基于PLC的蓄电池极群铸焊机控制系统的设计.pdf

基于P L C 的蓄电池极群铸焊机控制系统的设计 Desi gn of c on t r ol s ys t em f or l ead- aci d bat t er y cas t w el di n g m achi n e bas ed on PL C 钱振华，何彦虎 QI AN Z h e n ． h u a ．HE Y a n ． h u 湖州职业技术学院 机电与汽车工程学院，湖州 3 1 3 0 0 0 摘要极群铸焊的质量直接影响铅酸蓄电池的质量和性能。通过对控制要求的分析 ，阐述了铸焊机的 工作过程。搭建了铸焊柳执行机构的气动回路，并以P L C 为控制核心，设计了铸焊机的P L C 控 制电路、铅炉的加热和温度检测电路。接着给出了P L O 控制程序的工作流程、铅炉温度检测程 序以及铅炉加热程序。该控制系统实现了极群铸焊的高效、稳定的加工。 关键词铅酸蓄电池；铸焊；P L O；控制 中圈分类号z T H 1 6 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 1 0 下 一 0 1 0 2 0 4 O o i ；1 0 ． 3 9 6 ； I／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 2 0 ． 3 0 0 引言 铅酸蓄电池作为一种价格低廉、制造工艺简便 、容 量大、性能可靠 的化学 电池 ，在交通、通信、电力等各 个领域均有广泛应用 。极群铸焊是指将铅酸蓄 电池 电极 板栅的极耳群与液态汇流排合金通过热传导作用铸焊在 一 起的过程 ，也称C OS C a s t O n S t r a p 铸焊 2 】 。极 群铸焊是铅酸蓄 电池生产中的一道关键工序，极耳与汇 流排铸焊接头的质量直接影响蓄电池的质量和性能 。 传统的极群铸焊方式一般为手工焊接，其缺点是用铅量 大 ，焊接质量无法保证，且操作者容易吸入铅蒸汽 ，造 成操作者体 内铅含量超标 。随着人们对蓄 电池产品质量 和成本要求的 日益苛刻和环保意识的日益增强，采用全 自 动铸焊机的焊接方式将逐步取代手工焊接方式 。 本文通过对极群铸焊工艺和铸焊机控制要求 的分 析，采用P L C 控制技术，对铸焊机的铅液温度、铅炉加 热装置和执行机构的气动回路等进行 自动化控制 ，实现 了蓄 电池极群铸焊的高效、稳定的加工。 1 极群铸焊机控制要求分析 1 ． 1极群铸焊温度控制要求 在极群铸 焊前 ，需将 铅块置于铅炉中预先加热熔 融，熔融到一定温度后 的铅液流入C OS 模具进 行极群 铸焊 ，铸焊完成后进行冷却和刮铅 。根据极群 铸焊的 工艺要求，熔 融的铅液温度 需保持在5 0 0 ℃[ 4 】 ，精度为 2 ℃ 。 1 ． 2 铸焊机执行机构的控制要求 铸焊机首先需具备手动和 自动模式切换功能，以便 随时对各传动机构进行调整 。当检测到铅液温度和铅液 量达到设定值时，在 自动模式下按下设备的启动按钮， 铸焊机执行机构方可动作。铸焊机执行机构主要由各个 气缸组成，依据极群铸焊的工艺流程，依次完成 自动合 闭操作门、模架动作、夹具动作、冷却、刮铅、脱模顶 出、压壳等动作。具体工作过程如图l 所示 。 图1 铸焊机执行机 构工作过程 2 气动回路组建 由于铸焊机工作环境为高温状态 ，且对加工速度要 求较高，故采用气压传动方式作为执行机构。气动回路 如图2 所示。此气动回路由空气压缩机、气动三联件、8 个单杆双作用式气缸、l 6 个磁性开关、8 个二位五通 电 磁换 向阀、l 6 个单 向节流阀组成 。铸焊机工作时气源压 力为0 ． 6 Mp a ，并需调节各个单 向节流阀开口大小，使各 气缸运动速度正常平稳无冲击。自动模式时由磁性开关 检测各气缸内活塞所处的位置，并将信号送入P L C输入 端 ，由P L C 程序控制电磁换 向阀的换向，从而控制各气 缸的伸缩运动的顺序，来完成极群铸焊的加工过程。 3 控制系统设计 3 ． 1 P L C 的选型和控制电路设计 根据铸焊机系统的组成、温 度控制的要求 和执行 收稿日■2 0 1 5 - 0 5 -1 8 基盒项目2 0 1 2 年浙江省教育厅科研项目 Y 2 0 1 2 2 3 0 3 6 作者简介钱振华 1 9 8 0一，男，浙江湖州人，讲师，硕士，主要从事机电一体化及自动控制方面的研究。 【 1 o 2 】 第3 7 卷第1 0 期2 0 1 5 - 1 0 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动操作门气缸 横槊左气缸 棋榘右气缸 夹真支槊气缸 冷却气缸 卸话板顶出气缸脱棋顶出气缸 压亮气缸 图2 铸焊机 气动 回路 机构 的动作可知，有 1 6 个磁性开关和1 个铅液量检测信 号，具有手动和 自动模 式切换2 个按钮，并且在 自动模 式下有启动 、停止和急停3 个操作按钮 ，共2 2 个开关量 输入信号。P L C的输 出信号用于控制 设备8 个 电磁换 向 阀、铅 的液量不足时的报警 、铅炉加热 中红灯和加热完 毕后绿灯显示，共 l 1 个 开关量输 出信号。