西门子6ES7235-0KD22-0XA8参数说明
1 引 言
目前, 中国大多数工矿现场和大型企业, 在计量方面还是使用国产传统的核仪表, 即核子秤、密度计、料位开关等,其二次仪表在很多现场使用时出现不同的问题, 大大的缩短了核仪表的使用寿命, 增加了其维护成本。且这些二次仪表类型不同、一一对应,不能互换。采用PLC 来控制计算, 代替传统核仪表的二次仪表, 经过反复的实践, 在此方面有了重大的突破,PLC作为二次仪表进行密度、压力、liuliang、排量、重量的测量将是大势所趋, 在不久的将来, PLC 将代替核仪表的二次仪表,成为新型的控制测量仪表。
2传统核仪表的组成和功能
核仪表主要用于工矿现场, 进行物料的重量、矿浆的浓度、液位的高度等很多测量方面的仪表,是基于窄束Y射线穿过被测介质衰减服从指数规律衰减的原理, 对被测介质作非接触式连续测量, 并直接显示被测工艺参数。
衰减程度与密度的关系式为:
衰减程度与皮带单位长度上的物料质量关系的数学表达式为:
传统的核仪表由探测器部分和二次仪表部分组成。探测器是用来采集信号并将信号传给二次仪表进行处理。二次仪表是由手工焊接制作的印刷电路板构成。在存储和计算方面采用可插拔的芯片12C887和89C55等芯片,内部处理信号主要是靠单片机处理, 这样以来它就会受元器件性能的约束,在现场就会发生元器件使用寿命短、电路板焊接焊点不牢靠、现场工业用电电压不稳定烧坏芯片等诸多问题。造成二次仪表损坏, 不能正常工作,大大tigao了仪表的维护成本 。
传统核仪表在操作方面也有所欠缺, 人机对话界面做的不够完善, 显示内容表达不清楚。按键采用面膜式的按键, 在频繁使用的场合下,会出现按键失灵或者按键按下以后再弹不起来的故障, 使得现场工作人员不能正常使用。模拟量输入、输出只由4 ~0mA信号, 信号单一,不能适合大型的现代工矿现场使用。
3PLC控制的核仪表系统的组成和功能
PLC即可编程序控制器, 其核心部件是CPU (即中央处理单元), 实际的工艺计算就在CPU 中进行,PLC具有功能强大的指令集、丰富强大的通讯功能、编程软件的易用性等诸多功能。在PLC 上还能直接安装外接存储卡和电池卡,用以保持数据或者提供数据保持的电池供电等。利用PLC 处理信号, 是现代社会发展的一个趋势。
该设计选用了西门子的S7- 200型PLC, 因其本机自带有两个高速计数口, 两个模拟量输入、两个模拟量输出口,不再需要配置其他的扩展模块。
PLC 控制的核仪表系统集密度计、核子秤、料位开关、车载密度计与一体, 通过探测器采集信号传入PLC进行处理、存储和显示。系统结构图如图1所示。
4PLC控制的核仪表系统的软件设计
设计主要是在西门子编程软件STEP - 7 - M icro /W IN中进行。其使用梯形图编程语言,通俗易懂。要配置TD400C, TD400C 是一种低成本的人机界面,使操作员或用户能与应用程序进行交互。配置需显示的内容及需要植入的计算参数。在配置完TD400C 之后, 就要进行编程。根据式(1)可以推导出所测密度:
根据式( 2)可以推导出皮带单位长度上的物料质量:
在编程过程中将式( 3)、( 4)写入程序。PLC 通过两个高速计数口, 将探测器采集到的脉冲信号送入CPU, CPU经过执行编写好的程序来进行运算处理,得到上述参数, 并把这些参数连续、在线的在TD400C 上显示。
模拟量输入的处理如压力、排量等模拟信号 ,PLC 提供的两个模拟量输入口, 一个可以输入0 ~10V中的任意电压信号,一个可以输入0~ 20mA 中的任意电流信号, 选择所需要输入信号的范围只需在程序中将其对应的数值改动即可。输出信号也提供了0~ 5V的标准输出信号, 可以直接接入现场的控制系统。在PLC中还加入了上下限报警设置,当所测量的参数超过或低于所设置的上下限参数时,PLC 停止工作,等待工作人员进行处理。如图2所示为几个TD400C 显示界面。
5PLC控制的核仪表系统的外部电路设计
PLC 的输入/输出接口和内部集成电路是光电隔离开的, 外部电压的变动不会影响内部电路。如图3所示为外部电路接线图。
6 总 结
该设计基本上解决了二次仪表出现问题的各种情况, 并且将核仪表的二次仪表部分统一起来,使用一个PLC代替全部的核仪表二次仪表部分。实现了对密度、压力、排量、重量等工艺参数的测量和调节,tigao了测量精度,降低了运行成本, 具有操作简单, 运行稳定等优点。设计的外部电路结构简单, 扩展性强, 能广泛运用于各种工矿现场。
