6ES7214-2AS23-0XB8产品规格
O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3~9m的钢管外表面要密集地焊3000～10000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“PLCCPU+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Yo，Y。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ECIO一3624BTA型号.此PLC具有两路高速脉冲输出即Yo，Y，，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。ECIO一3624BTA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750W,额定转速3 000r/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，Y，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，提高了系统的精度，控制精度为±0.2mm，响应时间为0.4 s。
2.2 PLC加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SQ。一SQ6，l屯5。气缸分别都有电磁阀(YVl一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l。
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(DC24 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SIS端子与+24V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KA1一KA5，这是由于电磁阀的工作电流大于PLC的负载电流(一般为2A)，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SB，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#，矿，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24V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220V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，加更新，数据通信等操作圈。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。
石英晶体谐振器是数字化设备中不可缺少的关键器件之一，其主要作用是产生基准时钟信号，协调整体电路的工作，广泛用于计算机、通信设备、智能化仪器仪表及家用电器等产品上。晶体真空退火炉是石英晶体元器件生产过程中的专用设备，用于石英晶体的退火处理，以消除晶体产品在加工过程中产生的应力及轻微表面缺陷。目前在国内石英晶体元件生产线上使用的真空退火炉绝大部分都从日本或韩国进口，价格昂贵，维护非常不便。2005年，笔者与其他单位合作研制成功了国产的石英晶体真空退火炉，各项性能指标达到或超过了国外同类产品。
可编程控制器(PLC)是一种结构简单、通用性好、功能较完备的新型控制元件，其主要优点是抗干扰能力强，可以提高系统的可靠性和稳定性，提高生产效率，特别适用于工业控制。在石英晶体真空退火炉研制过程中，设计了以PLC为核心的电气控制系统。
1真空退火炉的工艺过程
该退火炉主要由左右2个真空室、真空机组、冷却水系统、气路系统和电气控制系统等组成。2个真空室可分别独立工作。考虑到石英晶体元件体积较小，为充分利用真空室内工作空间，将每个真空室分割成4个工作区，如图l所示，每区装有热电偶和电阻加热管，可单独控制该区的温度。这样，每个真空室的真空度一致，但各工作区的温度可以是不同的，使用起来更加方便。
设备的工艺过程主要分为3步。
第l步，抽真空。真空机组将真空室由大气压抽到低真空(10 Pa左右)，再抽到高真空(5×10_3Pa左右)。
第2步，温度控制。由加热管对工作区加热，使工作区的温度跟随设定曲线变化，对晶体元件进行退火处理。
第3步，真空释放。退火时间到后，依次打开放气阀和排气阀将真空释放，恢复到大气压力后可打开炉门取出晶体元件，完成真空退火处理。
2控制系统硬件设计
