毕业设计（论文）-PLC双圆周自动焊接设备的电气系统设计.doc

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1、双圆周自动焊接设备的电气系统设计双圆周自动焊接设备的电气系统设计摘要：双圆周自动焊接设备主要用于不锈钢、碳钢等筒形工件，两条环缝同时对接的焊接。它采用气压传动与电动机传动相结合的方式对工件进行焊接。这种生产方式的速度比传统的手工焊接有了很大的技术该进，本文阐述了双圆周自动焊接设备的电气控制系统，这种生产方式不仅降低了劳动强度提高了产品的质量而且生产效率比原来的手工焊接提高了很多倍，也取得了一定的经济效益，同时也适合现有的一般企业现实的技术改造方案。关键词：焊接设备 触摸屏 目 录第章 系统简介 （3）1.1 系统结构介绍 （3）1.2 电气工作方式要求 （4）第章 电气系统硬件设计 （6）2.

2、1 气动回路的设计 （6）2.2 无级调速系统 （7）2.3 PLC型号的选择与介绍 （9）2.4 可视化方案的设计 （12） 2.5 触摸屏与PLC的通信 （14）2.6 系统电路图设计 （18） 第3章 电气系统软件的设计 （22）3.1 触摸屏程序 （22）3.2 PLC程序 （28）结束语 （36）答谢辞 （37）参考文献 （38）第一章 系统简介1.1系统结构介绍该焊机主要用于碳钢、不锈钢圆筒形工件，两条环缝同时对接焊接。 机械结构如图1.1-1所示。图1.1-1双圆周自动焊接机机械结构图该自动焊接设备主要由以下几个部分组成。（1）自动焊机：焊接设备的主要组成部分。 （2）气源装置：

3、为入枪气缸和压紧气缸提供气源。（3）焊枪伸出机构：带动焊枪对工件焊接。（4）工件旋转与压紧机构：夹紧工件时旋转工件，圆周焊接。（5）电气控制柜：对设备状态操作和监控。（6）门装置：焊接时防止吹风影响焊接效果。（7）设备支架：各种配件的载体。由于此焊接设备产品使用性较强，可靠性好，被广泛应用于压力容器，太阳能热水器、消防器材、储气罐等行业！1.2 电气工作方式要求根据客户所需，该焊接设备电气系统主要有以下6点要求：（1）气压传动方式：工件的夹紧和焊枪的进给都采用气压传动。（2）无级调速: 调节带动工件旋转的电动机速度，保证焊接工艺的要求。（3）有手动和自动两种工作方式：1）手动状态时对焊枪的进给

4、、工件的压紧、工件的正反向旋转、焊接能单独操作。2）当自动状态时，工作流程如下图1-1所示。(4）可视化操作：能方便的对焊接设备进行操作和监控。(5）密码保护功能：能通过监控设备对焊机做相应的密码保护。(6）运行稳定可靠：故障率低，维修方便。在以下章节中将对各种要求的解决方案和主要元件以及软件的设计做相应的介绍。 自动状态模式下 工件在自动状态下回原点 脚踏开关踩第一次压紧工件 压紧工件延时 脚踏开关踩第二次焊枪1，2 入枪 入枪延时时间到 按下启动按钮焊接开始 工件正转 工件转过一圈后回到原点收弧计时 收弧时间到停止焊接收枪，计时 等待时间到工件反转 回到原点松开工件 图1-1 自动状态下焊

5、机工作流程图第二章 电气系统硬件设计针对系统电气方面提出的各种要求，这里主要介绍对于系统要求解决的方案，和部分电路的设计。2.1 气动回路的设计工件在焊接时，需要采用夹紧装置夹紧才能焊接，同时入枪也需要上下伸缩。这里采用气动传动。气动传动是以空气为工作介质进行能量传递的一种形式。驱动工作的动力是由气源装置提供的，气源装置的主体式空气压缩机，由于空气压缩机产生的压缩空气所含的杂质比较多，因而不能直接提供给设备，因此一般气源装置还包括空气净化装置，同时设备使用时一般也使用空气净化装置进一步净化压缩空气。该焊机工作时需要有两个焊枪的分别进给，和工件的压紧，下图2-1所示的气动原理图就可以实现该功能。

