（材料加工工程专业论文）铜带高速焊接及轧纹成形控制系统的设计与研究.pdf

中文摘要 射频同轴电缆的皱纹铜管导体由0 2 o 8 m m 铜带经卷管成形、焊接、轧纹等 几道工序形成，本文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形控制系统。 该系统以p l c 联合触摸屏作为逻辑控制器件。设计了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参数显示系统，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。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。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。 通过实际生产验证，焊接速度达到2 2 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；薄铜板 a b s t r a c t t h ec o r r u g a t e dc o p p e rt u b ec 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 y t 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 s e so fw e l d i n ga n d c 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 ka b o u tt 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 mw i t hp 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 ea st h e l 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 ep r o d u c t i o np r o c e s sw o r k i n gs e q u e n t i a l l y a 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 dl a d d e rd i a g r a m p 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 em o t i l ep a r sc a n b e a c h i e v e df o rt h e d e b u g g i n g w o r k s t h e d i s p l a y i n g i 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 ma r ed e s i g n e dt o d i s p l a yi nr e a l t i m et h er u n n i n gs 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 e s y s t e mt a k e st h es i e m e n s6 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 d c o n t r o ld e v i c e t h er 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 r p a r a m e t e r sa n dr 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 r r u n n i n gs t e a d i l y 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 e s i g n a lo ft 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 e w e l d e dj o i n ti nt h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s st h es p e e ds i g n a lo f t h eh a u l i n gr e g u l a t o r i 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 ec 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 