西门子PLC具有丰富的指令和多种功能的控制模块，能满足各种不同场合的控制需求，在中国工控市场具有较高的占有率。根据设备工艺过程及控制要求，考虑系统可靠性和性价比等因素，决定采用以西门子87-300PLC为控制核心，以工业触摸屏为人机界面的控制方案。
根据外围元件需要的控制点的种类和数量来选取PLC各扩展模块。选择1个数字量输入模块SM321(DC 24V，32入)用于接收各主令电器、阀门位置检测开关、真空测试仪等元器件的输入信号;选择1个数字量输出模块SM322(DC 24V，32出)用于控制真空泵和阀门等执行元件。
左右真空室各有4个工作区，每区都独立控温，每区构成1个闭环控制回路，总共需要8个温度闭环控制回路。选择1个模拟量输入模块SM331(热电偶型，8人)接收各工作区热电偶的测量信号;选择1个模拟量输出模块SM332(12位，8出)用于控制调压器的输出电压，从而调节加热管的加热功率。
根据扩展模块的数量和程序的复杂程度选择CPU314作为中央处理单元;直流电源选用PS307(DC 24 V，5A)。考虑与PLC的兼容性，选择西门子TPl70B彩色触摸屏作为人机界面。控制系统硬件结构如图2所示。
3控制系统软件设计
3.1真空系统控制
真空系统负责对机械泵、分子泵和各阀门进行顺序控制，以保证真空室内的真空度。根据工艺要求和各阀门之间的连锁关系，确定程序流程见图3。
3.2温度控制
3.2.1算法选择
退火炉采用电阻加热管加热，其温度控制过程具有热惯性大、滞后大、参数时变和非线性的特点。常规的PID控制稳态精度较高，但对于炉温这种非线性被控对象，其参数调整非常困难，控制效果往往并不理想。
模糊控制是智能控制的一种，对于非线性、时变性和大滞后对象具有较好的控制作用。但常规模糊控制器的主要缺点是存在稳态误差，通过调整量化因子或比例因子只能减小误差，并不能彻底消除，并且过大的量化因子或比例因子还会引起系统在目标值附近振荡。综合考虑模糊控制和PID控制的特点，各取所长，设计了一种具有智能积分环节的模糊控制器，如图4所示。
3.2.2积分环节引入时机的推导
PID控制中的积分环节能够消除稳态误差，在常规模糊控制器引入积分环节能直接提高稳态精度。但由于积分控制对系统的动态品质不利，容易产生超调甚至使系统振荡，如何充分发挥积分环节的优点，抑制其缺点，是控制性能优劣的关键。
1)从避免超调的角度考虑
积分环节的本质是对过去一个时间段内的偏差e的积累，具有落后性。在何时引入积分环节需要对被控变量的响应过程进行分析。图5所示的响应曲线中，在oA段和BC段，尤其是靠近A和C时不能引入积分环节，否则会引起过大的超调;在AB段和CD段需要引入积分环节以使被控变量尽快返回到目标值。结合各段偏差P和偏差变化率ec的正负号可知：e·ec>O时可引入积分环节，e·ec<O去掉积分环节。
2)从消除稳态误差的角度考虑
常规模糊控制器以离散论域为基础，在数据离散化过程中必然存在误差，例如0~0.49均被四舍五人作为0，此时控制器“错误”地认为现在偏差和偏差变化率已经是零，无需调节了。但实际上此时偏差并不为零。偏差量化公式为
式中E为偏差的离散论域，round为取整到近的整数。
令E=0可得
整理得到
同样对于偏差变化率也有
满足式(3)和式(4)时模糊控制器停止调节，此时需要引入积分环节来消除这一偏差。通过以上分析，可以把引进积分的条件综合如下：
式中and表示逻辑“与”，or表示逻辑“或”。
3.2.3温度控制算法的程序实现
在本系统中，偏差E和偏差变化率EC的隶属函数曲线均为三角形，离散论域均取[一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6]，根据模糊规则。经离线推理得到13行13列的查询表。在PLC中实现查询表的方法如下：将控制量U1的数据存储在以VBl00为中心的169个变量存储区中，即VBl6一VBl84。查询时Ul的存储地址VBU’可根据式(6)计算得到。
在PLC中积分根据下面数字积分公式计算。
式中：MI。，MI。一。分别为第咒个和第竹一1个采样时刻的积分值;Ts为采样时间;Tl为积分时间;Kc为增益系数。
3.3触摸屏界面设计
采用西门子winCC flexible2005软件来组态TPl70B触摸屏界面，共开发了12幅画面。包括画面选择、工作主界面、温度设定、真空设定、报警信息和温度曲线等。图6为其工作主界面。
4应用效果
控制系统设计完成后，经几次实验调整确定了模糊查询表和积分时间，运行后系统性能参数如下。
1)加热温度：加热高温度为500℃，工作温度为150--300℃;
2)炉温均匀度：≤±5℃;
3)控温精度：士1℃;
4)温升超调量：≤10%;
5)调整时间：≤240 S。
数据表明采用具有智能积分环节的模糊控制算法可使真空退火炉具有较高的控温精度和较短的调整时间，超调量也不大，能够较好地满足真空退火工艺要求。设备在2年多的使用过程中，没有出现电气故障，操作安全方便，系统稳定可靠，各项性能指标均满足工艺要求。