点焊机自动控制系统的设计与实现(开题报告)

点焊机自动控制系统的设计与实现

学 生：胡仁俊

指导教师：施保华

（三峡大学 电气与新能源学院）

1.课题来源及行业背景

随着计算机控制技术的迅速发展，触摸屏和PLC在工业控制中的应用越来越广泛。在消音金刚石圆锯片的生产过程中,其基体的焊接水平是锯片质量保证的先决条件。而传统的手工焊接方式无法满足高精度的焊接要求。由此，研究新型自动化装置控制的焊接系统显得尤为重要。

本课题是指导老师在大规模生产的具体要求下，要求工作台按要求进行动作，在现代工业控制系统日益发达的时代背景下应运而生的，电焊机的自动控制为工业生产带来很大的方便，使自动化在生产中得到很好的利用。

2.研究的目的和意义

2.1解决人工无法完成的困难

随着科技的进步和发展，工业生产的方式正在发生巨大的变化，从传统的手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，本项目自主设计研发的焊接集散控制系统能使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致，提高了产品质量，从而提高产品的经济效益，也使得企业的技术和管理自动化水平提高。该产品突破传统锯片基体制造方法 ,采用2张相同金属基体中间夹一层阻尼材料 (三明治复合锯片基体) ,有效地解决了环保消音降噪问题.自主设计研发基于人机界面的PLC控制焊接自动化系统可以将其三合一 ,而且能使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致 ,解决了焊后变形大的问题。而使用手工焊接方法工作量较大，而且难于保证焊接质量。现设计焊接自动化工作台，提高产品加工质量。

2.2提高生产效率

在当今社会的大规模生产过程中，人力的局限性无法跟上工业自动化时代的工作效率，所以企业为了提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，自动化生产线也逐渐被企业所认同并采用。点焊机自动控制系统是按照给定程序、轨迹和要求实现自动移动、焊接的操作的自动控制装置。实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动，极大的提高了生产的效率。

2.3改善现有点焊机的工作性能

点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，来达到使它们结合的目的。现设计焊接自动化工作台，

提高产品加工质量和加工效率。自动化工作台主要完成旋转、 进退和抬升动作。自动化焊接过程满足焊接工艺 (隔点焊接，内外圈焊点错位和工件压紧防变形)要求.项目研发的系统将从焊点分布、焊接顺序、时间、电流、 温度、受力和平面度等方面保障基体质量 ,使焊接部分与非焊接部分硬度均匀一致，解决焊后变形问题，并提高生产效率，降低次品率，从而提高生产的经济效益，也使得整个技术和管理的自动化水平提高.

3.国内外的研究现状和发展趋势

3.1国内电焊机科技水平及发展趋势

(1)手工电弧焊机逆变式手工电弧焊机已大部分采用了IGBT等新型电子元器件，并在某些场合部分替代了弧焊整流器，但其可靠性与一般手工弧焊机相比尚有差距。今后应开发适宜于苛刻焊接环境条件的、可靠性高的、多用途的逆变式焊机。

(2)MIG/MAG焊机要继续开发推拉式送丝机构、脉冲MIG/MAG焊机使之在引弧、收弧、减少飞溅等方面有明显的改进，用微处理器控制的送丝机构亦是开发的方向。

(3)TIG焊机广泛应用于不锈钢焊接，因此发展较快的磁放大器式或晶闸管式，仅一小部分为逆变式。

交流TIG焊机大多已采用矩形波输出，大部分用电子及磁场混合控制以获得矩形波，最近国内亦出现了逆变式交流矩形波TIG焊机，但还有待于市场的考验。

国内宇航工业要求焊接较厚的长焊缝，需用电流在500A以上、负载持续率100%的大容量TIG焊机，此类产品国内尚属空白。

(4)埋弧焊机有必要进一步发展2000A以上的大容量埋弧焊机。埋弧焊机的操作部份大多为单一的中型小车结构，不够灵活。应发展轻型及重型小车结构，并可加装成双丝或多丝结构，以利于提高生产率。

(5)电阻焊机目前电阻焊机属中等容量，较大的如400kVA以上及适宜于小型、微型结构的1kVA以下的精密电阻焊机则较少。点、凸焊控制器虽有进步，但大多为合资企业产品，为保证质量，关键部份依赖进口。