e c 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 ju s t e da 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 r t 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 i nt h ea c t u a l p 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 f2 2 m 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 f c 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 2 y r 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 d h i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h i g h s p e e dw e l d i n g ，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 nc o p p e rs t r i p 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，也不包含为获得丕壅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：写，习 签字日期：乙锣歹年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗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： 玛l 司 签字日期：z 彩年月歹日 导师始仁坪 签字日期：力么骺月厂日 第一章绪论 1 1 提出背景 第一章绪论 目前，移动通信已经成为了发展迅速的几大领域之一，中国早在2 0 0 1 年就己 超过美国成为拥有手机最多的国家。至i j 2 0 0 6 年6 月，我国移动电话用户超过4 2 6 亿户，移动电话用户已经超过固定电话用户，我国移动电话的人均占有率大约为 3 3 。预计至u 2 0 1 0 年我国移动用户将超过6 亿户，人均占有率达到5 0 。可见， 我国在该领域具有很大的市场空间。随着我国即将发放第三代移动通信( 3 g ) 牌照，超过数千亿元人民币的资金将在未来几年内注入第三代移动通信建设。 我国移动通信事业已经进入一个突飞猛进的发展时期。资料显示，现在我国 每年要新增各类基站几万个，年需求射频同轴电缆已达六万公里以上。今后几年 每年射频同轴电缆的需求量将超过十万公里。可见，移动通信的高速发展将带来 各类基站的增加，最终带来射频同轴电缆需求的增加，这为移动通信用射频同轴 电缆提供了更为广阔的市场前景l l 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、密封性能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 导体由薄铜带经卷管成形、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， 合理地选择焊接电流、速度，牵引及轧纹速度，这是提高轧纹质量的重要保证。 另外合理控制轧纹的深度及节距，可以避免出现阻抗周期性不均匀。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1 3 5 j 。 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。而从国外进口设备又存在 价格昂贵、安装调试周期较长、设备售后维护及维修繁琐等缺点。为了解决这些 问题，提高产品竞争力，增加企业效益，对薄铜管高速焊接及轧纹控制系统进行 深入研究非常必要。 第一章绪论 1 2 本文所针对的问题及主要工作内容 本文属于横向课题的一部分，主要是与企业合作设计制作射频同轴电缆导体 焊接生产线的控制系统并确定生产工艺，本文根据企业对产品质量的要求，并综 合考虑生产成本及生产效率，选择钨极氩弧焊来对铜管进行焊接。设计一套薄铜 管焊接轧纹成形生产线控制系统，对铜管的钨极氩弧焊和轧纹成形进行自动控 制，保证焊接电流、焊接速度和轧纹速度的实时匹配，在满足产品质量的前提下 提高生产效率。 针对以上要求，本文拟完成以下几方面工作： ( 1 ) 由于生产电缆所使用的主要原料为薄铜带，本文根据薄板焊接的技术 要求选择合适的焊接设备及焊接工艺参数； ( 2 ) 根据现在工程控制领域的发展现状，本文拟设计以p l c 和触摸屏为核 心的控制系统，编写p l c 的梯形图程序和触摸屏界面，实现对生产线的自动控 ，制，使生产过程稳定可靠。