭焊接到經(jīng)過(guò)脹管過(guò)后的發(fā)夾管上。針對以往燃氣焊接機操作復雜、安全性差、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，本文提出了新型控制方案，采用了三菱最新推出的FX3U系列PLC，配合在線(xiàn)式氣體質(zhì)量流量計，并在設備內設置多種傳感器用于監控設備的運行狀態(tài)，提高了該設備的自動(dòng)化程度，使生產(chǎn)工藝的實(shí)現變得更簡(jiǎn)單、更可靠。

1 設備的控制要求

該設備主要適用于熱交換器的連續焊接工況，工件被放到傳送帶上后，首先是往銅管中充入氮氣防止在焊接過(guò)程中銅管的內部發(fā)生氧化現象，然后工件會(huì )先后進(jìn)入預熱區、焊接區、保溫區，用燃燒的混合氣體（天然氣和氧氣）將U型銅管彎頭上的焊環(huán)熔化，使U型銅管彎頭與發(fā)夾管融為一體，最后經(jīng)過(guò)壓縮空氣冷卻后完成最終的焊接工作。

具體的控制要求如下：

（1）傳送帶可以自由啟停，根據不同的熱交換器種類(lèi)自動(dòng)調整運行速度。

（2）可識別有無(wú)工件，自動(dòng)點(diǎn)火、滅火，自動(dòng)調節火焰強弱，要求正常運行時(shí)火焰穩定。

（3）天然氣及氧氣的流量能夠自動(dòng)調節，天然氣和氧氣可在安全范圍內自動(dòng)/手動(dòng)調節混合比。能夠自動(dòng)進(jìn)行燃氣和氧氣使用量的計算并顯示到觸摸屏界面上。

（4）可以對設備運行中的各種報警點(diǎn)進(jìn)行監控，當有報警發(fā)生時(shí)能夠自動(dòng)采取保護措施，具有聲光報警功能。

（5）冷卻循環(huán)水的控制，自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，在任何一端冷卻水堵塞或欠壓，均有停機保護功能，并有故障提示。

（6）防氧化助焊劑的控制，自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，能夠在滅火時(shí)自動(dòng)清理助焊劑管路。

2 控制系統的硬件系統組成

結合實(shí)際工藝要求，采用三菱公司最新推出的FX3U系列PLC完成基本控制，傳送帶的速度控制采用三菱公司的A700變頻器，變頻器與PLC之間采用RS485協(xié)議進(jìn)行通訊，人機界面采用三菱GT2000系列觸摸屏，與PLC之間采用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊，燃氣及氧氣流量的控制采用在線(xiàn)式氣體質(zhì)量流量計，與PLC之間采用標準模擬量信號4～20mA進(jìn)行通訊。具體的硬件系統構成如圖1所示。

圖1 燃氣焊接機電控系統硬件組成框圖

2.1 PLC基本單元

FX3U系列PLC是三菱第三代微型可編程邏輯控制器，內置高達64K的大容量RAM存儲器，最大384點(diǎn)的輸入/輸出點(diǎn)數，基本指令的處理速度可以達到0.065μs，PLC的左側可以連接支持各種通信功能的功能擴展板以及特殊適配器、特殊功能模塊，完全能夠滿(mǎn)足燃氣焊接機的工藝控制要求。

2.2 氣體質(zhì)量流量計

氣體在線(xiàn)式質(zhì)量流量計的最大特點(diǎn)是精度高、響應時(shí)間短（小于500ms），主要結構包含了流量傳感器、控制器和調節閥，其中控制器可將氣體的質(zhì)量流量保持恒定或跟蹤一條設定值曲線(xiàn)而不受干擾因素（如壓力或溫度變化）的影響。傳感器采用熱原理（恒溫風(fēng)速計），在主管道中進(jìn)行測量，因而直接測得質(zhì)量流量而不必通過(guò)任何校正。在數字流量控制器中，將測量值與設定值進(jìn)行比較，并將比較后的差值輸出給比例電磁閥作為控制信號。具體工作原理如圖2所示。

