基于PLC的蓄电池极群铸焊机控制系统的设计

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COS（Cast On Strap）铸焊[1～2]。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[3]。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PLC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COS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500℃[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1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、16个磁性开关、8个二位五通电磁换向阀、16个单向节流阀组成。铸焊机工作时气源压力为0.6Mpa，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PLC输入端，由PLC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 PLC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机构的动作可知，有16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22个开关量输入信号。PLC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11个开关量输出信号。此外，PLC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FX2N-64MR可编程控制器，并配备FX2N-2AD与FX2N-2DA模拟量输入和输出模块。铸焊机PLC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PLC的接线图如图3所示。

图2 铸焊机气动回路

表1 PLC I/O分配表

图3 PLC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500℃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6KW，并通过三相调压器来实现铅液的恒温控制。采用了TSR-80DA-W三相调压器，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，有输入4mA～20mA、 1V～5V和0～10V的接口。因此采用DA模块FX2N-2DA，把PLC输出的数字量转变为模拟量来控制三相调压器，采用4mA～20mA电流控制。铅炉加热电路如图4所示。

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500℃的铅液温度，选用了K型热电偶作为温度传感器，其测温范围为0～1000℃。但是来自温度传感器的信号不能直接输入PLC，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KY-K-E-A420-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（4mA～20mA）输出给模拟量输入模块FX2N-2AD，再由FX2N-2AD将代表铅液温度的模拟量信号输入给PLC。如图5所示为温度检测电路。

图5 温度检测电路

4 PLC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PLC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FX2N系列PLC的STL指令编写。STL指令也称步进转移指令，专门用于顺序控制程序的编写[5]。铸焊机的具体工作流程如图6所示。

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PLC的MOV指令，将500℃对应的数字量写入到PLC的数据寄存器D100中。PLC基本单元与模拟量输入模块FX2N-2AD之间的数据通信是由FROM指令和TO指令来执行的。FROM指令是将特殊功能模块内的缓存寄存器的数据读入PLC，TO指令是将PLC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BFM进行的。采样到铅炉温度后经FX2N-2AD转换成数字值写入到PLC数据寄存器D200中。具体程序如图7所示。

图7 铅炉温度设定和检测程序

4.3 铸焊机加热程序的设计

铅炉的加热是通过DA转换，将PLC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PLC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BFM中，同样也采用TO指令来实现。具体程序如图8所示。

图8 铸焊机加热程序

5 结论

基于PLC控制的蓄电池极群铸焊机通过PLC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℃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。