另外尽量减少硬件上的按钮、开关等，在满足生产需 要的前提下，尽量用软件完成控制，以提高系统的灵活性并降低了成本； ( 3 ) 设计生产线的调速系统，实现对生产线运行速度的控制，并生产线的 生产速度可调，且速度变化平缓，保证速度变化过程中的焊接质量和生产过程稳 定； ( 4 ) 为了保证产品质量，控制系统应使焊接速度、焊接电流和轧纹速度三 者之间必须按照事先确定好的规则实时自动匹配，以保证产品的各个质量参数稳 定良好。另外各个生产参数应独立可调，且调节方便，从而达到柔性生产线的要 求，以满足不同产品的生产需要，使生产线可以灵活的转换产品； ( 5 ) 为了能够在生产过程中对各生产设备的工作状态和产品工艺参数进 行实时的监控，本文拟设计生产线运行参数的采集、显示系统； ( 6 ) 现场对控制系统进行安装调试，调整各个参数，使生产线达到稳定工 作状态后交付企业使用。 ， 1 3 课题研究意义 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。对 其焊接也提出了更严格的要求。企业为了提高产品质量、增加效益，要求严格保 证焊接质量。另外为了增加效益还要求具有较高的生产速度，这样又必须在保证 焊接质量的同时提高焊接速度。这就要求大量使用自动控制技术，减少人为因素 对生产过程的影响。 第一章绪论 本文主要是研究并设计射频同轴电缆高速焊接及轧纹成形的自动控制系统， 实现焊接电流、焊接速度和轧纹速度三者之间的实时自动匹配，在保证生产质量 的同时大大提高了生产效率，同时达到柔性生产线的要求，可以灵活的改变产品 各个参数以方便在不同产品之间转换。对企业提高生产质量和生产效率、降低生 产成本以及在各产品间灵活转变具有重要的实际应用意义。 第二章系统总体介绍 第二章系统总体介绍 本文所针对的射频同轴电缆的皱纹铜管导体由0 2 0 4 m m 的铜带经切边、卷 管成形、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电缆铜导体生产中的首要问题。 2 1 薄板焊接过程中的常见问题 随着航空航天、微电子工业的发展，厚度在1 m m 以下的薄板、超薄板的焊接 越来越多。如机载设备中的弹性敏感元件膜盒、仪器仪表及自动化装置中的波纹 管；又如在建筑装璜业、广告业、生活用品制造业中大量采用的超薄型不锈钢材 料。因此必须解决焊接中的一些工艺问题。 大量的薄板焊接试验证明：烧穿、未熔合以及焊接变形是薄板焊接时的主要 问题，这主要是由薄板的自身特点决定的1 6 “8 。 2 1 1 烧穿和未熔合 烧穿和未熔合的产生与熔池受力状态密切相关，图2 1 是平焊时熔池烧穿前 瞬间的受力情况。 图2 1 平焊时熔池金属的受力情况 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 电孤，主要由电流大小决定；熔池金属表面张力f 衰，除与金属种类有关外， 还与熔池表面状态有关：另外固液体金属的附着力和液体金属的内聚力都是保持 第二章系统总体介绍 熔池的内力，但是相对较小，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熔池下塌或使之烧穿的力，而表面张力则 是阻止熔池下塌或烧穿的力。如果f 重、f 电弧、f 衰三力不能平衡的话，液体金属就 会被拉断而出现烧穿。为了使薄件焊缝不致烧穿，应提高熔池的表面张力f 表，降 低其它力的作用，即减少由于热量积累而造成熔池金属量的增大，尽量减小焊接 电流和热输入。 但在焊接铜薄板时，由于铜导热系数大，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，所以焊接时需要使用大功率的热源。 于是，在焊接铜薄板时，热输入应控制在一个合适的范围内，而且这个范围 非常小，所以一定要严格控制各相关参数，以获得良好的焊接质量。 2 1 2 焊接变形 焊接变形是薄板焊接的另一主要问题。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，材料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。而薄板由于其自身拘束度小，焊接时变形 也相对较大。特别是铜薄板，铜的热膨胀系数较大、热传导也相对较快，使得变 形更难控制。 解决铜薄板焊接时产生的焊接变形的主要措施有。 ( 1 ) 。严格控制焊接接头上的热输入量，选择合适的焊接方法和工艺参数 ( 主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度) ； ( 2 ) 装配尺寸力求精确，接口间隙尽量小。间隙稍大容易烧穿，或形成 较大的焊瘤； ( 3 ) 必须采用精装夹具，夹紧力平衡均匀。 总之，焊接铜薄板时关键要注意：严格控制焊接接头上的线能量，力求在能 完成焊接的前提下尽量减小热量输入，从而减小热影响区，避免上述缺陷并减小 对接头性能的恶劣影响。 