目前家用空調熱交換器生產中銅管釬焊所使用的燃氣焊接機主要采用氣體浮子流量計控制火焰強弱，操作復雜且火焰穩定性差。現根據實際生產需求提出了采用三菱 FX3U 系列PLC結合在線式氣體質量流量計的新型控制系統，重點闡述了整個系統的工藝要求、硬件及軟件設計過程。

0 引言

燃氣自動焊接機在家用空調熱交換器的生產線中使用廣泛，主要用于將處理過后的U型銅管彎頭焊接到經過脹管過后的發夾管上。針對以往燃氣焊接機操作復雜、安全性差、生產效率低的問題，本文提出了新型控制方案，采用了三菱***新推出的FX3U系列PLC，配合在線式氣體質量流量計，并在設備內設置多種傳感器用于監控設備的運行狀態，提高了該設備的自動化程度，使生產工藝的實現變得更簡單、更可靠。

1 .設備的控制要求

該設備主要適用于熱交換器的連續焊接工況，工件被放到傳送帶上后，首先是往銅管中充入氮氣防止在焊接過程中銅管的內部發生氧化現象，然后工件會先后進入預熱區、焊接區、保溫區，用燃燒的混合氣體（天然氣和氧氣）將U型銅管彎頭上的焊環熔化，使U型銅管彎頭與發夾管融為一體，***后經過壓縮空氣冷卻后完成***終的焊接工作。

具體的控制要求如下：

（1）傳送帶可以自由啟停，根據不同的熱交換器種類自動調整運行速度。

（2）可識別有無工件，自動點火、滅火，自動調節火焰強弱，要求正常運行時火焰穩定。

（3）天然氣及氧氣的流量能夠自動調節，天然氣和氧氣可在安全范圍內自動/手動調節混合比。能夠自動進行燃氣和氧氣使用量的計算并顯示到觸摸屏界面上。

（4）可以對設備運行中的各種報警點進行監控，當有報警發生時能夠自動采取保護措施，具有聲光報警功能。

（5）冷卻循環水的控制，自動開啟和關閉，在任何一端冷卻水堵塞或欠壓，均有停機保護功能，并有故障提示。

（6）防氧化助焊劑的控制，自動開啟和關閉，能夠在滅火時自動清理助焊劑管路。

2 控制系統的硬件系統組成

結合實際工藝要求，采用三菱公司***新推出的FX3U系列PLC完成基本控制，傳送帶的速度控制采用三菱公司的A700變頻器，變頻器與PLC之間采用RS485協議進行通訊，人機界面采用三菱GT2000系列觸摸屏，與PLC之間采用以太網協議進行通訊，燃氣及氧氣流量的控制采用在線式氣體質量流量計，與PLC之間采用標準模擬量信號4～20mA進行通訊。具體的硬件系統構成如圖1所示。

圖1 燃氣焊接機電控系統硬件組成框圖

2.1 PLC基本單元

FX3U系列PLC是三菱第三代微型可編程邏輯控制器，內置高達64K的大容量RAM存儲器，***大384點的輸入/輸出點數，基本指令的處理速度可以達到0.065μs，PLC的左側可以連接支持各種通信功能的功能擴展板以及特殊適配器、特殊功能模塊，完全能夠滿足燃氣焊接機的工藝控制要求。

2.2 氣體質量流量計

氣體在線式質量流量計的***大特點是精度高、響應時間短（小于500ms），主要結構包含了流量傳感器、控制器和調節閥，其中控制器可將氣體的質量流量保持恒定或跟蹤一條設定值曲線而不受干擾因素（如壓力或溫度變化）的影響。傳感器采用熱原理（恒溫風速計），在主管道中進行測量，因而直接測得質量流量而不必通過任何校正。在數字流量控制器中，將測量值與設定值進行比較，并將比較后的差值輸出給比例電磁閥作為控制信號。具體工作原理如圖2所示。

