西门子6ES7232-0HD22-0XA0代理订购

1 引言
可编程控制器(PLC),是集自动控制技术、计算机技术、和通讯
技术为一体的高科技产品。具有要可靠性高，功能齐全，使用灵活方便等优点。
本文介绍的是应用可编程控制器（西门子S7-200系列PLC）、
人机界面（西门子TP270触摸屏）来实现水下切粒设备的控制及操作。

2 工作流程
水下切粒设备由铸带头、切粒机、干燥机、振动筛组成。高
温熔体由铸带头挤出成丝股后，经过导向槽冷却，由前、后引料辊引入切割室，由滚切刀切成一定规格的切片，经输送管进入干燥机进行干燥后进入振动筛进行筛选，合格料进入料仓。如图1所示。

图1 水下切粒设备的工作流程

3 控制系统简介
作为水下切粒设备的控制中枢，水下切粒机电控系统负责整套水下切粒设备的正常运行，要能满足切粒规格及切粒产量变化的生产要求，另外还要具有多种联锁联控、故障自诊断、报警及与控制中心室进行通讯等功能。
系统的结构框图如图2所示，整个系统由三部分组成： （1）操作部分（触摸屏）：用于操作、设置更改工艺参数、显示设备运行状况、故障报警及自我诊断；（2）控制部分（PLC）：控制电机的运行、现场信号的采集分析及处理、与中央控制室的通讯；（3）执行部分（电机、变频器及电磁阀）和检测部分（各种传感器）。

图2 控制系统的结构框图

整个电控系统的逻辑控制过程，是以可编程控制器作为控制中枢，将各种监控元件的信号作为可编程控制器的输入信号，经过可编程控制器内部控制程序的运行，发出输出信号指令，送至各执行元件实现控制指令的完成。在本控制系统中，可编程控制器配有一个模拟量输入/输出模块和一个数字量扩展模块。因此可编程控制器共有32个开关量输入，16个开关量输出，4个模拟量输入和3个模拟量输出。在可编程控制器控制器与触摸屏之间采用PROFIBUS-DP通讯；可编程控制器控制器与变频器之间，通讯方式采用串行通讯，通讯中的数据传送结构为半双工，通过RS－485通讯电缆进行通讯。
人机界面为西门子公司的TP270触摸屏一台，该产品防护等级很高（前侧65）、能在危险产所使用（通过FM认证）等特点，很适合化纤行业恶劣的生产环境。该触摸屏配有专用的组态软件，可高效率地进行软件开发。

4 软件开发
4、1 软件编程的原则
（1） 按照标准化的原则对所有I/O信号及程序中使用的变量进行统一的编码。
（2） 按照结构化原则根据程序功能对程序进行分段。
（3） 按照模块化原则建立各种设备的控制程序。
4、2控制程序的编制
本系统的控制程序完全按照软件工程中“结构化、标准化、模块化”的原则进行编制。首先把PLC中所有的I/O信号及程序中要用的变量进行编码。为了tigao程序的可读性和便于调试，所有的信号及变量按功能进行编码，例如，“切割室锁紧检测”表示切割室锁紧检测的接近开关的信号，对应PLC上的地址为数字量输入“I0.1”；“引料速度信号输出”表示切粒机的引料速度输出给中控室，对应PLC上的地址为模拟量输出“AQW2”；等等。
其次编程时要将PLC所要实现的功能逐一列出，如下：
要具有对水下切粒设备各部分的启动运行及停机的控制功能，要能具备单控及联锁控制两种控制方式。
在速度的调节控制中，要具有手动和自动两种调速方式，切片长度可调，并要能生产出合格尺寸的切片。
切粒机电控系统的控制程序，要能对冷却水liuliang、引料速度、切粒机主电机电流等各种参数进行检测。
要具有人机通讯处理的功能，在可编程控制器及触摸屏之间进行通讯，完成对设备的控制，包括设备的启动、运行和停机，单控与联锁控制的选择等。同时，还要对设备的运行状态以及故障信息进行显示。
要能和化纤生产线总控制室的DCS进行通讯，及时地将切粒设备的运行状态及一些重要参数送至DCS。
根据切粒机电控系统所需具备的这些主要功能，对于系统控制程序的设计，从结构组成上分析，基本控制功能模块组成如图3所示，大致可分为以下几个部分：
主程序:调用各子程序及通讯数据的传递。
子程序：共有12段子程序，包括两段初始化子程序（用于初始化可编程控制器内的变量存储器（V）、内部位存储器（M）、用于计算对应切粒长度变化后的大引料速度、初始化三个用于检测前、后引料辊及滚切刀速度的高速计数器）；各设备的开停控制；切粒机速度控制；故障报警等。
中断程序：中断程序INT0用于前、后引料辊及滚切刀的速度计算（将定时计的脉冲数转换为模拟量信号及线速度），其余三个中断程序分别用于三个高速计数器在当前值等于预置值时的中断。