2 1 3 电缆生产中的难点 在电缆生产过程中，铜带经卷管焊接后还要经过轧纹成形工序，而且由于电 缆生产具有长度要求，所以对焊接提出了更高的要求。 ( 1 ) 由于铜管焊接成形后还要轧纹，所以对焊接质量要求高，以免在轧纹 的过程中开裂，这就要求严格控制各焊接参数，使其匹配合适； ( 2 ) 焊接电流、焊接速度( 本文中即为牵引速度) 和轧纹速度三者之间要 严格实时匹配，这样才能保证对产品各质量参数的要求。为了达到这个要求，本 第二章系统总体介绍 文设计了焊接电流和轧纹速度对焊接速度的自动跟随系统，使三者达到实时的自 动匹配。这样在生产过程中只要调节牵引速度达到所需要的数值，其他两个参数 会自动跟随到合适的参数。且变化过程平缓、跟随准确，保证生产系统的稳定和 产品质量可靠； ( 3 ) 电缆生产要求每根长度至少为5 0 0 m ，且不能有接头，这就要求焊缝 长度也至少为5 0 0 m ，同时要求焊缝质量均匀。这就要求生产线运行稳定可靠， 具有较强的抗干扰能力，在速度调节的过程中也要保证焊接质量； ( 4 ) 为了提高生产效率，本文在适当的提高焊接速度同时提高焊接电流， 在保证质量的前提下充分的利用各个设备，但是这也对系统的稳定性提出了更高 的要求。 2 2 薄板焊接技术 为了有效地控制薄板焊接线能量，首先要正确选择焊接方法。各种焊接方法 对焊缝及热影响区的金相组织及力学性能影响程度不同，因此，也会不同程度地 影响产品的使用性能。 能较好控制线能量的焊接方法主要有电子束焊、激光焊、等离子弧焊和t 1 g 焊等。 2 2 1 高能密度焊 高能密度焊一般指功率密度( 或能量密度) 比通常的熔化极气体保护焊高的 一类焊接方法，有时又简称高能焊。一般认为认为高能焊的功率密度大于 10 s w c m 2 。表2 1 是一些常见热源的功率密度【9 1 。 由表2 1 可以看出，功率密度大于1 0 5 w c m 2 ，即属于高功率密度热源的有电 子束和激光束，等离子弧的功率密度接近1 0 5 w c m 2 ，也可以勉强算作高能密度焊。 表2 一l 几种常见热源的功率密度 第二章系统总体介绍 其对应的焊接方法就分别是电子束焊、激光焊和等离子弧焊。 电子束焊是利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处所产生的热能，使金属熔 合的一种焊接方法。电子轰击工件时，动能转变为热能。 激光焊接是利用激光器产生的激光束i m 豫】，经聚焦系统聚焦后成为微细光 束，当调焦到焊缝处时，光能转换成热能，使该处金属熔化形成焊接接头。 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( 温度最高可达3 0 0 0 0 ) 1 1 5 2 0 j 来进行焊接。 以上三种焊接方法的主要特点如下【9 】o 优点： ( 1 ) 功率密度高，加热集中，热效率高，完成单位长度、单位厚度工件焊 接所需的热输入低，因而工件产生变形极小，热影响区很窄，特别适合精密焊接 和微型焊接； ( 2 ) 可获得深宽比大的焊缝，焊接厚件时可不开坡口一次成形，真空电子 束焊接时焊缝的深宽比可达5 0 ：l ，采用真空电子束不开坡口单道焊接钢板的厚 度已超过3 0 0 m m ； ( 3 ) 可用于难熔金属、热敏感性强的金属以及热物理性能差异悬殊的材料 的焊接； ( 4 ) 高能密度焊的规范参数均可单独进行调节，且可调范围宽； ( 5 ) 效率高，在大批量生产条件下，焊接成本低。 缺点： ( 1 ) 设备价格昂贵，且维护困难，不利于技术推广； ( 2 ) 对工件的加工精度要求高，接头间隙必须严格控制。 2 2 2 钨极氩弧焊 钨极氩弧焊是一种能够较好控制线能量，又易于推广应用的焊接方法。由于 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，因此，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。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f 袁，有利于避免薄 件焊接时的烧穿。另外热输入易调节，可进行各种位置的焊接。 t i g 焊主要有如下优点。 ( 1 ) t i g 焊用氩气作为保护气体，是有色金属、合金钢等焊接的较为经济、 有效的方法； 第二章系统总体介绍 ( 2 ) t i g 焊与气焊相比，电弧热量集中，电弧温度高，所以焊速高、热输 入量小、热影响区窄、焊缝质量高； ( 3 ) 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； ( 4 ) 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； 但是，当用t i g 焊焊接较薄材料时，应注意。 ( 1 ) 焊件对工艺参数变化的影响非常敏感。如电流稍大或焊接速度较慢， 焊件就会由于热量的积累而过热烧穿，反之则不易焊透； ( 2 ) 小电流焊接时电弧飘浮，加热不集中，与上述三种高能密度焊相比， 其热效率低，热影响区大； ( 3 ) 对于多数焊机，引弧时的冲击电流过大，焊件易烧穿； ( 4 ) 对装配要求很严，如间隙稍大就易烧穿。 综合考虑以上因素，本课题选用了t i g 焊，由于是焊接薄板，所以电流很小， 本研究所用最大电流在2 0 0 a 以下。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【2 1 1 。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 3 控制系统整体框架 皱纹铜管导体生产流程包括铜带卷管成形、t i g 焊接、水冷、轧纹和收线几 个环节，其中最主要的是t i g 焊接和轧纹两个工序。要想得到质量良好的电缆 产品，应重点控制以下几部分。 首先，应严格控制焊接质量，良好的焊接质量才能保证后续流程的正常进行， 这就要求焊机运行稳定，以保证焊接电流和电弧的稳定； 另外，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 的机械以及电气性能； 第三，焊接电流、牵引速度和轧纹速度三者之间的严格实时匹配也是非常重 要的。 根据皱纹铜管导体的生产流程及以上要求设计了生产线的控制系统，其框架 如图2 2 所示。 第二章系统总体介绍 图2 2 控制系统框架 本控制系统实现了皱纹铜管导体生产过程的自动运行，同时焊接电流、牵引 速度和轧纹速度三者之间达到了实时准确匹配，可通过触摸屏显示各设备的工作 状态和生产工艺参数，并可通过触摸屏对生产线进行控制以及修改参数。控制系 统具体描述如下。 ( 1 ) 根据生产线对焊接电源的要求本文最终采用了美国林肯p r e c i s i o nt i g 3 7 5 焊机，它可用于交直流氩弧焊和手弧焊，用其直流输出焊铜能达到很好的效 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，焊机的额定电流为3 7 5 安培，足以满足生产线长时间连续运行以及不 同产品之间转换的要求； ( 2 ) 本系统的核心为p l c 和触摸屏，p l c 根据预先的设定对各设备发出 控制信号，控制整个生产过程自动有序的进行，触摸屏则用于人机交互，工作人 员可通过他实现对生产线的控制，同时它又可以实时的显示生产过程中各设备的 工作状态及工艺参数； ( 3 ) 生产线中主要的两台电机( 牵引电机和轧纹电机) 分别由两个直流调 速器控制。两个直流调速器都选用了西门子全数字6 r a 7 0 型直流调速器，该调 速器调速性能好、运行稳定，完全可以满足生产线的要求，生产过程中，调速器 根据来自p l c 的控制信号来控制电机的启动、调速和停止，同时它自己还可以 接受电机的速度反馈信号，构成双闭环调速系统，使电机运行稳定； ( 4 ) 参数显示系统介绍。牵引速度的显示首先是通过控制电路接收来自测 速电机的速度信号，它是一个电压信号，控制电路通过压频转换将其转变为脉 第二章系统总体介绍 冲信号，脉冲信号输入刊p l c 的高速计数器，p l c 在根据计数个数通过触摸屏 显示牵引电机的运行速度。对于焊接电流和轧纹速度的显示与此相似； ( 5 ) 牵引速度、焊接电流和轧纹速度三者之间的匹配主要是通过焊接电流 和轧纹速度对牵引速度的跟随实现的。将来自牵引测速电机的电压信号分别经过 电路处理，然后再分别送至焊机和轧纹直流调速嚣，以控制焊接电流和轧纹速度。 只要对电路进行合适的设定就能够实现焊接电流和轧纹速度对牵引速度的自动 跟随。 系统控制面板如图2 - 3 所示，面板上除了触摸屏屏幕外只有“启动”、。急停” 两个按钮以及“焊接电流”、“牵引速度”、“轧纹速度”三个调节旋钮。“启动” 按钮可以启动整个系统，使整个系统进入工作状态：“急停”按钮是当遇到紧急 情况才使用的，按下之后整个生产线会立即断电停止；“焊接电流”、“牵引速度”、 “轧纹速度”三个旋钮则用来调节其对应的生产工艺参数。生产线其他的一切控 制命令都可以通过触摸屏输入。 圈2 - 3 系统控制面板 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 随着自动化技术的飞速发展，自动控制系统也从最初的仪表控制系统发展到 计算机控制系统，从原来的模拟技术走向数字技术。而采用p l c 与触摸屏的控制 方式也是技术发展的必然趋势，它增加了系统的抗干扰能力和可靠性，软件编程 比较方便，使用和维护也变的非常简单1 2 2 2 3 1 。 在自动化控制领域，可编程控制器( 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 ) 之一，是大多数自动化系统的设备基础。