PLC控制侧墙龙门式双头点焊机

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1　目的和任务

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　　侧墙龙门式双头自动点焊机是80年代初从东德引进，用于铁路车辆冷藏车侧墙板与侧墙立柱的全自动点焊。由于该设备运行的时间长，元器件损耗严重且缺少备件，故障率不断提高，直接影响正常的生产过程，因此决定在维修该设备机械系统的同时进行电器系统的重新设计，并采用先进的可编程控制器PLC控制整个系统的运行。
　　图1所示为侧墙板与侧墙立柱连接的焊点分布示意图，设备的主要功能就是实现全部焊点的连续自动化焊接过程。图中标出了全部焊点的连续自动化焊接的运行步进路线。
　　该设备的机械装置采用龙门架结构，整个龙门架可沿安装在车间地坪上专设的铁轨纵向运行，当龙门架按图1所示方向纵向步进运行时，可实现逐个侧墙立柱的顺次焊接。龙门架上安装有可横向运行的小车，小车上载有两台电阻焊变压器和焊接电极及其液压升降装置。两台阻焊变压器可实现一次分时焊接两个点，当小车按图1所示方向（即沿侧墙立柱方向）横向步进运行时，可实现每个侧墙立柱上所有焊点的顺次焊接。小车由一台1.5kW的减速制动电动机通过传动轴带动运行。

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图1　侧墙板与侧墙立柱连接的焊点分布
1—小车步进方向　2—全自动焊接步进路线
2—龙门架步进运行方向　4—侧墙立柱　5—侧墙板　6—焊点

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2　控制系统组成

2．1　焊接装置
　　焊接控制装置由焊接变压器、焊接电极、主电力回路和点焊控制器等组成。焊接变压器是原东德海林道夫提供的，型号为VPA2×160。采用单面点焊技术。每台变压器都安装有两个电极，一个焊接极，一个辅助电极（盲极），分别由液压装置驱动其升降。
　　一台变压器的焊接回路原理如图2所示，其中V1、V2为主电力开关。焊接循环和焊接规范的控制采用上海产的Medweld.200S电阻焊控制器，它是一种采用Z180微处理器控制的单相电阻焊控制器，它不仅控制性能优良，还提供有启动焊接（300—01、300—02）、焊接结束（902）、故障/报警（903）等信号，且易与PLC输入/输出接口。

图2　焊接回路原理图

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2．2　龙门架运行系统
　　原东德的龙门架运行系统采用直流电动机调速，电路复杂，改造后的龙门架运行系统采用富士G9系列变频器带动一个四极三相异步电动机，再通过减速器、伞齿轮到龙门架两侧的传动工作轴上，通过变频器的输出可进行无级调速。目前调定的速度有三种：即快速（50Hz）、慢速（30Hz）和减速（20Hz）。
　　图3为龙门架运行机构的电路原理图。图中FRENIC 5000G9S变频器提供了易与PLC输入输出端的接口信号，有正转（302）、反转（303）、速度选择1（304）、速度选择2（305）、变频器故障/报警和变频器运行（J5）等信号。
2．3　其它辅助装置
　　包括液压控制装置、冷却水、风机系统、故障检测和保护系统等。液压控制装置由一个三位四通电磁阀、双止回阀、压力继电器、减压阀、压力表组成，其任务是控制电极升降和调节电极压力。
　　冷却水、风机系统用来冷却焊接变压器和主电力器件V1、V2，并利用流量传感器检测水量信号，只有这些信号正常时才允许自动焊接。
　　故障检测信号包括变频器故障、PLC故障、焊接控制系统故障等，当其中任一故障出现时都将引起自动焊接程序的终止。

图3　龙门架运行原理图

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2．4　PLC控制系统
　　根据设备原有的功能和改造后新加入的功能，该控制系统共有70个输入点，42个输出点，所以选择日本OMRON（立石）公司的C200H模块式可编程控制器，并匹配输入、输出模块。一台 C200H的CPU模块可扩两台扩展装置，母板单元分十槽、八槽和五槽，系统最多可提供480个输入/输出点。C200H系统内部有九类继电器单元，内部辅助继电器单元3536个，定时/记数器512个，采用梯形图编程，指令系统丰富、编程方便，还具有数据处理和运算指令。
　　根据要求，该PLC系统由一个10槽母板、一个CPU模块、5个ID212输入模块（每块16点）、2块OC225继电器输出的输出模块（每块16点）、1块ID212晶体管OC门的输出模块（16点）和1块OC224独接点（不互相共地，共8点）的继电器输出的输出模块所组成，各模块在母板的分布如图4所示。各模块的地址与安装在母板插槽的位置有关，它们之间可以互换。各模块的类型、地址安排（通道号+通道内顺序号）、以及外接器件的类型和作用如表1和表2所示。
　　表1中所有输入模块的型号均为ID212，其中005通道中，龙门架轨迹选择开关根据侧墙立柱的距离的不同有两种选择，实质上是选择龙门架的其中一组步进距离的光电开关进行位置检测。小车轨迹选择和焊点数选择相配合，以选择每根侧墙立柱所需的焊点数。小车步进距离的检测是由两组接近开关组成的。当选择上轨迹时，实际是选择其中一组接近开关进行位置检测，此时可选焊点数为40和32；选择下轨迹时可选焊点数为44、36和28点。