图3 PLC控制程序的模块组成

4、3 触摸屏人机界面的组态
在计算机上进行编程，组态触摸屏的画面，首先定义变量表及区域指针，所使用的变量的地址必需和PLC程序中一致。然后定义报警消息及帮助。做完这些后可以开始组态画面，例如选择屏幕显示的按钮、指示灯和参数显示及设置。当程序组态和编写完成后，对程序的语法、地址范围等进行编译，并在计算机中进行模拟调试，然后下载至触摸屏中，通过PROFIBUS-DP总线插头与PLC通讯即可进行操作使用。
在本控制系统中，组态的触摸屏人机界面画面有5幅，包括单控操作界面、联锁操作界面、参数设置界面、屏蔽设置界面、警报显示界面。图4为单控操作界面。

图4 单控操作界面

在触摸屏组态程序设计时，必须对操作的安全可靠性加以考虑。在触摸屏的人机对话界面操作中，各控制按钮就显示在显示屏上，对设备的操作非常简便，相邻的操作按钮之间有一定的距离，防止误操作。

5　技术特色
本系统控制功能完善，具有单控、联控、联锁保护、通讯等功能，并具有切粒速度手动和自动调速功能，尤其是对于切粒尺寸的调节非常方便，能适应柔性的聚酯生产，适应性很大，具有故障自诊断功能，并采用触摸屏的人机操作界面操作和显示，操作简单方便，维修排故直观快捷，可操作性良好，性能上较为先进。

0引言
铜铝管对焊机是用于铜铝管对焊的专用设备。由于采用可编程控制器PLC作为控制系统，其时间控制精度高，可达s，为实现铜铝管的优质焊接，并与PLC高控制精度相匹配，必须设计制造出高精度的执行机构。
本文分析了铜铝管焊接工艺过程及其特点，将焊接工艺过程分解为6个动作，其中包含的运动均为直线运动，从而考虑采用液压缸或气缸作为执行机构的主要部件。经比较，决定采用气动系统设计铜铝管对焊机的执行机构。夹具也是执行机构中关键部件之一，故本文也较详细分析设计了铜铝管对焊机的配套夹具。
1铜铝管焊接工艺过程分析
由于铜铝管材整体形状不限，故只考虑管端部附近形状。待焊接的铜管端部为锥形，铝管始终为圆柱形，如图1(a)、(b)所示。焊接中，铜管向铝管相对运动，当铜管插入铝管与其接触后，接通焊接回路，铜铝管间产生大电流，使两管发热，铝管温度接近熔点，铜铝开始结合，当铜管运动到位，切断焊接回路，待铜铝管结合牢固后，焊接过程结束。图1(c)给出了焊接后的铜铝管接头示意图。这种焊接方式具有许多优点，如结合面宽，焊接强度高；易于实现，生产成本低；不受管材整体形状限制；一次成形好，外形美观等。实践证明，这种接头方式特别适用于制冷行业。

2铜铝管焊接工艺过程动作分解
由前述，可将铜铝管焊接工艺过程分解为6个动作，如图2(a)~(f)所示。
(1)上料与定位：由于管材整体形状未定，假设已有上料机构或人工上料。上料后，铜管、铝管共要确定5个自由度，即除轴向转动外的5个自由度。实践证明，5个自由度中，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而径向、绕坐标轴转动的定位精度对焊接质量影响较大；
(2)夹紧：定位后必须夹紧，确保焊接过程中，铜管、铝管完全处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，及确保焊接质量，在铜铝管端面附近夹紧。
(3)推进；夹紧后，铜管、铝管轴向还存在一定距离，在焊接过程中需要相对位移。采用铜管向铝管插入的方式完成推进动作；
(4)焊接：在铜管与铝管接触后，接通焊接回路，在铜铝管间将产生大电流，使铜铝管发热温升，温度接近铝的熔点。直到铝管将铜管锥面全部包住，停止推进，切断焊接回路；
(5)松开：待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，松开夹具，下料；
(6)退回：下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。
铜铝管焊接工艺过程动作分解，为执行机构设计提供了可靠的依据。

