西门子6ES7232-0HD22-0XA0一级代理

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0 引言

    随着汽车产品更新换代的加快及个性化的需求，汽车生产设备要适应这种多品种、轮番生产的特点，对控制系统提出了程序可变的柔性控制要求，采用PLC的控制系统可以通过改编程序，在不改变硬件的条件下，便能改变生产工艺。特别是在汽车生产中起到决定汽车质量和生产效率的焊装生产线上，采用PLC控制系统，可以更好的满足柔性控制要求。汽车焊装生产线主要完成车身侧围、门盖、底板及车身总成的焊接等任务；从汽车的工业发展的历史来看，汽车焊装生产线经历了50～60年代手工焊装线-70年代的自动化刚性焊装线-80年代后期的机器人柔性焊装线等阶段。

    1 汽车焊装生产线的基本组成

    汽车焊装生产线由于自动化程度较高，往往完成其固定的焊接工作，这就要求焊装生产线具有安全、可靠、平稳及运行速度可调等功能，这样控制系统采用PLC作为控制核心设备是十分合适的。在汽车焊装生产线中，由于完成的主要工作是部件焊装，在车身焊装过程中有两个明显的特点：一是具有程序性，指车身制件焊装的先后顺序；二是在焊装过程中，需要使用专门的夹具来确定零件或合件的相对位置，并将其夹紧贴合进行焊接。因而汽车焊装生产线主要是由各工序上的焊装夹具、自动焊枪以及各工位间进行产品传输的传送装置组成。

    1.1 焊装夹具

    焊装夹具是焊装工装的重要组成部分，是焊装件的定位和夹紧工具。它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合产品图样技术要求，同时焊装夹具的自动化程度还是影响汽车生产批量的关键因素。在生产过程中，焊装夹具除了完成本工序的零件组焊、定位外，还承担检验和校正上道工序焊合件的焊接质量的任务，因此它的设计制造影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。焊装夹具一般由支架、夹紧元件（手动夹紧器或气缸）、压板及定位板组成，有的还带有定位销。

    在焊装夹具的自动控制过程中，只要气缸动作，夹具就完成夹紧或松开动作，这样，我们可以利用PLC的输出点发出信号，控制电磁阀，完成夹具的夹紧与松开。

    1.2 焊枪

    焊枪用来完成车身各组成部件的焊接工作。其安装方式有固定式、旋转式、移动式或移动+旋转式。因为车体为三维型体，焊枪一要避开与周围车体的干涉，二要与焊点型面垂直，因而焊枪还要做三维运动，所以柔性焊装线上的焊枪大多夹持在可作空间三维运动的机器人手爪上。

    采用电阻点焊方式的焊枪，焊接过程如下：① 预压，电极压紧工件并加预压力的过程；② 电极通电，在工件接触处产生局部电阻热，形成溶核的焊接过程；③切断电源，维持电极压力，直到溶核凝固，形成焊点的压力维持过程；④松开电极，移至新的焊点位置，开始新的焊接循环。这几个过程相互配合，合理分配时问，确保每个过程顺利完成，才能保证车体的焊接质量。

    焊接控制器是焊枪焊接时必备的设备，它用来控制焊接过程中的焊接电流及每次焊接循环中各阶段的时间分配等。一般焊接控制器包含多套焊接规范，用于不同材料的焊接。

    在焊枪自动控制过程中，PLC输出信号控制焊枪的加压，并输出信号启动焊接控制器，由焊接控制器和焊接变压器按焊接规范控制焊枪的焊接电流和时间分配。当焊接过程完成后，焊接控制器输出完成信号，此信号输入到PLC，由PLC控制焊枪的卸压及焊枪移至新的焊点位置，进行新的焊接循环过程。

    1.3 输送装置

    输送装置主要由托板、托板的输送装置、抓取板件的机械手等机构组成，完成工位间部件的输送任务。

    2 汽车焊装生产线PLC控制系统设计

    2.1 PLC控制系统设计步骤

    要想完成汽车焊装生产线PLC控制系统设计，必须了解设计的步骤。一般来说主要包括如下几个方面：

    （1）首先要了解汽车焊装生产线的生产工艺以及控制要求，有时要画出控制系统的工作循环图、流程图、功能图或时序图。只有完全掌握了生产线的功能要求，才能有的放矢，完成PLC控制系统的设计。

    （2）根据生产线对控制的要求，对输入信号及输出信号在PLC上分配一个确定的地址编号，一般要列出现场信号与PLC输入输出信号地址对照表。

    （3）根据现场信号与PLC输入输出信号地址对照表完成PLC控制系统硬件设计。硬件设计主要包括电气原理图、电器元件位置图与电气安装接线图等。有时还要完成控制面板的设计、电气控制柜的设计、标准件和外购件清单列写等。

