CN104889551A - 一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统及方法，可编程控制器PLC主机安装在切割机的气体控制台操作柜内部；其数字量输出端接等离子切割机气路中电磁阀；模拟量输入端接气体控制台的内部的气路中四路压力传感器；可编程控制器PLC从机安装在切割机的电源主控箱内部，其数字量输入端接切割机开机自检的各路传感器信号以及开机键和关机键；数字量输出端接切割机电源主控箱内的主接触器、引弧继电器、斩波器继电器和高频变压器继电器；模拟量输入端接切割机的引弧电路电流传感器和切割电路电流传感器；模拟量输出端接切割机电源主控箱内的斩波器。

Description

一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种精细等离子切割电源控制技术领域，尤其涉及一种等离子切割机的电流和气体压力流量控制系统及方法。

背景技术

随着数控切割机的技术进步及生产企业对切割加工效率和精度要求的提高，传统的空气等离子切割工艺越来越不能够满足客户的需求。而中国作为一个制造业大国，目前从事精细等离子切割电源研究和生产的企业几乎为零。国际上目前技术实力最强的为德国凯尔贝和美国海宝两家公司，其产品的主要特点就是对电流、气体配比、气体流量和气体压力进行了精确控制。

目前我国生产逆变式空气等离子切割电源的厂家很多，生产厂家规模较大的有林肯电气、凯尔达、梅塞尔、哈尔滨焊接切割成套设备有限公司、天焊厂、无锡华联焊接设备厂、广州烽火、中船总公司船舶工艺研究所、山大华天(奥太)等企业。所有等离子弧切割电源都处于第一阶段——普通等离子弧切割阶段。而且，等离子切割电源的可靠性还需要进一步提高。

切割电源控制系统是等离子切割的核心，研究等离子切割电源控制系统对提高等离子切割质量与效率有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种精细等离子切割电源控制系统，主要是针对目前等离子切割机存在的数字化程度低、控制精度不足、切割质量差等问题，通过采用数字化控制器提高控制精度和系统响应性能、结合工艺要求对切割电流进行动态实时跟踪调节，并建立了等离子切割工艺专家数据库，以适应市场要求，本发明具体设计了一种精细等离子切割电源控制系统。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统，包括相互通讯的可编程控制器PLC主机和可编程控制器PLC从机：

可编程控制器PLC主机安装在切割机的气体控制台操作柜内部；其数字量输出端接等离子切割机气路中电磁阀；模拟量输入端接气体控制台的内部的气路中四路压力传感器，

可编程控制器PLC从机安装在切割机的电源主控箱内部，其数字量输入端接切割机开机自检的各路传感器信号；数字量输出端接切割机电源主控箱内的主接触器、引弧继电器、高频变压器继电器、斩波器继电器；模拟量输入端接切割机的引弧电路电流传感器和切割电路电流传感器；模拟量输出端接切割机电源主控箱内的斩波器。

所述的可编程控制器PLC主机还与人机界面触摸屏相连，其安装在气体控制台操作柜面板表面。

所述人机界面触摸屏与可编程控制器PLC主机通过RS485接口通讯连接，同时人机界面触摸屏监控等离子切割机的工作状态，实现切割工艺参数设定、选择和显示功能，建立等离子切割工艺专家数据库，实现对不同板材的切割。