关键词： 钉头管;自动焊接控制系统; 可编程控制器; 伺服
0 引言
钉头管是石化企业管式加热炉中的换热设备， 主要用于热能的交换。它比翅片管效率更高且易于外表面清洁，但生产却复杂得多。它由钢管与密布其表面的钉头组成， 一般在3~9 m 的钢管外表面要密集地焊3 000~10 000个钉头。目前国内钉头管的生产厂家很多， 采用的焊接方法和工艺也不同。主要有电弧螺柱焊、电容储能焊、电阻焊、埋弧焊等。
目前， 国内有些钉头管生产采用手工加工方式，存在着工艺落后、生产效率低、劳动强度大、能耗高、焊接质量不稳定等问题，已不能满足现代生产的需要。针对以上问题， 笔者研制了一套全自动钉头管焊接设备。
本文重点讨论了设备的控制系统， 设计出了以“PLC CPU+交流伺服系统” 为核心的PLC 控制系统。由于PLC系统具有运算速度快、指令丰富、功能强大、可靠性高、抗干扰光电隔离输入/输出接口电路等特点，其取代了工业上传统硬件连接的继电器逻辑控制系统， 使设计更加简洁， 操作更加方便、可靠。本系统另一大特点就是采用PLC高速脉冲输出Y0， Y1进行两路独立的脉冲输出，经过全数字交流伺服驱动器中电子齿轮放大后对交流伺服电机进行速度控制及位置控制。
1钉头管的工艺过程及系统的控制要求
1.1 钉头管的工艺过程
如图1 所示， 将此设备工艺过程概括为以下几点：
(1) 按动开启按钮， 各个部件复位;
(2) 1# 气缸(水平) 动作， 使送钉杆对准焊枪;
(3) 2# 气缸动作， 完成上钉动作;
(4) 1# 气缸复位;
(5) 5# 气缸动作， 将焊枪接近工件， 送药电机转动给药， 停止;
(6) 3# 气缸向上提起5 mm， 实现引弧;
(7) 5# 气缸复位;
(8) 焊管转动一步;
(9) 完成1 个圆周焊接后， 机头向前移动一步，进行第2 个圆周的焊接。
1.2 对系统控制的要求
设计PLC 应用程序时， 为了保证设计系统的可靠运行， 需要遵循一定的步骤， 具体步骤有： 确定系统的控制要求， 设计PLC应用系统之前， 必须了解该PLC 控制系统需要完成什么样的任务， 如果系统的控制要求有偏差， 那么就有可能设计出错误的系统，甚至整个系统无法使用。本文对钉头管的工作原理及工艺过程进行了剖析。对系统的控制要求进行如下设计：
(1) 控制系统分为“自动/手动” 2 种状态。
(2) 当采用自动方式时只要按下“Start” 开始按钮，系统将按照预先设定的程序自动实现钉头送进， 自动送焊剂，自动加压、焊接、转动以及焊接机头自动前进，钉头管焊接完毕后， 焊接机头自动返回工作台原点位置。
(3) 当焊接机头在工作台原点时， 按下启动按钮， 采用5# 气缸带动3# 气缸双联动完成焊接过程。
(4) 当按下“Manual” 手动按钮时， 可以手动控制1#~5#气缸、手动控制送钉电机和送药电机以及对机头轴向手动伺服控制和对钉头管径向转动的手动伺服控制， 方便设备的调试和维修。
(5) 系统的报警设计， 当系统检测到无焊剂、无钉头、钉头粘连、气压不足、电机过载、焊机无电流等情况时，停止焊接并发出声光报警。
2钉头管自动焊接控制系统的硬件设计
2.1 控制系统硬件组成与结构原理
控制系统构成如图2 所示。
笔者所设计的钉头管自动焊控制系统由可编程控制器(PLC)、按钮、2 个限位开关、3 个气缸磁感应行程开关、接触器、继电器、2台交流伺服电机以及与之相匹配的伺服驱动器、1 台三相异步电动机、2台单相电容运转异步电动机等构成。
PLC 主机选用艾默生EC10-3624BTA 型号， 此PLC 具有两路高速脉冲输出即Y0， Y1， 高脉冲频率可达500kHz， 具有位置控制和速度控制， 是系统的核心。EC10-3624BTA 主机有36 个输入点和24 个输出点，此系统不含有特殊扩展模块， 只提供开关量的逻辑控制。伺服电机及其驱动器分别选用永磁交流伺服电机90GAS075HE2及全数字交流伺服驱动器SHAS042D1GP。90GAS075HE2 额定功率是750 W，额定转速3 000 r/min。2台伺服电机分别拖动机头的轴向进给和钉头管的径向转动。PLC 主机由Y0， Y1发出两路脉冲信号， 以PULSE+SIGN形式向伺服驱动器发出控制信号。即一路为伺服脉冲信号， 它的频率决定交流伺服电机的转速， 脉冲的个数决定了伺服电机旋转的角度;另一路为方向电平信号SIGN。当SIGN 为高电平时， 电机顺时针旋转; 电机逆时针旋转。伺服电机上的编码器进行脉冲跟踪反馈给驱动器形成半闭环控制， tigao了系统的精度，控制精度为±0.2 mm， 响应时间为0.4s。