    （4）根据控制要求设计梯形网。梯形图设计时，一般要加一些标注，目的是为了阅读及调试时容易理解。这些标注要与现场信号与PLC输入输出信号地址对照表的元件注释一致。

    （5）如果用手持编程器进行程序输入，要将梯形图转换成指令语句表。如果用便携式图形编程器或计算机进行编程及程序输入，PLC编程软件可以自动进行程序的各种形式转换，不需人为进行梯形图到指令语句表的转换。

    2.2 系统设计

    现在以某焊接生产线上的一把自动焊枪为例，介绍PLC控制系统设计方法。

    控制要求：此自动焊枪可以进行手动和自动控制。能够完成2个焊点的焊接任务，焊枪在原点上升即可到达焊点l位置，要想到达焊点2位置，为了避免与车体部件干涉，需要在原点前进后再上升才能到达。焊枪要完成2个焊点的自动焊接任务动作程序为：原点自动启动一上升一加压一焊接l一卸压一下降一前进一上升一加压一焊接2一卸压一下降一后退一原点结束。焊枪动作由气缸驱动，前进/后退、上升/下降气缸分别由双线圈两位电磁阀控制，加压气缸由单线圈电磁阀控制。焊枪焊接由焊接控制器控制。控制系统应有相应的指示与保护功能。采用松下FP1系列PLC进行控制。

    （1）控制系统分析

    现以焊枪自动控制为例来进行分析。

    ①输入信号：焊枪应能手动和自动控制，用SA1选择开关来进行转换，1为自动，0为手动；SB1为焊枪自动启动按钮；SB2为急停按钮；焊接控制器故障报警信号TC25、焊接结束信号TC23需输入到PLC；焊枪后位行程开关SQZ、前位行程开关SQ2、下位行程开关SQ3、上位行程开关SQ4信号需输入到PLC；气动系统压力开关SP信号需输入到PLC。这样共需输入点1O个。

    ② 输出信号：焊枪需要前进/后退、上升/下降及加压，则需要3只气缸进行驱动，共5个电磁阀，设前进/后退电磁阀为YV1A、YV1B，上升/下降电磁阀为YV2A、YV2B，加压电磁阀为YV3；启动焊接控制器需中间继电器KA1；气源故障指示灯为HL1、焊接故障报警指示灯为HL2。这样共需输出点8个。

    （2）PLC输入输出对照表

    为每个输入与输出信号安排一个地址，如表1所示。

    （3）PLC控制系统硬件设计

    根据控制系统的要求和对照表输入输出点的安排，画出PLC输入/输出接线图如图1所示。

    （4）设计梯形图

    按照自动工作状态进行程序设计。为了避免双线圈输出，在编程时利用辅助继电器作为中间输出，然后将同一动作功能的辅助继电器触点并联来驱动输出继电器。由于焊枪在启动自动焊接时，夹具必须全部夹紧，假设辅助继电器R15为夹具全部夹紧信号。梯形图如图2所示。

    3 结束语

    随着汽车工业的迅猛发展，汽车生产厂家越来越多地采用自动化生产线投入汽车的生产之中。在汽车焊装生产线的自动控制过程中，PLC作为控制核心设备已成为人们的。将PLC应用于汽车生产线的控制系统中，使得生产线在需要改变生产工艺的情况下，只要改变PLC的控制程序即可达到控制要求，不需对硬件接线做较大的调整，减少了大量维修工作，使得设备运行更加安全可靠。

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1、引言

　　　水源热泵空调系统是一种利用自然水源作为冷热源空调系统，其核心技术是水源热泵技术。所谓水源热泵技术，是利用球表面浅层水源所吸收太阳能和热能而形成低温低位热能资源，并采用热泵原理，少量高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移一种技术。河水、湖水、下水等球表面浅层水源吸收了太阳辐射能量，水源温度十分稳定。夏季，水源热泵空调系统将建筑物中热量转移到水源中，水源温度低，可以高效带走热量。冬季，水源热泵空调系统从水源中提取能量，热泵原理，空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中。通常，水源热泵消耗1kW能量，用户可以到4kW以上热量或冷量。水源热泵空调系统具有高效、节能和环保等优点，近年来到了越来越多应用。