因此，开发和研制出自行设计制造的控制器亦是方向之一。

3.2国外电焊机科技水平的现状和发展

(1)逆变焊机某些著名的电焊机生产厂对逆变焊机的不断改进，使它的可靠性已接近一般电焊机的故障率，即1%左右。利用逆变焊机的固有的特征，使电弧控制迈出了新的一步。

(2)非传统（非电弧、电阻）焊技术的应用和设备发展迅速，现已有：摩擦缝焊(FrictionSeamWelding）、摩擦搅拌焊(FrictionStirWelding）、摩擦堆焊(FrictionSurfacing)、摩擦插入焊(FrictionPlunge)、摩擦切割(FrictionCutting)等等。

(3)微处理器及计算机已普遍应用，但距完全的智能控制尚有距离。

(4)焊接机器人的应用更为广泛。

(5)小型、微型电阻焊机日趋成熟和普及。

3.3复合圆锯片的发展趋势

目前复合锯片的使用范围越来越广，在实际使用过程中对其各项性能的要求也越来越高，相应的检测方法也要能满足要求。随着复合锯片检测方法研究的不断深入，其发展有以下几个趋势:

(1)热稳定性。现在研究复合片的热稳定性不可避免地要涉及到热损伤的概念，它是指PDC由于受热引起的损伤。可以采用对热处理前后的复合片进行SEM观察，以了解损伤的形貌、程度和特点，这种方法可以用来判断复合片的热稳定性，其优点是可以分析复合片产生损伤的原因，进而找到解决的办法，相应地可以提高复合片的热稳定性。76

(2)残余应力检测。金刚石复合片内部的残余应力影响复合片的热稳定性及抗冲击性能，而且主要以热残余应力为主，通过中子衍射法可以对复合片内部的残余应力进行表征，并得到具体数值。

(3)耐磨性。从复合片的微观结构方面进行其耐磨性的检测，用X射线衍射方法、Raman光谱法及电镜法等[11-12]对复合片进行综合测试。不仅可以准确测得复合片的耐磨性，更能找出影响其耐磨性的内在原因，提高复合片的耐磨性。

(4)冲击性能。由于复合片在实际使用中受冲击破坏一般有2种，一种是受到多次冲击而破坏，还有一种是突然受到巨大冲击力而破坏。因此一般在检测复合片冲击性能时，要同时检测其最大抗冲击性能及抗冲击韧性。

4.研究的主要内容

4.1点焊机的基本工作原理

点焊机系采用双面双点过流焊接的原理，工作时两个电极加压工件使两层金属在两电极的压力下形成一定的接触电阻，而焊接电流从一电极流经另一电极时在两接触电阻点形成瞬间的热熔接，且焊接电流瞬间从另一电极沿两工件流至此电极形成回路，不伤及圆锯片的内部结构。

点焊机自动控制系统的工作台旋转和进退运动采用步进电动机及驱动器控制，保证较高的定位精度。

4.2 系统方案

此次研究的课题是来源于自动化专业在企业生产实际过程中的圆锯片焊接实用流程，所设计的是点焊机自动控制系统。利用PLC来控制，用步进电机来驱动点焊机，来实现点焊机的运行。控制中心采用可编程控制器（PLC）和触摸式液晶显示屏进行操作，比传统的控制中心更具有直观性和可操作性。

点焊机的工作原理十分简单，采用S7—200对步进电机进行控制，从而达到点焊机多点运动和工作台的旋转和进退运动的目的。通过S7—200PLC对步进电机的正反转的控制，可使点焊机的焊接触头运动到不同的工位。驱动步进电机使运动方向沿X轴Y轴的方向来进行工作。点焊机的控制系统中由PLC、传感器、步进电机、驱动器、电磁阀、点焊枪等元器件组成。