3执行机构的原理设计
3.1执行机构整体结构设计
由前述可知，对焊机执行机构各动作都是直线运动。考虑到焊接过程中，夹紧力和推进力都不是很大，焊接φ8×1的铜铝管，夹紧力和推进力大约在 1000N，采用气动系统来实现铜铝管的夹紧和推进。气动系统的优点主要有：工作介质为空气，易于获取及排放，不污染环境，实现了绿色生产；比液压系统响应快，动作迅速；易于实现过载保护；气体管路为塑料管，裁剪、连接都很容易，且可承受一定变形。图3给出了铜铝管对焊机执行机构整体示意图。
3.2气动系统设计
铜铝管对焊机由PLC控制，实现各部分的协调动作，完成焊接过程。其中对气缸的控制必须通过电磁阀完成。这就必须设计相应的气动系统满足控制要求。图4给出了铜铝管对焊机气动系统示意图。PLC通过二个二位四通阀来控制四个气缸的动作。电磁阀PQ1控制夹紧气缸和定位气缸。电磁阀PQ2控制推进气缸，节流阀调整推进速度。在气动系统的气源处有溢流阀限制高气压，气压开关限制低气压，压力表显示当前气压值。气压开关可将气压过低信号反馈到PLC，表明此时夹紧力、推进力均不足，无法完成铜铝管焊接。

3.3夹具设计
铜铝管对焊机夹具包括定位、夹紧和夹具体三部分。因夹具体与工件直接接触，故夹具的精度直接影响焊接质量，必须认真谨慎对待。本文只考虑直线形管材，焊接过程中必须限制铜管、铝管5个自由度，如图5所示，除绕Y轴旋转自由度外的5个自由度。若考虑管材焊接后的整体形状，则要限制6个自由度，必须设计相应的专用夹具，实现完全定位。根据铜铝管的特点，及焊接需要，将夹具体设计为上下分模长孔形，如图5所示，这样可以限制4个自由度，即夹具体本身可实现4个自由度的定位。在铜铝管端面处设置一定位片，使铜铝管端面接触定位片，即可限制第5个自由度。实践证明，铜铝管轴向定位精度对焊接质量影响较小，相比之下其他4个定位精度对焊接质量影响较大。设计重点应放在上下分模夹具体上，其加工精度直接影响焊接质量。
尺寸及其公差方面，由于上下分模夹具体起夹紧作用，故其圆柱面内径尺寸应比铜铝管材外径尺寸略小，即公差上限不能超过管材外径尺寸公差下限；而夹具内径尺寸公差下限不应过小，否则会使外径较大的管材表面出现压痕。所以，上下分模夹具体圆柱面内径尺寸公差必须限制在较小的范围内，即公差带较窄，以实现即可压紧，又不产生压痕。

形位公差方面，首先就单根管材而言，上下分模夹具体夹紧后应与管材保持面接触，故要考虑夹紧后的圆柱度要求，由于上下分模夹具体夹紧后，会产生微小变形，故将其内圆柱面设计为略微程椭圆柱面，夹紧后恰为满足要求的圆柱面。其次就铜铝管的焊接而言，两管的径向定位误差对焊接质量影响很大，故装配时应考虑两夹具体夹紧后内圆柱面的直线度。
本文设计的夹具体，在线切割机床上通过编程进行加工，可实现上述要求。
4执行机构设计方案的实现
由前述，经高精度加工，终铜铝管对焊机在PLC的高精度控制下，实现了铜铝管的优质焊接。图6给出了铜铝管对焊机的正面照片。夹具体采用铜材料加工，用螺栓固定在夹具座上；夹具体座采用钢材料加工，用螺纹连接固定在夹紧气缸活塞杆头部。气缸座采用铜材料，圆柱导轨采用钢材料。固定气缸座与导轨为过盈配合，滑动气缸座与导轨为小间隙配合、油润滑，而且既要保证其运动自如，又要保证其运动精度。推进气缸采用加长杆，由两组双螺母确定其推进和退回的位置，可满足不同焊接要求。定位气缸行程较大，但几乎无载荷，只是使定位片上下运动，在上位时起定位作用，在下位时不阻碍滑动气缸座的推进。气动系统中的气路为塑料导气管，具有较大柔韧性，在运动时可承受较大变形，使整个执行机构设计更加简单。但实践证明，各气缸的气路长度对其动作有一定影响，在PLC编程时应特别注意，适当加入延时功能。

图6 铜铝管对焊机主机正面照片

5结论
(1)通过分析铜铝管焊接工艺过程，设计出可以达到铜铝管优质焊接的执行机构；
(2)在PLC的高精度控制下，执行机构可以准确完成铜铝管焊接工艺过程的各个动作；
(3) 可换夹具使铜铝管对焊机具有一定柔性，可以焊接φ6~12mm的铜铝管；
(4)执行机构的高精度与PL C控制系统的高精度相匹配，从而使铜铝管对焊机整体性能水平达到了国际先进水平