2.2 PLC I/O 分配表及外围接线图
当确定系统的控制要求后， 对系统的输入、输出信号进行分配(I/O 分配)，也就是对系统的所有输入信号、输出信号的形式、逻辑关系有清楚地了解，这些输入信号必须输入PLC， 再由PLC输出执行结果来驱动外部负载， 给所有的外部输入信号、系统的输出信号分配合适的PLC 端口是十分必要的。
表1 中， 1#， 4#， 5# 气缸分别设置了行程感应开关， 即6 个行程开关SQ1~SQ6， 1#~5#气缸分别都有电磁阀(YV1~YV5)。10 个继电器控制5 个气缸、4 个电机、1 个焊接电源、还有应急按钮、停止、自动启动等，总计输入23 个点， 输出12 个点， 可编程控制器选用的艾默生公司60 个I/O 点(36 点输入，24 点输出)，晶体管形式输出的整体式小型PLC， 具体I/O 点分配见表1。
对PLC 进行了I/O 分配后， 需要设计PLC 的外部接线图，外部接线设计的基本原则是所有的输入信号、输出信号必须能够分别构成电流回路，并且要注意所有的输入信号、输出信号的电压、电流、频率范围。如图3 所示， PLC 的工作电源由拖动系统主电路电源提供， PLC的输入信号电源由PLC 内置用户开关状态检测电源(DC 24 V) 提供。由于选用的传感器为NPN 型， 即设置为漏型输入方式，将PLC端子排上的S/S 端子与+24 V 端子相连。而PLC 的输出驱动电源由外加的开关电源提供DC +24 V。
在对5个气缸的电磁阀控制时， 外加了继电器KA1~KA5， 这是由于电磁阀的工作电流大于PLC 的负载电流(一般为2 A)， 先驱动继电器，再用KA 的触点控制电磁阀。
2.3 控制电路图的设计
图4 所示为电控系统的控制电路图。图4 中SB1为手动/ 自动转换开关。当SB1在位置1 时为手动控制状态; 在位置2时为自动控制状态。手动运行时，可用SB2~SB6分别控制1#~5# 气缸的动作。由于1#，4#， 5# 气缸有感应行程开关，还要考虑互锁。SB7， SB8分别控制送钉电机与送药电机。自动运行时， 系统在PLC 程序控制下运行。手动控制部分的24 V电是由图中的开关电源220 V 转换过来的。手动控制中对2 个单相异步电动机即送钉电机和送药电机， 要用弱信号的继电器控制220 V的电机。
3 软件设计
PLC 程序设计的主要任务就是根据控制系统的控制要求和I/O 分配确定的各种输入/输出信号， 依据各种变量的逻辑关系， 编制PLC控制程序。PLC 作为控制单元， 是整个控制系统的核心。PLC， CPU 工作采用循环扫描机制， CPU在每一个扫描周期内要完成自检， I/O 更新， 数据通信等操作。为保证系统对整机的实时监控， 需要合理设计软件结构，减少扫描周期。PLC 程序是在艾默生编程软件ControlStart的基础上编制的， 通过接收开关量输入，经处理后输出开关量脉冲去控制继电器和伺服电机的动作。
本系统程序由1 个主程序和3 个子程序组成， 3个子程序分别为机头进给子程序， 钉头管转动子程序以及焊接子程序， 并且这3个子程序可在主程序中调用。如图5， 6 所示， 当系统检测到无焊剂、无钉头、钉头粘连、气压不足、电机过载、焊机无电流等情况时，停止焊接并发出声光报警。
4 试验及结果分析
完成控制系统的设计后， 进行了对比试验， 即在现场采集的手工焊接的钉头管试样和自动焊接设备焊接的试样。钉头管焊接试样如图7， 8所示。
由于自动焊接控制系统定位精度准确， 施焊力度均匀， 焊剂配备合理， 消除了人工焊接所造成的气孔、夹渣和焊瘤，达到了厂家的要求。
5 结论
本文以“PLC， CPU+交流伺服系统” 为核心设计出1 套完整的钉头管自动焊接控制系统， 经过调试后，整个系统工作正常、运行稳定可靠、自动化程度高、操作简单， 充分证明了PLC 在机械加工顺序动作的逻辑控制的强大优势。交流伺服系统对于机头的轴向位移控制和对钉头管的径向角度控制都达到了设计要求， 使得系统控制精度更高，控制速度也更快。配有编码器的半闭环反馈，在真正意义上实现了系统的功能要求。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。