圖2 氣體質(zhì)量流量計測量原理

在線(xiàn)式氣體質(zhì)量流量計的傳感器為熱膜式風(fēng)速計，內部結構是5個(gè)電阻，其中2個(gè)電阻位于實(shí)際介質(zhì)中，另外3個(gè)電阻位于流體通道之外，這些電阻連接形成一個(gè)電橋，介質(zhì)中的一個(gè)電阻（RT）測量介質(zhì)溫度，另一個(gè)低阻值電阻（RS）始終被加熱到保持在高于介質(zhì)溫度的一個(gè)恒定給定溫度，加熱RS所需要的電流是衡量氣體熱消耗的標準，即代表了主要的被測變量。該流量計采用高質(zhì)量的流量標準進(jìn)行標定，確保了獲得高精度的每單位時(shí)間內流過(guò)的氣體質(zhì)量，這樣便能滿(mǎn)足對天然氣以及氧氣流量的精確測量及控制。

2.3 高精度模擬量轉換模塊

本系統使用了3個(gè)模擬量輸入模塊FX3U－4AD和4個(gè)模擬量輸出模塊FX3U－4DA。FX3U－4AD模塊的各通道中，最多可存儲1700次A/D轉換值的歷史記錄，該功能對燃氣焊接機來(lái)說(shuō)是非常重要的，因為如果燃氣和氧氣的混合比出現異常，便會(huì )發(fā)生回火現象，該現象在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中危害較大，通過(guò)對歷史記錄的存儲，就可以為維修人員提供可靠的歷史依據，用于判斷出現回火時(shí)的故障原因。FX3U－4DA模塊的電流輸出分辨率可以達到0.63μA（20mA/32000），為質(zhì)量流量計的精確控制提供了不可或缺的保障。另外，該模塊還具有斷線(xiàn)檢測功能，這一功能對燃氣焊接機的控制也是至關(guān)重要的，如果模塊與質(zhì)量流量計間的接線(xiàn)出現斷線(xiàn)，模塊會(huì )自動(dòng)報警并進(jìn)入滅火流程，這樣做的目的在于防止因為通訊線(xiàn)路損壞導致的燃氣管路回火，提高了系統的安全性及可靠性。

2.4 PLC與變頻器間的通訊

本系統中采用了RS485通訊協(xié)議，只需要在PLC左側擴展一塊RS485通訊板卡，便可在觸摸屏上自由的對速度進(jìn)行設定，并且可以實(shí)時(shí)監測到變頻器的運行狀態(tài)及故障報警信息。

2.5 PLC與觸摸屏間的通訊

因考慮到與用戶(hù)方的IMES系統進(jìn)行連接，所以在PLC的左側擴展了FX3U－ENET－ADP以太網(wǎng)適配器，使用該適配器與觸摸屏進(jìn)行通訊相比于傳統的PLC自帶RS422接口與觸摸屏連接，通訊速率更快、穩定性更高、可擴展性更好。

3 控制系統的軟件設計

3.1 PLC控制程序設計

FX3U系列PLC提供了豐富的控制指令，根據該系統控制工藝的要求，采用了主程序與子程序相互調用的編程方式，其主要程序結構如圖3所示。其中PLC對變頻器及模擬量模塊間的控制均有專(zhuān)用指令，大大提高了程序編制的效率。

圖3 控制程序框圖

3.2 觸摸屏組態(tài)

三菱GT2310觸摸屏作為該設備的上位機，PLC作為下位機，使用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊。觸摸屏作為上位機可以與PLC進(jìn)行快速的數據交換，可以清楚顯示出設備的運行狀態(tài)、報警信息，并完成簡(jiǎn)便的參數設置，能夠有效提高生產(chǎn)效率。該系統中的主要畫(huà)面如下：

（1）初始畫(huà)面如圖4所示，可以通過(guò)該界面進(jìn)入火焰控制界面、參數設置界面、位置控制界面、手動(dòng)維護界面、報警記錄界面。

圖4 初始畫(huà)面

（2）主操作界面如圖5所示，該界面可以實(shí)時(shí)顯示各回路中流量的實(shí)際值以及燃氣管路、氧氣管路、氮氣管路的實(shí)時(shí)壓力，用以監測氣路系統的工作是否處于正常狀態(tài)，同時(shí)也可以在該界面對各回路的流量值進(jìn)行設置；另外還可以通過(guò)該界面監控PLC控制程序的工作是否正常。

圖5 主操作界面

4 結語(yǔ)

PLC及氣體質(zhì)量流量計的完美配合使得該系統克服了以往焊接機的諸多缺陷，且該控制系統已經(jīng)實(shí)際投入使用一年的時(shí)間，達到了最初的設計要求，工作穩定，故障率低，維護和使用都很方便，做到了一鍵式的操作，深受用戶(hù)的好評。