5.工作的主要阶段、进度

(1)20xx年秋季学期第11周（20xx年11月18日前）

接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定。

(2)20xx年秋季学期第12~17周

阅读指定的参考资料及文献（包括10万个印刷符号外文资料），基本完成开题报告、外文翻译等任务。

(3)20xx年秋季学期第18周

进一步修订完善开题报告、外文翻译，使其在内容及格式上符合毕业设计（论文）规范要求。

(4)20xx年秋季学期第19周（20xx年1月13日前）

上交开题报告、外文翻译，指导教师批阅。

(5)20xx年春季学期第11周（20xx年4月30日前）

按照开题报告的技术路线和设计方案进行总体设计。

(6)20xx年春季学期第14周

完成硬件选型和程序开发设计，完成试验制作与调试任务。

完成毕业设计，全部成果交指导教师批阅。

(7)20xx年春季学期第15周（5月25日至5月27日）

毕业答辩

6.最终目标及完成时间

通过查阅相关的文献和资料，了解点焊机自动控制系统的工作流程，通过设计点焊机自动控制系统，达到课题预期的基本要求。能够正常运行，可进行模拟调试。可使点焊机能够在所要求的不同工件型号下正常的运行工作。

完成时间：第15周

7.现有条件及必须采取的措施

现有STEP7软件和Wincc flexible软件，可以完成PLC的编程设计和触摸屏的模拟实现，在设计过程中需要采用工程软件进行模拟调试。

8.协助单位及要解决的主要问题

本课题要完成具体的硬件设计和实现，需要得到学院的大力支持和帮助。

参 考 文 献

1. 张进秋.陈永力.张中民. 可编程控制器原理及应用实例.机械工业出版社.2004.1

2. 李新.张文涛. 可编程序控制器在机械手设计中的应用.山东煤炭科技.2002.5

3. 周虹. 气动与PLC技术相结合在机械手设计中的应用.液压与气动.2004.3

4. 李春菊.王迎旭. 普通机械手PLC与触摸屏全自动控制设计.湖南工程学院学报.2004.3

5. 王迎旭.李春菊.施晚蓉. 触摸屏与PLC在全自动双面钻控制系统中的应用.湖南工程学院学报.2004.4

6. 朱光力. 三坐标气动机械手控制回路设计.机械设计与制造.2003.2

7. 董继成. 用PLC控制生产线自动机械手.中国仪器表厂.2004.2

8. 求是科技.PLC应用开发技术与工程实践.人民邮电出版社.2005.1

9. 邹金慧.可编程控制器及其系统.重庆大学出版社.2002.11

10. 袁艳敏.PLC在机械手自动控制系统中的应用西安航空技术高等专科学校学报.2004.9

11. 邓昌奇.熊德琴.张立斌. PLC在工业机械手中的应用研究机电工程技术.2004.4

12. 刘连胜.王英东.PLC和触摸屏控制系统的应用.中国棉花加工.2002.4

13. 蒋少英. PLC控制的机械手.微计算机信息.2002.2

14. 胡冰.吴升艳.岳春生.ADS7843触摸屏接口.解放军信息工程大学.2001.12

15. 邓辉.孙富春.孙增圻.机械手的模糊逆模型鲁棒控制（英文）.自动化学报.2001.4

 

第二篇：过程控制系统实训

                           

过程控制系统实训

实训题目：  液位流量串级控制系统 

            实训班级：    1220391         

            小组成员：    任文华  28    

                          张琮斌  29    

                          杨宇飞  09    

                          黄李全  43    

                          张  野  39    

            指导老师：    李  莎            

            实训日期：  20##年7月1日   

液位流量串级控制系统(计算机控制)

一、实训要求

通过组态王软件，结合实验室已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用PID控制规律，设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位流量串级控制系统。具体要求如下：

1、根据液位流量串级控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。

2、根据液位流量串级控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。

3、根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。

4、运用组态软件，正确设计液位流量串级控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。

5、得出控制系统的控制历史曲线图，并进行分析处理。

二、实训目的

通过实训加深了解串级控制系统的基本概念、串级控制系统的结构组成。掌握串级控制系统的参数整定。

三、方案的确定

此次实验共有3种方案供选择:

1.使用牛顿模块

2.构建集散控制系统DCS

3.通过PLC实现

下面对3种方案进行了介绍分析:

