基于PLC及质量流量计的新型燃气自动焊接机控制

目前家用空调热交换器生产中铜管钎焊所使用的燃气焊接机主要采用气体浮子流量计控制火焰强弱，操作复杂且火焰稳定性差。现根据实际生产需求提出了采用三菱 FX3U 系列PLC结合在线式气体质量流量计的新型控制系统，重点阐述了整个系统的工艺要求、硬件及软件设计过程。

0 引言

燃气自动焊接机在家用空调热交换器的生产线中使用广泛，主要用于将处理过后的U型铜管弯头焊接到经过胀管过后的发夹管上。针对以往燃气焊接机操作复杂、安全性差、生产效率低的问题，本文提出了新型控制方案，采用了三菱***新推出的FX3U系列PLC，配合在线式气体质量流量计，并在设备内设置多种传感器用于监控设备的运行状态，提高了该设备的自动化程度，使生产工艺的实现变得更简单、更可靠。

1 .设备的控制要求

该设备主要适用于热交换器的连续焊接工况，工件被放到传送带上后，首先是往铜管中充入氮气防止在焊接过程中铜管的内部发生氧化现象，然后工件会先后进入预热区、焊接区、保温区，用燃烧的混合气体（天然气和氧气）将U型铜管弯头上的焊环熔化，使U型铜管弯头与发夹管融为一体，***后经过压缩空气冷却后完成***终的焊接工作。

具体的控制要求如下：

（1）传送带可以自由启停，根据不同的热交换器种类自动调整运行速度。

（2）可识别有无工件，自动点火、灭火，自动调节火焰强弱，要求正常运行时火焰稳定。

（3）天然气及氧气的流量能够自动调节，天然气和氧气可在安全范围内自动/手动调节混合比。能够自动进行燃气和氧气使用量的计算并显示到触摸屏界面上。

（4）可以对设备运行中的各种报警点进行监控，当有报警发生时能够自动采取保护措施，具有声光报警功能。

（5）冷却循环水的控制，自动开启和关闭，在任何一端冷却水堵塞或欠压，均有停机保护功能，并有故障提示。

（6）防氧化助焊剂的控制，自动开启和关闭，能够在灭火时自动清理助焊剂管路。

2 控制系统的硬件系统组成

结合实际工艺要求，采用三菱公司***新推出的FX3U系列PLC完成基本控制，传送带的速度控制采用三菱公司的A700变频器，变频器与PLC之间采用RS485协议进行通讯，人机界面采用三菱GT2000系列触摸屏，与PLC之间采用以太网协议进行通讯，燃气及氧气流量的控制采用在线式气体质量流量计，与PLC之间采用标准模拟量信号4～20mA进行通讯。具体的硬件系统构成如图1所示。

图1 燃气焊接机电控系统硬件组成框图

2.1 PLC基本单元

FX3U系列PLC是三菱第三代微型可编程逻辑控制器，内置高达64K的大容量RAM存储器，***大384点的输入/输出点数，基本指令的处理速度可以达到0.065μs，PLC的左侧可以连接支持各种通信功能的功能扩展板以及特殊适配器、特殊功能模块，完全能够满足燃气焊接机的工艺控制要求。

2.2 气体质量流量计

气体在线式质量流量计的***大特点是精度高、响应时间短（小于500ms），主要结构包含了流量传感器、控制器和调节阀，其中控制器可将气体的质量流量保持恒定或跟踪一条设定值曲线而不受干扰因素（如压力或温度变化）的影响。传感器采用热原理（恒温风速计），在主管道中进行测量，因而直接测得质量流量而不必通过任何校正。在数字流量控制器中，将测量值与设定值进行比较，并将比较后的差值输出给比例电磁阀作为控制信号。具体工作原理如图2所示。

图2 气体质量流量计测量原理

在线式气体质量流量计的传感器为热膜式风速计，内部结构是5个电阻，其中2个电阻位于实际介质中，另外3个电阻位于流体通道之外，这些电阻连接形成一个电桥，介质中的一个电阻（RT）测量介质温度，另一个低阻值电阻（RS）始终被加热到保持在高于介质温度的一个恒定给定温度，加热RS所需要的电流是衡量气体热消耗的标准，即代表了主要的被测变量。该流量计采用高质量的流量标准进行标定，确保了获得高精度的每单位时间内流过的气体质量，这样便能满足对天然气以及氧气流量的测量及控制。

2.3 高精度模拟量转换模块

本系统使用了3个模拟量输入模块FX3U－4AD和4个模拟量输出模块FX3U－4DA。FX3U－4AD模块的各通道中，***多可存储1700次A/D转换值的历史记录，该功能对燃气焊接机来说是非常重要的，因为如果燃气和氧气的混合比出现异常，便会发生回火现象，该现象在生产实践过程中危害较大，通过对历史记录的存储，就可以为维修人员提供可靠的历史依据，用于判断出现回火时的故障原因。FX3U－4DA模块的电流输出分辨率可以达到0.63μA（20mA/32000），为质量流量计的控制提供了不可或缺的保障。另外，该模块还具有断线检测功能，这一功能对燃气焊接机的控制也是至关重要的，如果模块与质量流量计间的接线出现断线，模块会自动报警并进入灭火流程，这样做的目的在于防止因为通讯线路损坏导致的燃气管路回火，提高了系统的安全性及可靠性。

2.4 PLC与变频器间的通讯

本系统中采用了RS485通讯协议，只需要在PLC左侧扩展一块RS485通讯板卡，便可在触摸屏上自由的对速度进行设定，并且可以实时监测到变频器的运行状态及故障报警信息。

2.5 PLC与触摸屏间的通讯

因考虑到与用户方的IMES系统进行连接，所以在PLC的左侧扩展了FX3U－ENET－ADP以太网适配器，使用该适配器与触摸屏进行通讯相比于传统的PLC自带RS422接口与触摸屏连接，通讯速率更快、稳定性更高、可扩展性更好。

3 控制系统的软件设计

3.1 PLC控制程序设计

FX3U系列PLC提供了丰富的控制指令，根据该系统控制工艺的要求，采用了主程序与子程序相互调用的编程方式，其主要程序结构如图3所示。其中PLC对变频器及模拟量模块间的控制均有专用指令，大大提高了程序编制的效率。

图3 控制程序框图

3.2 触摸屏组态

三菱GT2310触摸屏作为该设备的上位机，PLC作为下位机，使用以太网协议进行通讯。触摸屏作为上位机可以与PLC进行快速的数据交换，可以清楚显示出设备的运行状态、报警信息，并完成简便的参数设置，能够有效提高生产效率。该系统中的主要画面如下：

（1）初始画面如图4所示，可以通过该界面进入火焰控制界面、参数设置界面、位置控制界面、手动维护界面、报警记录界面。

图4 初始画面

（2）主操作界面如图5所示，该界面可以实时显示各回路中流量的实际值以及燃气管路、氧气管路、氮气管路的实时压力，用以监测气路系统的工作是否处于正常状态，同时也可以在该界面对各回路的流量值进行设置；另外还可以通过该界面监控PLC控制程序的工作是否正常。

图5 主操作界面

4 结语

PLC及气体质量流量计的完美配合使得该系统克服了以往焊接机的诸多缺陷，且该控制系统已经实际投入使用一年的时间，达到了***初的设计要求，工作稳定，故障率低，维护和使用都很方便，做到了一键式的操作，深受用户的好评。