6、图2-1 双圆周自动焊接机气动原理图系统中有主要用到的控制元件有：(1）单控两位五通电磁阀 （YC1,YC2,YC3）(2）双作用式普通气缸(3）气动三联件 实际操作中，首先调节调压阀到系统所需要的压力，初始化时电磁阀处于失电状态。焊机工作时，先放上工件，当YC1得电时压紧气缸压紧工件，YC2、YC3得电时入枪气缸带动焊枪移动至焊接处，开始焊接。焊接完毕后电磁阀失电，气缸回到原始状态，松开工件，焊接完毕。可执行下一次操作。2.2 无级调速系统工件焊接时，工件的旋转是靠电动机带动的，旋转时需要无级调速，实现无级调速的可选用变频器和直流调速两种方法。变频调速：采用交流电动机，通过变频器端子外接电压

7、或电流的变化而达到频率的改变，实现无级的要求。直流调速：采用直流电动机，改变电枢电压可调节电动机的旋转速度。由于直流电动机比交流电动机有较好的调速和启动性能，因此设备中采用直流调速的方法，选用直流电动机（博山微电机SK400A 220V 4A），直流调速电源(输入AC220V 输出DC0-220V 8A)。调速电源采用脉宽调制技术（PWM）,通过调节调速电阻的大小控制输出方波的占空比，使负载上的有效电流功率从0%-100%之间可调。从而调节电动机的转速。直流调速系统如图2-2所示。 图2-2 直流调速电源接线图用到的主要元件有：(1)电源指示灯（小圆形指示灯）、电压指（DELIXI 85L）(

8、2)PWM直流调速电源（输入AC220V 输出DC24V）(3)直流电动机（博山微电机SK400A 220V 4A）(4)接触器(CJX2-1201 220V 50HZ M5)。使用时，调节直流电源的调速电阻则可以改变电枢输出端（直流电动机的电枢电压输入端）的电压。控制KM1,和KM2的得电则可改变电动机电枢电压的方向，选择电动机的旋转方向。（KM1得电工件正转，KM2得电工件反转）2.3 PLC型号的选择与介绍在传统的焊接设备中都选用继电器电路，继电器控制电路初次投入成本低，但是工作不稳定，维修不方便，如果改变工作流程就得重新配线。为了克服这些缺点，现在一般都采用PLC控制系统。此设备选择P

9、LC控制电路，同时也可以很方便的能满足系系统工作稳定可靠的要求。PLC是一种专用的工业计算机，下面简单的介绍一下PLC的工作原理。（1） 整体结构和工作原理 PLC实质上就是一种工业专用的计算机。与普通计算机相比，PLC不仅有专用的借口，而且还有使用于工业控制的编程语言。其结构图如下图2.3-1所示。图2.3-1 PLC结构图(2)工作过程PLC控制系统和传统的继电器控制电路有相同之处，也是由输入，逻辑控制和输出三部分组成。PLC内部可以看成是由许多输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等组成。PLC循环扫面工作过程一般包括五个阶段：内部处理与自诊断、通信处理、输入采样、用户程序执

10、行、输出刷新。工作过程就是用户程序的执行过程，由于采取了循环扫面的工作方式，所以在无跳转的情况下都是从第一条指令开始顺序到最后一条指令，结束后在进行下一次扫描。每一次扫描所用的时间称为扫描周期。执行过程中主要由三个阶段：输入采样、程序执行、输出处理。1)采样阶段：按顺序读取全部输入点的状态并写入输入映像寄存器。2）程序执行：CPU根据用户程序，按照输入和输出的状态进行逻辑运算并将结果写入输出映像寄存器。3)输出处理：CPU执行完所有指令并把结果写入输出锁存器中，并将信息输出驱动外部负载。（3）PLC型号的选择在选择PLC型号时首先确定系统的输入/输出功能和点数，其汇总表如2.3-1所示。表2.

11、3-1 输入/输出汇总表输入输出代号作用代号作用SB1启动KM1正转SB2急停KM2反转SA1手动/自动KA1焊接1SQ1行程开关KA2焊接2SA2脚踏开关YC1入枪1YC2入枪2YC3压紧市面上PLC品牌种类很多，选择时考虑在充分满足系统要求的情况下同时也要考虑到成本。由于此设备的控制不复杂，这里选择LS MTSTER-K120S系列经济型30点的PLC，如图2.3-2所示。基本数据领域如下表2.3-2所示。图2.3-2 LS 30点的PLC表2.3-2 LS K120系列PLC基本数据领域表PLC型号K120系列备注数据领域 P P000-P63F输入输出继电器 M M000-M191F辅