由于其 综合了计算机和自动化技术，使得它的发展呈现日新月异的发展和普及势头。 p l c 具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善；适用性强、易学易 用；系统的设计、建造工作量小；维护方便，容易改造、体积小；重量轻，能耗 低等特点，深受工程技术人员欢迎。 触摸屏也称人机界面( h m i ) 是一个机器与人直观互动的平台，可以弥补p l c 在人机交互方面的不足，它可以实现参数设置、发布控制指令和状态监控显示等 功能。 3 1p l c 与触摸屏的选择 3 1 1p l c 简介 可编程控制器是将传统的继电器技术、计算机技术和通信技术融合而发展起 来的一种新型的控制装置，它专为工业环境应用而设计，所以在工业控制方面具 有继电器控制或通用计算机所无法比拟的优势。另外它不是针对某一具体工业应 用的，所以它的硬件可根据实际需要来进行配置，其软件则可以根据控制要求进 行编写1 2 抛5 1 。 p l c 的主要特点有如下几点。 ( 1 ) 高可靠性 工业现场的各种电磁干扰非常严重，因此工业生产对控制系统的可靠性要求 很高。p l c 是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在p l c 的设 计和制造过程中采取一系列的抗干扰措施，使p l c 的平均无故障时间m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 通常在2 0 0 0 0 0 小时以上。 ( 2 ) 面向控制过程的编程语言，容易掌握 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 p l c 的编程语言采用类似于继电器控制线路的梯形图语言，清晰简单。虽然 p l c 是以微处理器为核心的控制装置，但是它不需要用户具有很强的程序设计能 力，只要用户具备一定的计算机软、硬件知识和电器控制方面的知识即可，所以 很容易为一般工程技术人员甚至技术工人所理解和掌握。 ( 3 ) 应用灵活，使用方便 模块化的p l c 设计，使用户能根据自己控制系统的大小、工艺流程和控制要 求等来选择自己所需的p l c 的模块并进行资源配置和p l c 编程。这样，控制系 统就不再需要大量硬件装置，用户只需要根据控制需要设计p l c 的硬件配置和i o 的外部接线即可。而在p l c 控制系统中，当控制要求改变时，不改动p l c 外部接线，只需要改变程序即可。 ( 4 ) 易于安装、调试和维修 在安装时，由于p l c 的i o 接口已经做好，因此可以直接和外部设备相连， 而不再需要专用的接口电路。而且p l c 的软件功能取代了原来继电器控制中的 中间继电器、计时器、计数器等一些器件，所以硬件安装上的工作量也相应减少 了很多。 p l c 的调试可先在实验室模拟完成，然后再进行现场安装调试。这样可以避 免一些可能会在现场出现的问题，从而缩短调试周期。 在维修方面，p l c 完善的诊断和显示功能，可以通过模块上的显示和编程器 等很容易的找出故障的模块，而且由于模块化设计，只需要对出错了模块进行更 换即可。 ( 5 ) 接口模块丰富 p l c 除了具有c p u 和存储器以外，还有丰富的i o 接口模块。对于不同的 工业现场信号，p l c 都有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备直接连接， 而且为了适应新的工业控制的要求，i o 模块也越来越丰富。 ( 6 ) 网络功能强大 p l c 具有强大的网络功能。p l c 不但能做到远程控制、进行p l c 内部通信 以及与上位机进行通信，还具备专线上网、无线上网等功能。这样p l c 就可以 组成范围很大的控制网络，整个工厂，甚至整个系统都可以实现自动化，从而提 高生产效率。 ( 7 ) 体积小、重量轻、能耗低 由于p l c 内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有结构紧凑、体积小、 重量轻、功耗低等特点。 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 3 1 2 触摸屏简介汹伽1 触摸屏监控器又称可编程终端( 简称p t ) ，是新一代高科技人机界面产品， 是专为p l c 的应用而设计的小型工作站，它集主机、输入输出设备于一体，适 应在恶劣的工业环境中使用，一般为嵌入式结构，可直接安装在电控柜面板上， 现场安装方便。触摸屏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、信息输入简化、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，具有良好的性价比。 