此外，P L C 还 需检测铸焊机铅炉的温度和完成对铅炉的加热 ，因此还 需配备模拟量输入和输 出模块 。根据 以上 要求 ，选用 三菱F X 2 N． 6 4 MR 可编程控制器 ，并配备F X 2 N． 2 A D与 F X2 N． 2 D A 模拟量输入和输出模块。铸焊机P L C 控制系 统 的具体I ／ O 分配表如表 1 所示。各输入输 出元件与P L C 的接线 图如 图3 所示。 表1 P L C I ／ O分配表 输 入端口 输 出端 口 门上限磁性开关 S Q1 X O 操作 门电磁 阀 YVl Y 0 门下限磁性开关 S Q2 X1 模架左气缸电磁阀 YV2 Y1 模 架左气缸左磁性开关 S Q3 X2 模架右气缸电磁阀 YV3 Y 2 模 架左气缸右磁性开关 S Q4 X3 夹具气缸 电磁阀 YV4 Y3 模 架右气缸左磁性开关 S Q5 X 4 冷却气缸 电磁 阀 YV5 Y 4 模 架右气缸右磁性开关 S Q6 X5 刮铅气缸 电磁 阀 YV6 Y5 夹具 气缸上限磁性开关 S Q7 X6 脱模顶出气缸电磁 阀 YV7 Y 6 夹具支架下限磁性开关 S Q8 x7 压壳气缸 电磁 阀 YV8 Y 7 冷却气缸左磁性开关 S Q 9 Xl O 报警灯 铅液量不足 L D 1 Y 1 0 冷却气缸右磁性开 关 S Q1 0 Xl 1 红灯 加热 中 L D2 Y1 1 刮铅气缸左磁性开 关 S Q1 1 Xl 2 绿灯 加热 完成 L D3 Yl 2 刮铅气缸右磁性开 关 S Q1 2 Xl 3 脱模顶 出气缸左磁性 开关 S Q1 3 X1 4 脱模顶 出气缸左磁性 开关 S Q1 4 Xl 5 压壳气缸上限磁性开关 S Ql 5 X 1 6 压壳气缸下限磁性 开关 S Q1 6 Xl 7 铅液液位检 测 S Q1 7 X2 O 手动按钮 S B1 X2 l 自动按钮 S B 2 X2 2 开始按钮 S B 3 X2 3 停止按钮 S B 4 X2 4 急停按钮 S B 5 X2 5 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 -- 1 0 下 [ 1 O 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 1 1 ／ 锄 l l I Fx 2№ 队 I 丫 L『J L『J L『J L『J L『J L『J L『J T T T l 土 上 T 、『 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y1 0 Y 1 1 Y1 2 CoM F X2 N． 6 4 MR L N X 0 X 1 2 X 3 X 4 X 5 X 6 7 X 1 0 X 1 1 X 1 2 X 1 3 X 1 4 X 1 5 X 1 6 X 1 7 x 2 0 I x 2 1 X 22 X 2 3 X 2 4 X 2 5 1C O M I I AC 2 20V ∞ {瓣 { ∞3{∞4{∞ {。o。{∞ {∞。{ 。{∞ {∞”{ ’2{。。’{∞’4{ ’{。口’B{s 。 。 。 。 。 图3 P L C的接线 图 3 ． 2 铅炉的加热和温度检测电路设计 铅炉 的作 用在 于将 铅块 进行 加热熔 融 ， 并达到 5 0 0 ℃的高温以便极群铸焊。本设计选用电阻加热棒进 行加热 ，功率为6 K w ，并通过三相 调压器来实现铅液 的恒温控制。采用了T S R - 8 0 D A - W相调压器，其具有输 入输出光电隔离，移相调压 电路与主电路集成于一体， 并且还集成了固态继电器，有输A ． 4 m A 2 0 m A 、 1 V 5 V 和0 ～1 0 V的接 口。因此采用D A 模块F X 2 N ． 2 D A，把P L C 输 出的数字量转变为模拟量来控制三相 调压器 ，采用 4 mA 2 0 mA电流控制。铅炉加热电路如图4 所示。 6KV 钟 I l { I 图4 铅炉加热电路 铅液温度的控制关系到极群铸焊 的质量，因此必须 加以精确控制 。由于本设计需检测控制5 0 0 C的铅液温 【 1 0 4 】 第3 7 卷第1 0 期2 0 1 5 1 0 下 度 ，选用 了K型热 电偶作为温度传感器 ，其测温范围为 0 ～1 0 0 0 ℃。但是来 自温度传感器的信号不能直接输入 P L C，还需通过温度变送器和模拟量输入模块进行信号 处理。采用K Y ． K ． E ． A 4 2 0 ． D 温度变送器，接收来 自于现 场 的K 型热 电偶的信号输入，经过隔离，转换为固定量 程的标准直流信号 4 mA 2 0 mA输出给模拟量输入 模块F X 2 N 一 2 A D，再 由F X 2 N一 2 A D 将代表铅液温度的模 拟量信号输入给P L C。如图5 所示为温度检测 电路。 图5 温 度检测电路 4 P L C 控制程序设计 4 ． 