所述可编程制器PLC主、从机通过RS485接口通讯连接。

所述可编程制器PLC从机通过RS485接口与切割机的数控系统通讯。

本发明的控制过程如下：

切割机开机后预先通冷却液进行冷却，开机自检的各路传感器信号将检测到的设备初始状态信号反馈给可编程控制器PLC从机，所述PLC从机再通过RS485通讯将结果传给可编程控制器PLC主机，切割机开机自检通过之后，打开气源，然后可编程控制器PLC主机控制相应电磁阀进行气路自检，气路自检通过后操作者在触摸屏上选择切割工艺，然后所述的PLC主机和PLC从机从触摸屏中下载选择的工艺参数到相应的存储区，选择完工艺后在触摸屏上先后选择预流和切割流压力调节，PLC主机根据选择的工艺打开相应的预流和切割流电磁阀，在压力传感器检测通过后，在数控系统启动，PLC主机控制电磁阀打开相应预流回路，PLC从机将从触摸屏中下载的预设引导弧电流通过模拟量输出给到斩波器，主接触器吸合，斩波器继电器吸合，引弧继电器，高频变压器继电器吸合，PLC主机通过模拟量输入接受来自电流传感器的电流信号检测引导弧电流，通过后立即关闭高频变压器继电器，然后控制器PLC从机再通过在切割回路中的电流传感器反馈的切割电流信号检测转移电流，形成主弧后关闭引弧继电器，并发运动信号到切割机的数控系统并将切割电流值给到斩波器，并关闭预流电磁阀，打开相应的切割流电磁阀，切割机开始运动进行切割，切割结束后控制器PLC从机通过缓降的电流给定到斩波器对切割电流进行缓降每次降低20％，电流切断后气路延时自动断气，最后自动断冷却液，以保护电极和割炬，延长使用寿命。

所述的气路自检包括气源自检，其检测气源是否打开或者是否气源种类是够正确。

所述的气路自检包括泄露自检，其对整个气路的密闭性进行检测，排除故障。

所述的气路自检包括堵塞自检，其排除电磁阀故障和气路堵塞故障。

所述的气路自检包括气源流量自检，其检测气源流量和压力是否达到工作要求。

本发明的有益效果是：

针对目前等离子切割机存在的数字化程度低、控制精度不足、切割质量差等问题，建立了精细等离子切割机的电流和气体控制系统，该系统通过采用两个可编程控制器PLC之间的相互配合,提高控制精度和系统响应性能，并结合工艺要求对切割电流进行动态实时跟踪调节对气体压力通过压力调节阀进行调节，提高等离子切割板材质量，以适应市场要求。

附图说明

图1为本发明硬件系统结构示意图。

图2为本发明控制系统的主程序框图。

图3为本发明气源自检程序流程图。

图4为本发明气体泄漏自检程序流程图。

图5为本发明出口阀是否堵塞自检程序流程图。

图6为本发明气源流量自检程序流程图。

图7为本发明预流压力自检程序流程图。

图8为本发明设定斩波器电流程序流程图。

图9为本发明切割流压力自检程序流程图。

图10为本发明停机程序流程图。

其中，1人机界面触摸屏，2电磁阀，3可编程控制器PLC主机，4模拟量输入，5压力传感器，6数控系统，7主接触器，8引弧继电器，9高频变压器继电器，10斩波器继电器，11可编程控制器PLC从机，12开机键，13停机键，14电流传感器，15模拟量输入，16模拟量输出，17斩波器，18自检传感器。

具体实施方式

下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统，包括人机界面触摸屏1，电磁阀2，可编程控制器PLC主机3，模拟量输入4，压力传感器5，数控系统6，主接触器7，引弧继电器8，高频变压器继电器9，斩波器继电器10，可编程控制器PLC从机11，开始12，停机13，电流传感器14，模拟量输入15，模拟量输出16，斩波器继电器17，自检传感器18。

所述可编程逻辑制器PLC主机3安装在气体控制台操作柜内部，可编程控制器PLC从机11安装在电源主控箱内部，选用的是OMRON CP1H，模块集成性高、体积小、CPU运行速度快、存储器宽裕、软元件范围丰富，自带模拟量输入输出模块，可插装扩展模块进行扩充输入、输出以及通讯。

可编程逻辑制器PLC主机3,其数字量输出端接等离子切割机气路中电磁阀2；模拟量输入端接气体控制台的内部的气路中四路压力传感器5。

可编程控制器PLC从机11安装在切割机的电源主控箱内部，其数字量输入端接切割机开机自检的自检传感器18和开机键12、停机键13；数字量输出端接切割机电源主控箱内的主接触器6、引弧继电器8、高频变压器继电器9和斩波器继电器10；模拟量输入端接切割机的引弧电路电流传感器和切割电路电流传感器；模拟量输出端接切割机电源主控箱内的斩波器；且所述可编程制器PLC从机11通过RS485接口与切割机的数控系统通讯。