触摸屏由触摸开关、液晶显示屏、微处理器、通信模块及电源模块组成，其 主要功能特点如下： ( 1 ) 体积小、操作简便用手指等物体在屏幕相应信息区内轻触即可。可 免除工控机中对键盘以及某一应用软件不熟悉的苦恼，与鼠标相比，则更为简单。 体积也相对较小； ( 2 ) 高可靠性触摸屏整机密闭，可防水汽、防灰尘，抗干扰能力强，并 且背光板可随时更换，在阳光直射下也可使用。而且可长时间运行，系统稳定可 靠，正常操作一般不会出现错误和死机，易于维护； ( 3 ) 设计开发简单通过对其自身支持软件的简单开发，即可设计出美观 的操作及监视界面，而且可以在多个画面之间切换，方便操作者进行控制； ( 4 ) 通讯、联网采用r s 2 3 2 c r s 4 2 2 等方式使触摸屏与p l c 可进行网 上互连、通讯，并可与计算机等标准设备连接通讯； ( 5 ) 界面友好、扩充性好使用者即使没有计算机专业知识，根据屏幕上 提示的信息，也可进行操作，而且画面美观，提高操作者兴趣，另外还具有良好 的扩充性，可随时增加或者修改系统内容和数据。 3 1 3p l c 和触摸屏型号的选择 电缆生产车间内的各种情况都要比实验室复杂，所以对p l c 和触摸屏都提 出了较高的要求，包括： ( 1 ) 本文要求p l c 至少具有1 3 个输入口和1 4 个输出口，并应保留一部 分i o 口以便以后扩充使用； ( 2 ) 工厂车间内部电网波动大，且存在多种、复杂的干扰信号，所以p l c 和触摸屏都应该有较强的抗干扰能力，另外为了进一步避免外晃的干扰，系统内 部的所有信号线都应采用屏蔽线； ( 3 ) 为了保证产品质量、完成生产任务、给企业创造效益，生产线要求长 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 时间的稳定运行，所以p l c 和触摸屏也必须能够长时间稳定运行，故障率低： ( 4 ) 需要对多路脉冲进行计数，而且要求计数器具有很高的速度； ( 5 ) 应具有一定的扩展功能，以便将来根据生产的需要对系统进行扩展或 修改： ( 6 ) 操作简单、方便，便于技术人员和工人学习和使用； ( 7 ) 要体积小，以最大限度的节省空间。 市场上可以满足以上要求的p l c 主要有西门子的s 7 系列、三菱的f x i 系 列和松下的f p o 系列等， 综合考虑系统的要求和成本的问题，本系统所选用的 p l c 为松下电工的f p o 系列，包括一个主模块f p o c 1 4 r s ( 性能规范见表3 - 1 ) 、 两个扩展模块f p o - e 1 6 r s 和f p o - e 8 r s ( i o 分配见表3 - 2 ) 。控制单元尺寸均为 2 5 9 0 x 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。 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 表3 - 1f p o - c 1 4 r s 性能规范 项目 f p o - c 1 4 r s 编程方法控制方法继电器符号循环操作 可控i 0 点总数：1 4 ；输入：8 ；输出：6 程序存储器 内部设置e e p r o m ( 不用电池) 程序容量 2 7 2 0 步 基本 8 3 指令种类 高级 1 1 1 操作速度 0 9us 步( 基本指令) 计数器模式加或减( 单相) 输入点数最多四通道 最高技术速度 对全部四个通道最大l o k h z ( 见注) x o 计数输入( 通道o ) 高速计数器 x l ：计数输入( 通道1 ) x 2 ：复位输入 功能 所有输入接点 x 3 ：计数输入( 通道2 ) x 4 ：计数输入( 通道3 ) x 5 ：复位输入 x 0 ，x l 5 0 | is 最小脉冲宽度 x 3 ，x 4 1 0 0ps 2 0 8 点( x o 至x 1 2 f ) 实际可用点数为f p o 控制 外部输入继电器( x ) 单元的i o 点总数 操 外部输出继电器( y ) 2 0 8 点( y o 至y 1 2 f ) 实际可用点数为f p o 控制 作 继电 单元的i o 点总数 存 器 内部继电器( r )1 0 0 8 点( r o 至r 6 2 f ) 专用内部继电器( r )6 4 点( r 9 0 0 0 至r 9 0 3 f ) 储 1 4 4 点( 初始设置为1 0 0 定时器点，t o 至t 9 9 4 4 器 定时器计数器( t c )计数器点，c 1 0 0 至c 1 4 3 ( 术2 ) ) 定时器范围： 点 l m s ，l o m s ，l o o m s ，l s ；用指令选择 数 1 6 6 0 字( d t o 至d t l 6 5 9 ) 存贮 数据寄存器( d t ) 器区 专用数据寄存器( d t )1 1 2 字( d t 9 0 0 0 至d t g l l l ) 域 变趾寄存器( i x ，i y ) 2 字 注：最高计数速度( 1 0k h z ) 式额定输入电压为2 4 vd c 和环境温度为2 5 c 时的计数速度， 计数速度取决于电压和温度的变化，有可能会减小。 