圖2 氣體質量流量計測量原理

在線式氣體質量流量計的傳感器為熱膜式風速計，內部結構是5個電阻，其中2個電阻位于實際介質中，另外3個電阻位于流體通道之外，這些電阻連接形成一個電橋，介質中的一個電阻（RT）測量介質溫度，另一個低阻值電阻（RS）始終被加熱到保持在高于介質溫度的一個恒定給定溫度，加熱RS所需要的電流是衡量氣體熱消耗的標準，即代表了主要的被測變量。該流量計采用高質量的流量標準進行標定，確保了獲得高精度的每單位時間內流過的氣體質量，這樣便能滿足對天然氣以及氧氣流量的測量及控制。

2.3 高精度模擬量轉換模塊

本系統使用了3個模擬量輸入模塊FX3U－4AD和4個模擬量輸出模塊FX3U－4DA。FX3U－4AD模塊的各通道中，***多可存儲1700次A/D轉換值的歷史記錄，該功能對燃氣焊接機來說是非常重要的，因為如果燃氣和氧氣的混合比出現異常，便會發生回火現象，該現象在生產實踐過程中危害較大，通過對歷史記錄的存儲，就可以為維修人員提供可靠的歷史依據，用于判斷出現回火時的故障原因。FX3U－4DA模塊的電流輸出分辨率可以達到0.63μA（20mA/32000），為質量流量計的控制提供了不可或缺的保障。另外，該模塊還具有斷線檢測功能，這一功能對燃氣焊接機的控制也是至關重要的，如果模塊與質量流量計間的接線出現斷線，模塊會自動報警并進入滅火流程，這樣做的目的在于防止因為通訊線路損壞導致的燃氣管路回火，提高了系統的安全性及可靠性。

2.4 PLC與變頻器間的通訊

本系統中采用了RS485通訊協議，只需要在PLC左側擴展一塊RS485通訊板卡，便可在觸摸屏上自由的對速度進行設定，并且可以實時監測到變頻器的運行狀態及故障報警信息。

2.5 PLC與觸摸屏間的通訊

因考慮到與用戶方的IMES系統進行連接，所以在PLC的左側擴展了FX3U－ENET－ADP以太網適配器，使用該適配器與觸摸屏進行通訊相比于傳統的PLC自帶RS422接口與觸摸屏連接，通訊速率更快、穩定性更高、可擴展性更好。

3 控制系統的軟件設計

3.1 PLC控制程序設計

FX3U系列PLC提供了豐富的控制指令，根據該系統控制工藝的要求，采用了主程序與子程序相互調用的編程方式，其主要程序結構如圖3所示。其中PLC對變頻器及模擬量模塊間的控制均有專用指令，大大提高了程序編制的效率。

圖3 控制程序框圖

3.2 觸摸屏組態

三菱GT2310觸摸屏作為該設備的上位機，PLC作為下位機，使用以太網協議進行通訊。觸摸屏作為上位機可以與PLC進行快速的數據交換，可以清楚顯示出設備的運行狀態、報警信息，并完成簡便的參數設置，能夠有效提高生產效率。該系統中的主要畫面如下：

（1）初始畫面如圖4所示，可以通過該界面進入火焰控制界面、參數設置界面、位置控制界面、手動維護界面、報警記錄界面。

圖4 初始畫面

（2）主操作界面如圖5所示，該界面可以實時顯示各回路中流量的實際值以及燃氣管路、氧氣管路、氮氣管路的實時壓力，用以監測氣路系統的工作是否處于正常狀態，同時也可以在該界面對各回路的流量值進行設置；另外還可以通過該界面監控PLC控制程序的工作是否正常。

圖5 主操作界面

4 結語

PLC及氣體質量流量計的完美配合使得該系統克服了以往焊接機的諸多缺陷，且該控制系統已經實際投入使用一年的時間，達到了***初的設計要求，工作穩定，故障率低，維護和使用都很方便，做到了一鍵式的操作，深受用戶的好評。