荆州西门子PLC代理

引 言
    闪光对焊作为一种先进的焊接技术，具有无需添加焊接材料、生产率高、成本低、易于操作等优点。随着工业技术的不断发展，焊接的零件截面越来越大，遇到了一些技术问题，如焊接加热难、生产率低、产品合格率低等。为了解决闪光对焊中存在的这些问题，许多焊接工作者对闪光对焊工艺过程进行了一系列的研究，创建了高效率、低能耗的闪光对焊方法，如脉冲闪光对焊法、程序降低电压闪光对焊法。控制闪光对焊工艺过程，使之在保证焊接质量的前提下尽可能提高生产率，是我们一直以来追求的目标。考虑到影响闪光对焊焊接质量的因素，本文利用PLC系统来控制闪光对焊工艺过程，实现了对焊接质量控制的目的，从而提高了闪光对焊的生产率。
1 机械机构及过程分析
    1.1 闪光对焊的机械装置及动作过程

图1 闪光对焊的机械装置

    如图1所示为闪光对焊的机械装置，其动作过程分析如下：
    1.1.1 预调
    闪光对焊焊接工艺前期准备工作，即机械机构的调整、焊接参数的选取等。闪光对焊的主要规范参数有：调伸长度、闪光速度、闪光电流密度、顶锻速度、顶锻压力、夹紧力等。
    调试完成后，将工件装卡到工作台上。
    1.1.2 夹紧与定位
    按下启动按钮，电磁阀PQ1、PQ2、PQ3线圈带电，压缩气体经过三大件流入夹紧气缸1、2上气室，压缩气体推动活塞杆向下运动压紧工件1、2，直到压紧开关闭合为止。
    同时从气泵流出的气体经三大件进入定位气缸3的上气室,推动定位杆向上运动，为工件对准准确定位。定位结束，电图1 闪光对焊的机械装置磁阀PQ3线圈去电，定位杆弹回。
    1.1.3 焊接
    接通焊接开关，保持电磁阀PQ1、PQ2 和PQ4线圈带电，电磁阀PQ5线圈不带电，压力气体经低压三大件，进入推进气缸4右气室，推动活塞杆、动夹具带动工件2向工件1运动，直到工件1、2接触，达到预先设定的位置，推进开关闭合。工件1、2接触的瞬间，即开始通电加热。当闪光加热达到预定温度时，电磁阀PQ5线圈带电，压缩气体经过高压三大件推动推进气缸、动夹具以很大的压力进行快速顶锻。随即切断焊接电流，并保持一段时间，使接头冷却、凝固。焊接时间到，断开焊接开关，焊接过程结束。
    1.1.4 复位
    电磁阀PQ4、PQ5线圈去电，推进气缸气路换向，低压气体进入推进气缸4左气室推动推进气缸带动工作台向右运动，推进气缸4复位。电磁阀PQ1、PQ2线圈去电，气路换向，压紧触头弹回，气缸1、2复位。此时，一次闪光对焊焊接过程已完成，所有装置原位等待，准备进入下一焊接循环。
    1.2 闪光对焊时序分析
    由于执行机构部件较多且各部件动作存在时序性，故先做出工艺时序图，便于时序分析。闪光对焊焊接过程可概括为：预调—定位—夹紧—推进—焊接—顶锻—保持—复位等几个阶段。如图2所示为闪光对焊工艺过程时序图。

图2 闪光对焊工艺时序图

　◆真空泵变频控制硬件设计
　　系统保留了原有的手动控制，方便在系统的测试、维修期间，或者在自动控制出现问题时，作为后备功能启用。真空泵组的手动控制和自动控制由手动/自动转换开关来选择。为了节省成本，在自动控制模式下，采用一台变频器控制两台电动机，变频器根据需要在两台电动机之间进行切换。由PLC控制电动机的启停操作。在负压罐的输出管道上，安装有负压传感器，用于获得实际的负压压力。将测得的负压压力与给定的目标值进行比较，通过PID计算得到变频器的输出频率。整套装置组成了一个完整的闭环控制系统，能够根据实际生产的需要，自动调节电动机的输出功率，从而达到稳定负压压力，节约能源和原材料的目的。
　　控制系统的硬件配置包括：台安N2系列220V/440V 22kw变频器1台、艾默生EC20系列可编程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模块、艾默生EC20系列4DA模块、负压传感器、以及空气开关、断路器、防雷器等系统保护性器件，还包括接触器、继电器若干，主要用于PLC的继电器输出及变频器在两台电动机之间的切换。系统的原理框图如图3所示：