牛顿模块具有组态简单、采集的信号稳定、抗干扰能力强、编程容易等众多优点，每一单一的牛顿模块都是地址可编程的，它使用 01 - FF 两位地址代码，因此，一条RS485总线上可以同时使用255个牛顿模块，如果RS485总线上挂接的都是ND-7017的话，意味着整个系统可以完成 255 x 8 = 2040路模拟信号的采集。当然牛顿模块不仅仅是模数转模块，还有数字IO模块、DO输出模块、测频计数模块。

集散控制系统的组态内容有系统组态、画面组态和控制组态。系统组态完成组成系统的各设备间的硬件连接，使用软件方式描述集散控制系统的硬件构成。画面组态完成操作站的各种操作画面、画面之间的连接等。控制组态完成各分散过程控制装置和控制器的控制结构连接、参数设置等。趋势显示、历史数据压缩、数据报表打印及画面拷贝等组态内容常作为画面组态或控制组态的一部分，也可分开单独进行组态。

PLC的工作过程分为三个阶段：输入处理、程序执行及输出处理。其中的编程部分比较复杂，较难实现，但是一旦编好程序，就较为容易实现。

    相比之下，DCS此方案较为复杂，PLC还需编程。通过比较3种方案的难易程度，我们选择用牛顿模块实现。

四、实训设备

1、硬件设备简介

（1）水箱 

上(中)位水箱和下位水箱采用8毫米厚进口淡蓝色有机玻璃。实训中对水位的观测直观明了。独特的三槽结构，有效克服水流的动量冲击，使液位控制更精确。同时上位水箱的液容可变，可以比较在不同的实验参数下不同的实验结果，加深对理论的理解。下位水箱可变为非线性水箱，以利于控制策略的研究。储水箱采用不锈钢制成，整个系统的管道采用铝塑管组成，所有的水阀采用铜质球阀，彻底避免了系统生锈的可能性，可有效提高实验装置的使用年限。

（2）液位(压力)传感器、变送器

液位传感器用来对上位水箱、下位水箱的液位以及水泵出口压力进行检测，采用工业用的DBYG型扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4～20mA标准信号输出。

（3）流量计 

流量传感器用来对电动调节阀的主流量和干扰回路的干扰流量进行检测。根据本实验装置的特点，采用工业用的电磁流量流量计，4～20mA 标准信号输出。避免了涡轮流量计非线性与死区大的致命缺点，确保实验效果能达到教学要求。

（4）电动调节阀 

电动调节阀是本实验装置的关键部件，用来对控制回路的流量进行调节。采用进口的电动调节阀，4～20mA控制信号输入。采用等百分比铜质优质阀，符合教学要求，具有性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长的优点。

（5）变频器 

三菱FR-S520变频器，4～20mA控制信号输入，可对流量或压力进行控制。

（6）水　泵 

采用进口水泵。噪音底，寿命长，减少使用烦恼。在水泵出口安装有压力变送器，可与变频器一起构成恒压供水系统。

2、控制操作台结构说明

1）操作台

操作台由实验水箱、储水箱、加温装置、温度变送器、液位变送器(压力变送器)、涡轮流量计、比例阀、直流水泵、智能仪表、远程数据模块等执行器件和控制器件，以及相关的电源、比例器等辅助模块。采用铁质双面亚光密纹喷塑结构，铝质喷塑面板。

在控制屏的左边是被控对象，包括上位水箱、中位水箱、下位水箱和压力圆筒，均采用透明的进口有机玻璃制作，便于实验中对水位的直接观察。水箱和压力圆筒安装在玻璃背板上，结构简洁，富有现代感。在控制屏的右边布置有控制系统，包括系统示意图、智能调节器、牛顿模块和实验配电，也可以换装计算机板卡、单片机控制模块和PLC控制系统。

实验系统的水槽、直流水泵、流量计以及计算机均布置在实验桌中，在实验桌的侧面安装放置计算机显示屏的搁板，整体结构紧凑，布置合理。实验桌与主控屏采用优质冷轧钢板加工而成，表面喷塑处理。实验桌面板采用防火板，底部安装可锁定的轮子，便于实验装置的移动和固定安放。