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 表3 - 2f p 0 扩展单元i 0 分配 触摸屏选用松下电工的a i g t 3 2 m q 0 2 d ，相关功能见表3 3 。它的体积为业晃 最小，在安装时可节省很大空间，且有银色纹理和纯黑色两款。 表3 3a i g t 3 2 m q 0 2 d 触摸屏相关功能 编号 g t 3 2 m 电源 2 4 v d c 外形尺寸1 6 3 2 1 2 8 8 x 3 9 1 m m 画面尺寸5 7 英寸 显示装置t f t 单色l c d 显示颜色2 色( 蓝自) 显示部分点数3 2 0 ( w ) 2 4 0 ( h ) 背光灯方式c f l 可显示字符数7 6 8 字符 画面内存容量( f - - r o m )2 0 4 8 kb y t e 串行口r s 2 3 2 r $ 4 2 2 ( r s 4 8 5 ) u s b 口有 外部接口 s d 记忆卡有( 最大1 g b ) 以太网接口 有 3 2p l c 及触摸屏的硬件连接 本文选用的是f p 0 系列p l c ，为了满足i 0 个数的要求，除了主模块c 1 4 r s 以外还选用了两个扩展模块，e l6 r s 和e 8 r s 。三者可以通过自带的扩展接口直 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 接进行连接，非常方便。 由于p l c 与触摸屏的工作状态会受到其供电电源的制约，所以本系统专门 使用了一个2 4 v 直流电源为它们供电。 主模块各端口分配如图3 1 所示： 收 焊废 机 带 电电 源机 轧 纹 焊 头 枪 润 开 滑 关 s l 轧 纹纹 正 转转 y oy ly 2y 3y 4y 5c o mc o m f p o c 1 4 r s x ox ix 2翠c o mx 4x 5x 6x 7 电 轧 流纹 脉脉 冲冲 耋 n n 换口检测 引 3 “”1 “ 脉 冲 图3 1 主模块i o 分配 主模块采用2 4 v 直流电源供电。端口x 0 、x 1 、x 3 作高速计数器输入用， 分别接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所转换的相应 的脉冲信号，经过程序处理后输出到触摸屏显示；x 4 、x 5 、x 6 、x 7 分别接不 同继电器的触点，用于励磁换向检测；输出端y 0 、y 1 、y 2 、y 3 、y 4 、y 5 分 别接不同的继电器线圈，它们的触点分别控制电焊机电源、收废带电机电源、轧 纹润滑电机电源、焊枪开关以及轧纹电机反向励磁电流和轧纹电机正向励磁电流 的通断。这样就可以实现p l c 对各设备的开关的控制，通过编写p l c 程序就可 以控制各设备的开关顺序，使其协同运行。 两个扩展模块f p 0 e 1 6 r s 和f p 0 e 8 r s 的i o 端口的功能分配分别见图3 2 和图3 3 ： 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 1 l j 1 nn 一一一 一 nnnr q 。 。oooo 卜 卜、 卜卜、 卜h卜卜 i 幺 出 配配 酲配配2 心 心心 口 y 2 0 y 2 1y 2 2y 2 3 y 2 4 y 2 5 y 2 6 y 2 7c o m f p 0 e l6 r m - l x 2 0 x 2 1 x 2 2 x 2 3c o mx 2 4x 2 5x 2 6 x 2 7c o m 气水寻 寻 流压 苫苫 启开星壶 动关 。 图3 - 2 扩展模块f p 0 - e 1 6 r s 的i o 分配 y 4 0y 4 1y 4 2y 4 3c o m f p o - e 8 r s x 4 0 x 4 lx 4 2x 4 3c o m 婚o o 寸 寸 nn oo 卜卜 匣名 峥 图3 - 3 扩展模块f p 0 e 8 r s 的i o 分配 扩展模块e 1 6 r s 中，x 2 0 、x 2 1 、x 2 2 、x 2 3 为保留端口，留做以后扩展用； 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 2 、y 2 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 2 4 、y 2 5 、y 2 6 、 第三章p l c 及触摸屏联合控制系统 y 2 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。 扩展模块e 8 r s 中，x 4 0 接轧纹直流调速器4 6 端子，检测轧纹直流调速器