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环形焊缝PLC控制系统毕业设计论文

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年月

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日期：

指导教师签名：

日期：

环形焊缝PLC控制系统毕业设计

摘要

一、焊接与自动化--------------------------------------------------1

1.焊接过程的物理本质---------------------------------------------1

2.焊接的分类---------------------------------------------------------1

3.焊接自动化的概念-------------------------------------------------2

4.目前焊接系统的特点----------------------------------------------2

二、PLC的简介--------------------------------------------------------3

1、PLC的基本概念----------------------------------3

2、PLC的特点--------------------------------------3

3、PLC的基本类型----------------------------------5

4、PLC的构成--------------------------------------5

5、PLC的工作原理----------------------------------6

三、PLC应用领域和发展趋势----------------------------------7

四、PLC在环焊缝中的应用

环形焊缝PLC控制系统的设计---------------------------------11

1、PLC控制系统的设计基本原则-----------------------12

2、确定控制要求和操作方式--------------------------12

3、系统硬件设计-------------------------------------13

4、系统软件设计-------------------------------------15

五、总结-------------------------------------------------------------------20

参考文献-------------------------------------------------------------21

致谢---------------------------------------------------------------------------22

摘要

焊接自动化从某种意义上讲，焊接自动化就是用黄金机械来代替人进行焊接。

焊接自动化技术是将电子技术、计算机技术、传感技术、现代控制技术引入的焊接机械运动的控制中，也就是利用传感器检测焊接过程的机械运动，将检测信息输入控制器，通过信号处理，得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置，实现焊接自动化。

通过对“环形焊缝PLC控制系统”的设计介绍了环缝自动焊接机的基本组成和工艺过程，设计了基于PLC的电气控制系统，介绍了一种全新的手动程序和自动程序统一编写的编程方法。

关键词：

焊接；自动化；环形焊缝；梯形图；语句表

Abstract:

weldingautomation,inasense,weldingautomationisgoldmechanicalinsteadofpeople.Weldingautomationtechnologyisanelectronictechnology,computertechnologyandsensingtechnology,moderncontroltechnologyintotheweldingmachinemotioncontrol,alsoistheuseofthesensorweldingprocess,mechanicalmotiondetectinginputcontroller,signalprocessing,getthroughtoachievethedesiredmotioncontrolsignals,thustocontroldevice,realizeweldingautomation.

BasedoncircularweldPLCcontrolsystemdesignof"girthofautomaticweldingmachineisintroducedthebasiccompositionandprocessdesignofelectriccontrolsystembasedonPLC,introducesakindofbrand-newmanualandautomaticprogramwrittenproceduresofunifiedprogramming.

Keywords:

PLC,Welding,AutomationCircularweld,Ladderdiagram,

Liststatements

一、焊接与自动化

1.焊接过程的物理本质

焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程。

促使原子和分子之间产生结合和扩散的方法是加热或加压,或同时加热又加压。

2.焊接的分类

金属的焊接,按其工艺过程的特点分有熔焊,压焊和钎焊三大类.

熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。

熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。

熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。

压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。

常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。

钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。

在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。

焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。

未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。

另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。

3.焊接自动化的概念

焊接自动化主要是指焊接生产过程的自动化。

焊接自动化有两方面的含义：

一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。

焊接自动化从某种意义上讲，焊接自动化就是用黄金机械来代替人进行焊接。

焊接自动化技术是将电子技术、计算机技术、传感技术、现代控制技术引入的焊接机械运动的控制中，也就是利用传感器检测焊接过程的机械运动，将检测信息输入控制器，通过信号处理，得到能够实现预期运动的控制信号，由此来控制执行装置，实现焊接自动化。

