0 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3~9 m 的钢管外表面要密集地焊3 000~10 000 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“PLC CPU+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。另外， 本系统另一大特点就是采用PLC 高速脉冲输出Y0， Y1进行两路独立的脉冲输出， 然后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， 同时， 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错误的系统， 甚至整个系统无法使用。因此， 本文首先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EC10-3624BTA 型号， 此PLC 具有两路高速脉冲输出即Y0， Y1， 最高脉冲频率可达500 kHz， 具有位置控制和速度控制， 是系统的核心。EC10-3624BTA 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750 W，额定转速3 000 r/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， Y1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; 相反， 电机逆时针旋转。同时， 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±0.2 mm， 响应时间为0.4 s。
2.2 PLC I/O 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，但是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， 所以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SQ1~SQ6， 1#~5# 气缸分别都有电磁阀(YV1~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， 所以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1。
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(DC 24 V) 提供。由于选用的传感器为NPN 型， 即设置为漏型输入方式， 所以将PLC端子排上的S/S 端子与+24 V 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~KA5， 这是由于电磁阀的工作电流大于PLC 的负载电流(一般为2 A)， 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SB1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#，4#， 5# 气缸有感应行程开关， 同时还要考虑互锁。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24 V 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220 V 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， I/O 更新， 数据通信等操作。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。因此， 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。另外， 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。同时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。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看https://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。
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