12、助继电器 KK000-K31F保护继电器 LL000-L63F连接继电器 FF000-F63F特殊继电器T 100ms:t000-t19110ms:t192-t2501ms:t251-t255定时器改变参数可改变数据领域 CC000-C255计数器 SS00.00-S99.99步进 DD0-D4999数据寄存器2.4 可视化操作的方案设计在PLC控制的基础上可视化操作的有多种选择，如组态、文本显示器、触摸屏等。这里使用触摸屏，它比组态使用较方便，比文本显示器更加直观。下面对触摸屏做一些简单的介绍。(1) 特点：1）操作便捷，使用者只要按下屏幕上的文字或者图片按钮就可以实现对机器的控制。2）人机

13、交流方便，即使是不懂得设备具体工作流程的人只要看到屏幕上生动的图样和文字描述就能对机器操作。而且很容易监控机器的运行状态。3）响应速度快。直接和PLC通信，简化了接线。4）安全稳定，防尘防水汽，正常操作不会出现故障，对系统无任何影响，系统维修方便，而且便于对PLC内容的修改和管理操作。（2） 分类：1） 表面声波触摸屏 2） 电阻式触摸屏 3) 电容式触摸屏 4） 红外线式触摸屏（3）触摸屏的工作原理 这里以电阻式触摸屏为列，电阻式触摸屏屏幕部分是一块与显示器表面非常配合的符合薄膜，由一层玻璃作为基层，表面涂上一层透明的导电层，上面再盖上表面硬化，光滑的塑料层。它的内面也有一层透明导电层，在两

14、层之间由隔离点隔开结缘。结构图如图2.4-1所示。当手指或者笔触摸时，两层导体间就有了一个接触点，因为其中一面导体接通Y轴的5V均匀电场，当一接通时，测得电压和5V电压比较就可以得到这个坐标 同样X轴也一样，这就是电阻式触摸屏的工作原理。图2.4-1 电阻式触摸屏结构图（4）主要功能双圆周自动焊机选用维纶MT6056i触摸屏，该系列主要面向PLC。功能强大，使用方便，能过满足工作要求。一般触摸屏主要有以下七个功能，） 指示灯：显示位元件或者字元件状态。） 开关：位状态开关，功能键等。） 各种动态图表。） 数据显示：数字、文字。） 数据输入：数字文字。） 报警。） 静态显示。（5） 触摸屏的选择

15、在选择触摸屏时和PLC的选择时一样也考虑到价格，这里选用比较经济的维纶 MT6056i（320234）触摸屏。操作方便减少了大量导线和按钮。可对焊枪的入枪时间及压紧和收弧时间很方便的调节调节。维纶MT600系列触摸屏还有以下几个特有的功能：（）有和WINDOWS系列操作系统一样的快选窗口和任务栏，一般预设在第四个窗口。（）在弹出窗口中有窗口控制功能键，使窗口最大化或者最小化。（）可以在线或者离线模拟，节省程序调试时间。使用触摸屏时主要是利用开关元件、显示元件、数字元件输入和读写PLC内部软元件及寄存器（如LS-PLC内部的P、M、T、C、D），再配合各种显示元件如表棒，趋势图，等来显示PLC的

16、内部状态，再结合各种窗口切换功能键、HMI内部软元件等就可以做出相应程序。2.5 触摸屏与PLC的通信在操作过程中会涉及到触摸屏和PLC之间的信息交换，这种交换就是通信。PLC与计算机、PLC与外围设备、PLC与PLC之间的通信统称为PLC的通信。（1）数据传送方向1）单工通信 数据的传送始终是同一个方向，不能反向传送。如图2.5-1（A）所示。2）半双工通信 数据在不同时刻可以在两个方向上传送。如图2.5-1(B)所示3）全双工通信 数据可以在两个方向上同时传送。如图2.5-1(C)所示（A）(B) (C)图2.5-1 半工、半双工、全工通信示意图（2）PLC的通信接口PLC采用串行通信的方

17、式，常用接口有RS-232C、RS-422A、RS-485A。1）RS-232C串行通信接口RS-232接口采用的是标准的25针D型连接器。但在使用时一般用不到所有的25针，大部分使用时只用到其中的9个管脚，如图2.5-2所示，起管脚定义如下表2.5-1所示。一般PLC都采用这种通信方式。但是RS-232传输距离不大，传输速率较低，抗干扰能力较差。图2.5-2 9针串口管脚图表2.5-1 9针串口管脚功能表针号信号缩写信号名称1CD载波信号检测2RD(RXD)接收数据3SD(TXD)发送数据4DTR(ER)数据端准备5SG信号接地6DSR(DR)数据准备好7RS(RTS)请求发送8CS(CTS