图3 真空泵变频控制系统的原理框图

　　负压传感器负责在生产过程中实时采集负压压力的信号，然后通过屏蔽双绞线将4~20mA电流信号送到PLC控制系统的8AD模块中，与PLC中设定的目标值进行比较，差值送入PID计算得到一个控制量，经4DA模块转换成0~10V的电压信号，通过改变变频器的输出频率来改变电动机的转速，实现负压压力的自动调节。
　　在自动模式下，通过变频器实现电动机的软启动，可以有效的减少启动电流对电动机的冲击，延长电动机的使用寿命。两台电动机将依据变频运行的时间（我们定为36小时），轮流作为变频运行的电动机。在电动机变频运行期间，如果变频时间达到规定的时间，为了不影响生产，电动机将继续变频运行，直到下一次启动时自动转换变频运行的电动机。考虑到水环式真空泵存在下限运行频率，把变频器的频率下限设为36Hz，频率上限设为50Hz。PLC首先启动变频运行的电动机，如果电动机连续运行在50Hz超过一段时间（我们定为3分钟），负压压力仍然达不到目标值，系统将自动工频启动另一台电动机，并延时一段时间以后再进行判断，避免了电动机频繁启停动作；如果变频频率低至36Hz后超过一段时间（我们定为1分钟），系统将会自动停止另一台电动机，防止外部干扰而让电动机产生误动作。电动机的运行频率可以将变频器的频率输出信号通过屏蔽双绞线送至PLC的8AD模块中。
　　◆真空泵变频控制软件设计
　　本系统中设计的程序块主要分为以下几个部分：初始化配置，主要有PLC扩展模块8AD、4DA的初始化设置以及特性参数的设置，还有PID各个控制参数的设置；依据变频运行的时间，确定变频运行的电动机和工频运行的电动机；根据负压传感器的反馈信号与设 定的目标值比较，进行PID运算，得到变频运行频率的控制量；运行频率判断，根据判断结果，来决定是否启停工频运行电动机及变频运行电动机的运行频率；电动机的运行信号、故障信号检测及过电流保护，变频器的故障信号及复位。艾默生EC20系列PLC编程软件自带PID指令向导，改变了以往PLC实现PID控制算法难度大的困境，能够非常方便快捷的生成PID配置程序和PID控制程序，减轻了编写程序的负担。下面对程序中几个比较重要的部分进行详细的叙述。
　　PID控制参数整定。变频控制系统选择了4DA模块的0~2000对应0~10V的模式，所以需要设定PID控制的输出上下限有效，并且设定输出下限值为0，输出上限值为2000，与4DA模块的输入数字量对应，消除了控制的盲区；采样时间要选择合适，采样时间过短PID指令无法执行，经过现场调试，我们选定的采样时间为100ms；为了使测量值变化平滑，将输入滤波常数定为10%；选择10%的微分增益，可以缓和输出值得剧烈变化；控制系统PID参数的整定根据负压压力的实时曲线来不断的调整，终定出合适的值。
　　变频运行时间计算及切换。程序流程图及部分梯形图如图4所示。D500、D501、D502分别为停电保持的数据寄存器，D500存储变频运行转换时间为36小时，D501存储18kw真空泵组变频运行的时间，D502存储22kw真空泵组变频运行的时间。X2、X4分别为18kw真空泵组变频运行信号和22kw真空泵组变频运行信号。M30为自动控制模式。M205的常闭触点接18kw真空泵组变频启动信号，M206的常开触点接22kw真空泵组变频启动信号。程序运行的结果，将使M205产生一个以72小时为周期的时钟振荡信号，其中周期的前半周期为0，也即是首先选定18kw真空泵组的电动机变频运行。

图4 变频切换流程图

　　运行频率计算。程序流程图及部分梯形图如图5所示。D22为PID计算得到的频率，D32为变频器设定的频率上限，D30为变频器设定的频率下限。T30和T31用的是接通延时计时指令，只有当频率到达设定的值，并持续设定的时间长度D401和D402，线圈M200、M201才会导通。线圈M200、M201、M202分别对应启动电动机、停止电动机、控制变频电动机的操作。

图5 频率判断流程图

结 论
　　本文利用PLC和变频器实现了真空泵组的自动变频控制，改变了以往纸浆模塑生产线中负压压力波动大，废品率高的现状；利用易控(INSPEC)组态软件优越的组网功能，方便快捷的实现了成型机的实时生产数据监控。实际结果表明，该系统不仅提高了控制系统的响应速度和生产效率，而且节省了原材料和电能，使系统运行的方式更加合理、灵活、可靠。