2）供水系统

直流水泵负责向系统供水，供水的回路中安装有比例调节阀和涡轮流量计，实现对系统流量的控制和测量。

3）实验水箱

实验水箱的结构参数充分考虑到实验效果，设置缓冲结构，避免水流对液位检测的冲击干扰。被控的水流进入三个在控制屏上依次放置的水箱，可完成液位的单回路和串级实验。在一个水箱中设置非线性单元，提供给非线性闭环控制实验用，在另一个水箱中增加了加热棒和温度传感器，可以进行温度单回路实验。压力圆筒上安装有压力变送器，通过对水泵转速的控制，调节压力圆筒内的压力，实现闭环控制。

3、远程数据采集模块

采用目前最新的牛顿8000系列远程数据采集模块和组态软件组成，完全模拟工业现场环境，先进性与实用性并举。有效地拉近了实验室与工业现场的距离。它体积小，安装方便，可靠性极高，D/A8024模块4路模拟输出，电流(4～20mA)电压(1～5V)信号均可，A/D8017模块8路模拟电压(1～5V)输入，485/232 转换8520模块，转换速度极高(300～115KHz)，232口可长距离传输。

软件功能：实验控制通过组态王工控组态软件编写上位控制软件运行算法，组态王采用了多线程、COM+组件等新技术，能实现多任务，运行稳定可靠。所有实验均包括组态王实时数据库组态、图形动画、报表、曲线、报警组态、设备通讯组态等。

5、其他设备

在控制系统回路中所涉及到的设备还用水泵、变频器、电磁阀、开关电源等。 噪音低，寿命长，扬程可达10米，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。 所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，关断能力强，使用方便，结构简单。

五、


实验流程图

图1 上水箱液位和流量串级控制实验流程图

六、实验系统框图及原理

       图2  计算机控制串级控制系统的框图（计算机控制）

七、实训步骤

1．按照实训要求接线。

2．接通总电源和各仪表电源。

3．将阀门V19、VV3、V6打开。

4．打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运                       行，进入串级实验界面。

5．点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。

6．PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。

7．投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。

8．再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察下水箱液位变化的曲线。

9．写出实训报告：按衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据

八、实训结果

   1.接线图

                               

图3 实验前接线图

                           

                               图4  现场接线图

      2、组态界面

 

图5 组态画面

 

3、历史曲线

 图6 设定值为50系统自动调节过程曲   

  

                   图7 系统自整定过程

                          

          

                         图8 待系统稳定降低设定值系统调节曲线

          

图9 智能仪表实验数据处理图

                      

图10 理想的实验结果

九、实训结果分析

此次实训结果，与之前用智能仪表做的串级实验，有一定的差别，原因在于这次将数据采集模块与上位机组态软件的结合起来测量系统的液位变化曲线，实验结果更加容易测量，方便记录。而之前的实验结果只是根据少部分数据绘制的，不能真实地反映系统的调节过程。

这次实验结果，与理想控制实验结果图10相比，比较接近，较好的观察到了串级系统整个过程对液位的调节，最终使其稳定在设定值附近。

十、实训中的问题总结

1、试验时可以通过组态软件和阀门开关控制阀门，如果只通过软件控制，就会造成无法准确测量的情况，试验中适宜采用手动控制。

2、实验的组态软件的组态画面设计不好，与实验仪器不配套，致使有时通过组态画面控制阀的开关与实际不匹配，造成操作上的困难。

十一、实训中的收获

通过PID 参数的整定以及控制系统的无扰切换和可靠的跟踪技术，并在特殊情况或按操作人员的要求切手动的各方面要求。克服了给水系统内扰、外扰的影响，能够进行可靠准确的自动调节。通过水位给定值根据负荷的自动给定，使控制更合理更客观，自动化水平进一步提高。

学习也需要在实践中不断改进，不断完善。在学习的过程中遇到了很多困难，但在老师和同学们的帮助下，进步很大，同时也增长了见识，使我大开眼界，感谢老师和同学们在学习上给予的帮助。这次的实训我们错误了很多次，付出了更多时间和精力之后当然收获也更为丰富。这次实训对我们的能力要求有了进一步的提高，我们花更多的精力去查阅资料，了解更多的知识。通过这个控制系统的实训，我们对控制系统又有了更深的理解，尤其是对串级控制系统的认识了解的更多了。

相关推荐

专栏推荐