18、)清除发送9RI(CI)调用指示2）RS-422A串行通信接口 为了克服RS-232C的缺点随后又推出了RS-422A的接口。采用平衡差分传输方式。全双工通信方式。具有足够好的抗干扰能力。3）RS-485A串行通信接口 在RS-422的输出端设置一个输出“使能端”，则形成RS-485接口。半双工通信方式。可连接多达128个收发器，实现真正的多点双向通讯。RS-485可以采用两线和四线方式。四线引脚管脚定义如下表2.5-2所示。表2.5-2 RS-485A四线脚号引脚号引脚名称说 明1RDA数据接收信号线A2RDB数据接收信号线B3SDA数据接收信号线A4SDB数据接收信号线B5GND接地信号线

19、(3) 维纶触摸屏与LS-PLC的通信维纶触摸屏的通信接口类型为RS-232,也可以选用RS-485。LS-PLC为RS-232C接口。1）通信电缆接线图触摸屏与PLC的接线是通过CPU单元的通信口和WeinView 人机接口连接。通信电缆接线图如图2.5-3所示。图2.5-3 通信电缆接线图硬件连接正确后在触摸屏编程时还需要用软件设置，菜单栏-编辑-系统参数设置，如图2.5-4所示。打开对话框，可以选择HMI的型号、连接PLC的类型、密码设置等。图2.5-4 系统参数设置图在站号设置HMI、PLC推荐设置为0，也可以修改为0-255。触摸屏对LS-PLC的可操作范围如下表所示2.5-3所示。

20、表2.5-3 PLC可操作范围表PLC 地址类型可操作范围说明P0-255F输入输出点K0-255F保持点M0-255F辅助点L0-255F连接继电器点F0-255F特殊继电器点T/C0-255定时计数器TV0-255定时当前值CV0-255计数当前值D0-9999数据寄存器说明：因为型号不同，可能实际操作时的范围不同。2.6 系统电路图设计在确定了该系统硬件后，根据PLC型号和对PLC输入 /输出端口做以下设置，以便编程时方便使用，如下表2.6-1所示。表2.6-1 PLC I/O地址分配表输入输出代号输入地址作用代号输出地址作用SB1P0启动KM1P40正转SB2P1急停KM2P41反转S

21、A1P2手动/自动KA1P42焊接1SQ1P3行程开关KA2P43焊接2SA2P4脚踏开关Y1P44入枪1Y2P45入枪2Y3P46压紧根据系统的工作方式，和焊机运行要求设计出自动焊接设备的电气原理图如下2.6-1 和2.6-2所示，元件清单如表2.6-2。图2.6-1 双圆周自动焊机主电路图图中开关电源主要为触摸屏提供电源。KA1，KA2为外围电路，控制自动焊接机的工作状态。图2.6-2 双圆周自动焊机PLC接线电路图。表2.6-2 原件清单表名称型号数量触摸屏维纶 MT6056i（320234）1可编程控制器MTSTER-K120S1接触器CJX2-1201 220V 50HZ M52熔断

22、器DELIXI D247-632空气开关DELIXI R18-32-380V-32L1中间继电器DELIXI HH52P-AC240V-5A2PWM直流调速电源输入AC220V 输出DC0-220V 8A1电压表DELIXI 85L1直流电动机博山微电机220V 4.2A1急停按钮K30-81R011手自动转换开关选择开关1启动按钮按钮开关1二位五通电磁阀单电控 AC-220V DC-24V3开关电源输入AC220V 输出DC24V1电源指示灯小圆形指示灯1脚踏开关凯昆-单脚踏开关1行程开关思诺奇 AZ61121第三章 电气系统软件的设计3.1 触摸屏程序打开维纶EB8000软件，选择触摸屏类

23、型，和PLC类型。如图2.5-4所示。窗口一般从十号开始，新建窗口，编辑如下图3-2画面，插入文字元件，功能键切换基本窗口至窗口11.如图3-3所示。图3-2 窗口10图3-3 窗口11窗口11中插入功能键切换基本窗口。“手动操作”“自动操作”“参数设定”分别切换至窗口12，如图3-4所示、窗口13，如图3-5所示，窗口14，如图3-6所示。图3-4 手动操作窗口画面中各元件的属性如下表3-1所示表3-1 窗口12中各元件属性表画面元件名称元件属性功能备注手动操作状态文字元件提示操作画面状态压紧位状态切换开关读写PLC地址读写M0003入枪1位状态切换开关读写PLC地址读写M0004入枪2位状