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/ x. D* ^* z% B9 |+ w3 ?$ d; ?8 e 图4　C200H模块式PLC的I/O模块分布 表1　输入信号分配表

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通道号	输入信号类型	作　　用
005 （00～15）	选择开关	墙板选择、龙门架运行轨迹选择、焊点数选择、手动选择、小车轨迹选择等
006 （00～15）	按钮开关	手动龙门架快、慢、启停；手动油泵、水泵、风机启停；手动小车启停；自动启停等
007 （00～15）	行程开关、压力和 热继电器触点	龙门架前后极限位置、小车左右极限位置、温度、压力、流量等信号
008 （00～15）	光电开关 接近开关	龙门架步进距离、步进轨迹的光电开关小车步进距离、步进轨迹的接近开关
009 （00～06）	继电器接点	龙门架运行系统的变频器的输出及其运行状态、故障信号、两台MED点焊控制器输出的其运行状态、故障报警信号

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表2　输出信号分配表

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通道号	模块型号及 输出点类型	输出器件类型	作　　用
000 （00～15）	OC225 继电器接点	指示灯、 发光二极管	龙门架、小车、油泵、水泵、风机、水温、变频器、梅达控制器等系统运行状态指示
001 （00～15）	OC225 继电器接点	继电器线圈	小车左右行、风机、油泵、水泵、电极上下运行等中间继电器
002 （00～11）	OD212 晶体管OC门	数码管	每个工件的焊点数记数（共四位） 焊件数记数（共四位）<显示屏>
003 （00～06）	OD224 继电器独接点	继电器线圈	两台梅达控制器的焊接启动、变频器速度选择、正反转控制信号

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3　系统的控制软件设计 ( n T; N+ {1 F2 X- Q T4 ?$ n 　　根据该系统的要求，通过分析，可把侧墙龙门式双头自动点焊机的PLC控制系统的运行状态分为手动、自动和故障三种状态。由于系统中相互连锁关系较多，动作循环过程较复杂。通过对其原理、动作顺序进行深入剖析可将整个系统的PLC控制软件设计分为手动、自动、故障处理、显示驱动和综合输出驱动五大模块来解决。各模块间的关系如图5所示。

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图5　控制软件的组成

　　手动部分主要用于焊前调整，其主要功能包括小车左右行、龙门架前后慢行、龙门架前后快行、电极升降、水泵、风机运行等。
　　故障部分主要用于焊机某一部分出现故障时。首先锁定自动焊接程序，使焊接过程不可进行，同时允许某些手动功能的运行，以便进行相应的调试和维修，使故障的排除更加方便。
　　显示屏驱动模块是用户的指示界面，它主要的功能是用来显示每块墙板的焊点数计数和所焊工件数计数。
　　综合输出模块是手动功能和自动功能的最终驱动模块，手动功能和自动功能的程序模块中利用PLC的内部资源作为中间继电器，来记忆程序运行的各种中间状态。综合输出模块的输出是根据这些中间继电器的状态在每个扫描周期内进行刷新。
　　自动功能是整个控制软件中最为复杂的一部分，也是整个软件设计的重点，图6给出了自动功能简化的状态流程图。其主要动作顺序的特点是在龙门架步进运行循环中包含小车步进运行的循环而实现逐个侧墙立柱和逐个焊点的全自动焊接过程。全自动焊接的结束条件是龙门架前行到达前行的极限位置后，龙门架快回到原位停止。

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图6　全自动焊接功能状态流程图

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4　结束语

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　　用C200H可编程控制器对进口全自动侧墙双头龙门点焊机进行技术改造后，并经投入使用两年多的实践证明，工作可靠、性能优良。且改造后的元器件替代容易方便，用户反应良好。由此证明，用可靠性高、编程容易的PLC对一些早期进口的设备的电器控制系统进行改造是提高设备运行效率和利用率的一种行之有效的方法。

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