　　　空调系统控制主要分为继电器控制系统、直接数字式控制器（DDC）系统和可编程序控制器（PLC）系统等级几种。故障率高、系统复杂、功耗高等明显缺点，继电器控制系统已逐渐被淘汰。DDC控制系统智能化方面有了很大发展，但其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构局限性，限制了其应用。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用维护方便、抗干扰能力强、适合新型高速网络结构等显著优点，智能建筑中到了广泛应用。提高空调系统经济性、可靠性和可维护性，目前空调系统都倾向于采用先进、实用、可靠PLC来进行控制。

　　　本文介绍和利时公司HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC水源热泵空调控制系统中成功应用，说明了HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC可以很好实现中央空调智能化控制，达到减少无效能耗、提高能源利用效率和保护空调设备目。

2、空调系统介绍

　　　北京市某单位办公楼采用水源热泵中央空调系统，总建筑面积8550m2，建筑高度20.5m，其中空调面积约6840m2。下1层为各种设备房和操作间，上1层为职工食堂、大厅和会议室，上2～6层为商业办公用房。

　　　室内温度和相对湿度等技术参数设计要求如表1所示。水源热泵中央空调系统设计制冷量为860kW，制热量为950kW。空调主机系统由四台压缩机组成，水源水系统由取水井、渗水井和水处理设备组成。

表1 室内技术参数设计要求

3、控制系统硬件设计

　　　该水源热泵中央空调系统主蒸发器和冷凝器进出水温度变化来控制4台压缩机启停，使水温稳定设定范围内。4台压缩机分成A和B两组，每组各有2台压缩机。系统I/O点分配如表2所示，其中开关量输入点6个，模拟量输入点4个，开关量输出点5个，模拟量输出点1个。

表2 系统I/O点分配表

　　　输入和输出要求，该水源热泵中央空调系统控制器选用和利时公司具有自主知识产权HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC。考虑到此系统需要一定备用I/O点，CPU模块选择带有24点开关量LM3107，其中开关量输入14点，开关量输出10点。模拟量输入模块选用四通道热电阻输入模块LM3312，模拟量输出模块选用两通道模拟量输出模块LM3320。PLC人机界面选用EView触摸屏。PLC控制系统及相关设备组成如图1所示，这些配置完全能够满足系统要求。

图1 PLC控制系统组成

4、控制系统软件设计

　　　控制系统主要功能是对热泵进行自动启停，显示温度、压力、流量等运行参数，显示压缩机工作状态，记录设备运行时间和故障原因，实现对水源热泵中央空调系统智能控制。从控制系统主要功能出发，增加程序可读性和减少程序代码，PLC程序采用了主程序调用功能块、功能块调用函数程序结构。PLC程序由1个主程序、11个功能块子程序和1个函数组成，其调用关系如图2所示。程序编译码占用空间为30K。

　　　程序设计思路是，当PLC上电后，一直进行温度、压力、流量等运行参数检测，这些检测主要检测程序、故障程序和A/B组故障停机程序中完成。相关参数均无异常，则开机功能块子程序运行，启动压缩机。开机过程中，同时进行温度判断。温度达到了设定值，则进入调节功能块子程序，停止开机功能块子程序，完成开机。温度变化，调节功能块子程序控制压缩机启停。变频器控制则是调用加载程序和降载程序来实现。

　　　这些程序中，满足压缩机使用要求，调节功能块子程序是繁琐，例如压缩机启动时间要小于30秒、压缩机每小时启动次数不要超过5次等。平衡压缩机运行时间，增加空调使用寿命，传统程序设计采用先启先停、先停先启、开机过程中启动次序轮换等控制方法，来协调压缩机运行时间。，本系统采用这种方法，则仍然存某一台压缩机运行时间过长问题。决定对传统方法进行改进，采用随机启停控制方法代替先启先停、先停先启控制方法，解决了压缩机运行时间不平衡问题。

图2 程序调用关系图

　　　人机界面选用EView触摸屏，首页如图3所示。输入密码后，点击功能菜单，弹出快捷窗口中，可以选择参数查询、运行时间、故障查询、运行状态、参数设定、调节显示、操作界面等子菜单，进行相关操作和显示。

图3 人机界面首页

5、结论

　　　采用传统继电器控制系统来实现热泵控制，机械接触点很多，接线复杂，参数调整不方便，机械接触点工作频率低，容易损坏，可靠性差。采用直接数字式控制器（DDC）可以减少接线，可靠性有所提高，但DDC其本身抗干扰能力差、不易联网、信息集成度不高和分级分步式结构局限性，，越来越不能满足复杂多变智能控制要求。

　　　采用PLC来控制热泵系统，可以编程实现复杂逻辑控制，可以很大程度上简化硬件接线，提高控制系统可靠性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。，热泵空调领域，PLC控制系统取代DDC控制系统是必然趋势。