24、态切换开关读写PLC地址读写M0005焊接1位状态切换开关读写PLC地址读写M0006焊接2位状态切换开关读写PLC地址读写M0000正转位状态切换开关读写PLC地址读写M0001反转位状态切换开关读写PLC地址读写M0002原位位状态显示元件读取PLC地址读P0003返回功能键切换窗口自动操作功能键切换窗口图3-5 自动操作画面画面中各元件的属性如下表3-2所示表3-2 窗口13中各元件属性表画面元件名称元件属性功能备注自动操作状态文字元件提示操作画面状态压紧位状态显示元件读写PLC地址读P0046入枪1位状态显示元件读写PLC地址读P0044入枪2位状态显示元件读写PLC地址读P0045焊

25、接1位状态显示元件读写PLC地址读P0042焊接2位状态显示元件读写PLC地址读P0043正转位状态显示元件读写PLC地址读P0040反转位状态显示元件读写PLC地址读P0041原位位状态显示元件读取PLC地址读P0003启动位状态设置开关写PLC地址读写M0008停止位状态设置开关写PLC地址读写M0009返回功能键切换窗口自动操作功能键切换窗口参数设置功能键切换窗口收弧时间显示元件字元件显示图3-6 窗口14画面画面中各元件的属性除返回元件为切换功能键外其它都为数字输入元件。收弧时间、压紧时间、入枪时间、等待时间，分别写入PLC元件 D3500、D3501、 D35022、 D3503 。

26、按下FK-1位置处显示如下画面3-6-1画面。图3-6-1密码设置单元 进入操作需要输入密码，正确后才能进入图3-7画面。图3-7 密码设定窗口写入D3600值，按下OFF确认密码输入切换M0800.开启计时程序。图3-8提示画面写入D3602，输入正确密码后焊机方可重新使用。3.2 PLC程序打开LS编程软件，快捷图标如。设置系统参数锁存区，M0800-M1000 、C100-C255、D3500-D4500。参数设置好后首先编辑时间保护程序如下图3.2-1所示。图3.2-1 保护程序的设置M0800得电后即使PLC断电也能保持当前状态，C103对小时的计数，通过触摸屏对D3600值的设定可

27、改变焊机的使用时间。通过触摸屏的试用期提示画面可以对D3602的值设置解开密码，焊机可继续使用。手动/自动运行模式的程序选择和使用到期的画面程序提示如下图3.3-2所示。图3.2-2 手动/自动程序的选择当试用时间到计数器C103常开闭合，M0400得电弹出试用期到的画面。急停按钮松开时P0001得电，拨动手动/自动转换开关，M0100得电焊接切换到自动运行状态，M0200得电焊接切换到手动运行状态。图3.2-3 自动回原点程序系统要求自动方式下，能自动回原点。实现方法：程序检测不在原点（P003）时置位M0102,回到原点时复位M0102。由M10102驱动输出继电器。焊接设备完整的PLC控

28、制程序如图3.2-4所示。图3.2-4 PLC程序 结束语双圆周自动焊接设备的电气系统实际安装和调试是我利用周末时间和朋友一起完成的，在此期间我学会了很多知识，也巩固了自己的知识，使我的理论知识和操作技能更加扎实。在设计时选用LS-PLC、维纶触摸屏是我在学校中所没有学习过的。这次设备安装调试的成功让我更加热爱本专业，调试时我完成了PLC的程序编辑和调试。让我更加熟悉了PLC的编程方法和系统结构，了解了系统安装过程中遇到问题时的解决方法，为我以后的工作和学习打下基础。 赵建明 2010年4月答谢辞在论文的撰写中遇到了很多问题，最后在老师的悉心指导下，终于迎刃而解，由于本人水平有限，文中必定还存在各种问题，希望各位指导老师给予指正。感谢对给过我帮助的所有老师和同学！感谢在实际安装调试中指导我顺利完成工作的朋友！感谢各位评审老师的审核!谢谢！赵建明 2010年4月参考文献1 Master-K编程指令手册、产电2. 维纶EB8000使用手册、维纶通科技有限公司3.刘延俊、液压与气动传动、机械工业出版社20034.孙振强、可编程控制器原理及应用教程、清华大学出版社5. 中国工控网展销网、http:/第38页 共 38 页