制冷行业中铜铝管对焊机的PLC控制

0引言 由于铝材料与其他材料相比，其导热性能和成型加工性能好，价格低廉，故制冷及其他一些行业大多采用铝管做冷凝器。但又由于铝熔点低、表面有致密氧化膜，故其焊接性能较差。为扬长避短，实际生产中多采用铜-铝管过渡，用铜管连接其他管路。铜铝管对焊机是一种用于铜铝管焊接的专用设备。其中最关键的部分就是其控制系统。控制系统的性能和控制精度将直接影响铜铝管电焊机的性能，即铜铝管焊接质量及产品合格率。为实现铜铝管的优质焊接，保证产品合格率，降低成本，提高市场竞争能力，采用可编程控制器(PLC)控制系统。可编程控制器(PLC)可靠性好，抗干扰能力强，功能完善，体积小，能耗低，且有故障自诊断功能，程序的设计、调试、修改和维护都很方便，可大大降低总成本，缩短系统的设计和投运周期。 1铜铝管焊接过程的控制要求分析 编写PLC应用程序前，应先对控制要求进行分析。对于本焊机来说，就是对焊机自我保护功能和焊接过程进行分析。 1．1焊机自我保护功能分析 任何设备都必须具有一定的自我保护功能。本焊机的自我保护功能如下： (1)焊机工作电压为交流380V，无论电压的过高或过低，都将影响其正常工作，甚至无法工作，电压过高时有烧毁焊机的危险，必须将电压限制在一定范围内。所以控制系统应能在焊接前识别工作电压是否过高或过低。 (2)铜铝管焊接的特点是焊接电压低、电流大，导致焊接线圈发热多温升高。为防止焊接线圈因温度过高而烧毁，必须采用水冷却。本焊机是用自来水冷却的。所以控制系统应能在焊接前识别是否有冷却水。 (3)虽然有水冷却，但焊接线圈发热温升是不可避免的。所以，控制系统应能在焊接前识别焊接线圈温度是否过高。 (4)由于焊机的执行机构是由气动元件组成的，压缩空气的压力必须在一定范围内。所以，控制系统应能在焊接前识别压缩空气的压力是否满足使用要求。 (5)为了使产品合格率达到100%，焊接电压和电流不能有过大的浮动。所以，控制系统应能在焊接过程中识别焊接电压和电流是否满足使用要求，并能做相应的微调。 (6)虽然已有上述自我保护功能，但仍不能确保在实际操作中不出现异常情况。所以，控制系统还应具有人为急停功能。 1．2铜铝管焊接过程分析 分析焊接过程，也就是分析各执行部件的工作状态，确定焊机在完成一个工作循环中包含几个不同的工作状态，进而确定每个状态的切换信号。 图1给出了铜铝管对焊机执行机构示意图，铝管、铜管分别置于左、右两夹具适当位置，即铝管右端、铜管左端与定位片略微接触，而后启动工作循环。分析铜铝管对焊机的控制系统可知，这是一个具有6个状态的顺序逻辑控制系统。这6个状态是： (1)对电磁阀PQ1单独送电，压缩空气经PQ1进入两压紧气缸。两气缸的活塞同时向下运动分别压紧铜铝管。与此同时压缩空气经PQ1也进入定位气缸，使定位片缩回。焊接准备就绪。 (2)对电磁阀PQ1持续送电，保持铜铝管的压紧状态；对电磁PQ2送电，压缩空气经PQ2进入推进气缸，使其推动铜管横向插入铝管。 (3)对PQ1、PQ2持续通电，在铜管接触铝管后的瞬间接通主焊接回路。铜铝管焊接过程开始，此时铜管继续向铝管插入。 (4) 在铜管向铝管的推进中进行焊接。推进到位时，切断焊接电流，推进气缸停止推进，但压紧气缸仍压紧铜铝管，并保持一段时间． (5)电磁阀PQ1断电，压紧气缸回复原位置，定位片伸出并顶出焊好的铜铝管，同时，准备对下一组铜铝管进行定位。 (6)电磁阀PQ2断电，推进气缸退回。 经上述6个状态完成了一个工作循环，这是对铜铝管对焊机控制系统最基本的控制要求。 2 控制系统总体设计 分析了保护功能和焊接过程后，就要选择PLC型号。由前述，可把焊接过程简化为：启动—压紧—延时(t0)—推进—接触—延时(t1)—焊接—保持(t2)—松开—延时(t3)—退回。由于延时t0和延时t3，只是确保动作的先后顺序，为节省输入点，可使t0=t3。根据使用的I/O点数、定时及定时时间随时变更的要求和价格因素，在此选用日本松下公司FPI1-C14型可编程控制器。C14有8个输入点、6个输出点．还带有一个电位器模拟输入端，在PLC内部进行A/D转换，转换精度为8位，并能自动记录转换结果，不占用其它开关输入口。C14的I/O分配及外部接线如图2所示。 3 程序设计 3．1保护功能程序设计 由于对焊机必须在1．1中分析的保护条件下工作，所以必先考虑保护功能的程序实现。为减少输入点数，节省成本，故将急停开关，低气压保护及高低电压保护开关并用1个输入点，将其他保护开关并用1个输入点，各开关回路中均有指示灯。从实际情况考虑，这样做的目的在于：a当工作电压过高、过低，或气压过低时都不能生产合格焊接产品，故X4断开后对焊机立即停止工作回到原位；b当没有冷却水，或焊接线圈温度较高时仍可完成10件以内的焊接，故X7断开后对焊机在完成当前工作循环，回到原位后停止工作。 3．2时间数据输入程序设计 在焊机工作过程中，共有3个时间数据需要外部输入，为节省I/O点数，采用两个输入点进行时间数据输入，其对应关系如表1所示。采用TMR型计时器，精度为0.01s，完全可以满足焊接时间精度要求。由于这些设定值需根据焊件的规格进行调整，本文采用PLC的外部模拟电位器经A/D转换输入到SV中。该设定值的变化范围是0~2.5s。 3．3焊接过程程序设计 在满足1.1中的保护条件下，时间数据输入后，即可开始铜铝管的焊接。由前述，可以做出控制流程图，如图3所示。从而可得到执行机构各部件动作时序图，如图4所示。进而编写PLC应用程序即可实现对铜铝管对焊机的自动控制。在焊机的运行中，还应不断检验、修改和完善程序，力求达到最佳状态。 4结论 由前述可得如下结论： (1)采用可编程控制器(PLC)控制系统对铜铝管对焊机的焊接参数进行控制，既提高了对焊机性能，又降低了生产成本，满足了对铜铝管对焊机的使用要求。 (2)可编程控制器(PLC)有存储功能，可以存储用于不同规格铜铝管焊接的程序。当产品规格改变时，只需调出相应程序即可进行焊接。 (3)可编程控制器(PLC)可以与计算机连接，实现远程控制，为实现生产的自动化奠定基础。 (4)该对焊机与进口同类对焊机相比，具有适应性强，操作简单，调整方便，控制准确等特点。经省级科技部门鉴定此铜铝管对焊机技术性能达到了国际先进水平。 参考文献 1安振之，张希川，刘忠仁等．微机控制型插入式铜-铝管对焊机的研制[J]．沈阳工业大学学报．1998，（第20卷增刊）：74~76 2安振之，张希川，刘忠仁等．可编程序控制器在铜铝管对焊机中的使用[J]．沈阳工业大学学报．1999，（第21卷增刊）：387~389 3吴建强，姜三勇编著．可编程控制器原理及其应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998 4 常斗南主编．可编程序控制器原理•应用•实验[M]．北京：机械工业出版社，2003