随着制造业的高速发展，传统的手工焊接已不能满足现代高科技产品的质量、数量要求，现代焊接加工正在向着机械化、自动化方向发展。

电子技术、计算机技术以及机器人技术的发展，为焊接自动化提供了十分有利的基础。

进年来，焊接自动化在实际工程中的应用取得了迅速的发展，已成为先进制造技术的重要组成部分。

焊接自动化的关键技术包括：

机械技术、传感技术、伺服传动技术、自动控制技术和系统技术等。

4.目前焊接系统的特点

自动环焊缝焊机系统由机械装置、供电装置、控制装置三大部分组成。

控制方式有自动控制和手动控制。

自动控制：

即实现气动夹具、焊接电源、转胎的自动控制。

工件的自动夹紧，接通焊接电源（由弧焊电源完成提前送保护气、高频引弧、电流递增至正常焊接电流的控制）和接通焊接转胎电动机，转胎旋转，进入正常焊接；工件焊接一圈后，向弧焊电源发出停止焊接信号，由弧焊控制焊接电流衰减，停保护气，最终切断焊接电源，在弧焊电源切断焊接电流时切断焊接转胎电动机电源，当保护气滞后切断后，工件自动松卡。

手动控制：

可以手动控制装卡，实现焊接电源、焊接转胎的程序自动控制。

在焊接停止时，需要人工监控。

手动控制可以用于焊接工艺实验或补焊。

二、PLC的简介

1、PLC的基本概念

可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC

1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

2、PLC的特点

可靠性高，抗干扰能力强

　PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。

一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。

这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。

硬件配套齐全，功能完善，适用性强

　PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。

PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。

除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。

近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

易学易用，深受工程技术人员欢迎

　PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。

它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造

　　PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。

这种编程方法很有规律，很容易掌握。

对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

　　PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

体积小，重量轻，能耗低

　　以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。

它的重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3、PLC的基本类型

（1）按PLC结构进行分类

按PLC结构分类，可以分为整体箱式和模块组合式两种。

整体箱式PLC是把各组成部分安装在少数几块印制电路板上并连同电源一起装配在一个壳体内形成一个整体。

这种PLC结构简单，节省材料，体积小，通常为小型PLC或低挡PLC。

由于该类PLC的输出/输入（I/O）点数固定且较少，因此使用的灵活性较差。

模块组合式PLC是把PLC划分为相对独立的几部分制成标准尺寸的模块，主要有CPC模块（包括存储器）、输入模块、输出模块、电源模块等，然后把各模块组装到一个机架内构成一个PLC系统。

这种结构形式可根据用户需要方便地组合，对现场的应变能力强，还便于维修。

目前，模块式PLC应用较多。

（2）按控制规模分类

PLC的控制规模主要指PLC中控制开关量的I/O点数。

按PLC控制规模分类，可分为小机型、中机型及大机型三类。

1）小型PLC：

其I/O点数小于256点。

2）中型PLC：

其I/O点数在256—2048之间。

3）大型PLC：

其I/O点数在2048以上。

I/O点数也称为PLC的容量。

容量的大小不仅表示了I/O点数，而且也反映了PLC的运算能力、编程语言等方面功能的强弱。

一般情况下，容量越大的PLC在运算能力、编程语言等方面的能力越强。

4、PLC的构成

PLC的基本配置由主机、I/O扩展接口及外部设备组成。

主机扩展接口采用微机的机构形式。

主机内部由运算器、控制器、存储器、输入单元、输出单元、以及接口等部分组成。

（1）中央处理器（CPU）

CPU由器运算器、控制组成，它是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。

它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令;CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

存储器简称内存，它用来存储数据或程序，包括RAM和ROM。

（2）输入/输出（I/O）模块

I/O模块是CPU与现场I/O设备或其它外部设备之间的连接部件。

PLC提供了各种操作电平和具有输出驱动能力的I/O模块以及用于各种用途的I/O模块供用户选用。

（3）电源

PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC内部电路供电。

（4）其它外围设备

外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：

1）编程设备：

有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2）监控设备：

有数据监视器和图形监视器。

直接监视数据或通过画面监视数据。

3）存储设备：

有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。

4）输入输出设备：

用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟量的电位器，打印机等。

5、PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

（3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

三、PLC应用领域和发展趋势

PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于、石油、化工、冶金、采矿、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，在焊接自动化领域的应用也越来越普遍。

使用情况大致可归纳为如下几类：

（1）开关量的逻辑控制

　　这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

（2）　模拟量控制

　　在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

　（3）　运动控制

　　PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

　　（4）过程控制

　　过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。

PID处理一般是运行专用的PID子程序。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

　（5）数据处理

　　现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

　（6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的