1铸焊机的工作流程 铸焊机铅炉中铅液的温度是 否合适 以及铅液量是 否足够将决定铸焊的质量。因此 ，开机后首先要对铅炉 进行加热，而后检测铅液温度和铅液量，如未达到预设 要求将无法执行后续动作。当各项加工条件均 已具备， 则通过手动或 自动模式进行铸焊机操作。其中在 自动模 式下，铸焊机将在P L C 控制下通过各传感器 的信号检测 自动完成极群铸焊的各个动作。本系统的控制程序采用 F X 2 N 系列P L C的S T L 指令编写。S T L 指令也称步进转移 指令 ，专 门用于顺序控制程序的编写 。铸焊机 的具体 工作流程如图6 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图6 铸焊机的工作流程 图 4 ． 2 铅炉温度设定和检测程序的设计 在铸焊机开机后，首先需设定铅液温度。采用三菱 P L C的MoV指令，将5 0 0 ℃对应的数字量写入 到P L C的 数据寄存器D1 0 0 中。P L C 基 本单元与模拟 量输入模块 F X 2 N 一 2 A D 之间的数据通信是由F R O M指令和T O 指令来 执行 的。F R O M指令是将特殊功能模块内的缓存寄存器 的数据读入P L C，T O 指令是将P L C 基本单元 中的数据写 到特殊功能模块内的缓存寄存器中，实际上读写操作都 是对模拟量输入模块 中的缓存寄存器B F M进行的。采样 到铅炉温度后经F X2 N． 2 AD转换成数字值写入 IJ P L C数 据寄存器D 2 0 0 中。具体程序如图7 所示 。 图7 铅炉温度设 定和检测程 序 D 1 0 D 1 0 o 哪 K 1 f I 2 n K 删l 0 0 l 【 2 X 删1 0 0 D 2 o 0 4 ． 3 铸焊机加热程序的设计 铅炉的加热是通过DA转换，将P L C输出的数字值 通过DA转换为对 应的 电流 值 ，通过 三相调压器 来控 制铅炉 的工作 电压 ，完成对 铅液的加热 。将P L C 基本 单元中的数字值写到模拟量输 出模块 内的缓存寄存器 B F M中，同样也采用T O指令来实现 。具体程序如 图8 所示 。 图8 铸焊机加热程序 D 1 l O K 4 簟 n O K 丑I 1 l O K 1 H 4 K l 聃 K l X l M l l 8 K 1 H 2 X l 肿 置 l 5 结论 基于P L C 控制的蓄 电池极群铸焊机通过P L C 程序控 制铸焊过程中各执行机构的运动 ，可以快速、准确地完 成极群铸焊工艺过程 。通过模拟量输入、输出模块，分 别对铅液温度和铅炉进行数据采集和加热控制 ，实现 了 对铅液温度 的高精度控制 ，误差控制在 2 “ C以内，有 效地保证 了极群铸焊 的加工质量。相 比传 统的手工焊 接 ，全 自 动极群铸焊机在加工效率 、加工质量和对操作 人员人身安全方面有着 巨大优势，因此该系统有着广阔 的应用前景 。 参考文献 【 1 】 C． S ． L a k s h mi ．Re v i e w o f c t - o n - s t r a p j o i n t s a n d s w a p a l l o y s f o r l e a d - a c i d b a t t e r i e s [ J ] ．J o u r n a l o f P o we r S o u r c e s ，2 0 0 0 8 8 1 8 2 6 ． [ 2 1 B． Ni r o u ma n d ， H． Mi r z a d e h 。 M． R e i s i ． E v a l u a t i o n o f c a s t O U ． s t r a p j o i n t s i n l e a d a c i d b a t t e r i e s [ J ] ． Ma t e ri a l s C h a r a c t e riz a t i o n ， 2 0 0 9 6 0 1 5 5 5 1 5 6 0 ． 【 3 】 钱振华 ， 王荣扬． 铅酸蓄 电池极群铸焊 工艺及其温度控制 的研 究 【 J 1 ． 机械制造， 2 0 1 3 3 5 2 ． 5 4 ． 【 4 】 A． T0 n e s s e n ，K． S a l a mo n ， H． M． Te n s i ． S i mu l a t i o n o f t h e c a s t ． o n s t r a p p r o c e s s i n a fi n i t e e l e me n t mo d e l [ J ] ． J o u rna l o f P o we r S o u r c e s ， l 9 9 7 6 4 9 7 1 0 1 ． 【 5 】三菱株式会社． F X 2 N 编程控制器使用手册【 z 】 ． 日本 三菱株式 会社． 1 9 9 9 ． 第3 7 卷第1 0 期2 0 1 5 - 1 0 下 [ 1 0 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m