所述人机界面触摸屏1，安装气体控制台操作柜面板表面，与可编程控制器PLC主机3通讯连接，其中，触摸屏与PLC的通讯方式为：接口类型RS485，通讯端口COM1；同时通过组态软件编程监控等离子切割机的工作状态，也可以由人机界面触摸屏1设置和下载工艺参数到可编程控制器PLC3。人机界面触摸屏1选用的是威伦通TK6070iP型嵌入式一体化触摸屏，通过EB8000编译人机界面。

模拟量输入输出模块4、15、16分别是可编程控制器PLC主机3、可编程控制器PLC从机11自带的模块。

压力传感器5安装在气体控制柜内部气路中。

斩波器继电器10，高频变压器继电器9，引弧继电器8，主接触器7均安装在电源主控箱内。

自检传感器18安装在需要开机初始状态自检的设备中。

整个控制系统的整体控制过程如下：

整个控制系统的运作时通过PLC接受传感器传来的待测数据信息，进行分析后，把得到的运算结果传给执行机构，进而控制相应的设备部件动作，完成自动控制功能；

上电自检控制系统主要是切割机上电开机对切割机的初始状态进行检测，包括变压器温度自检、冷却液流量自检、斩波器温度自检、低压自检和冷却液位自检，只有这些状态同时满足条件才能继续执行；

设备自检控制系统主要是针对气体控制台内部电路及整个切割系统的气路检测，包括四步：气源自检，检测气源是否打开或者是否气源种类是否正确；泄露自检，对整个气路的密闭性进行检测，可以排除插头不紧、管路爆裂漏气等故障；堵塞自检，排除电磁阀故障和气路堵塞等故障；气源流量自检，检测气源流量和压力是否达到工作要求。

压力设定控制系统，包括预流压力调节和切割流调节，压力设定控制系统根据从触摸屏下载的切割气体工艺参数通过压力调节阀手动调节切割气体压力。

启动控制切割控制系统，包括起弧控制、切割电流控制和切割气体控制三部分。起弧控制实现等离子切割机的引弧、起弧逻辑动作为机床切割动作做准备；切割电流控制，主要是引导弧电流和切割电流的给定、跟踪和反馈调节过程；切割气体的控制，程序通过压力传感器检测气体压力是否在切割工艺范围之内。

停机控制，为了保护电极和割炬，延长使用寿命，在停机过程中主要涉及到电流和气体的关闭顺序。切割完毕停机系统自动断电，气路延时自动断气，最后自动断水，其中切断电流时需要让电流缓降，这样可以保护电极。

具体工作过程如下：

开机后预先通冷却液进行冷却，自检传感器18将检测到的设备初始状态信号反馈给可编程控制器PLC从机11，可编程控制器PLC从机11再通过RS485通讯将结果传给PLC主机3，通过设备自检之后，打开气源，然后控制器PLC3(主机)控制相应电磁阀2进行气路自检，包括气源自检、泄露自检、堵塞自检和压力自检，气路自检通过后操作者在触摸屏1上选择切割工艺，然后可编程控制器PLC主机3和可编程控制器PLC从机11从触摸屏中下载选择的工艺参数到相应的存储区，选择完工艺后在触摸屏1上先后选择预流和切割流压力调节，PLC主机3会根据选择的工艺打开相应的预流和切割流电磁阀2，在压力传感器5检测通过后，在数控系统6启动切割，PLC主机3控制电磁阀2打开相应预流回路，可编程控制器PLC从机11将从触摸屏1中下载的预设引导弧电流通过模拟量输出16给到斩波器17，主接触器7吸合，斩波器继电器10吸合，引弧继电器8，高频变压器继电器9吸合，可编程控制器PLC主机3通过模拟量输入4接受来自电流传感器14的电流信号检测引导弧电流，通过后立即关闭高频变压器继电器9，然后可编程控制器PLC从机11再通过在切割回路中的电流传感器14反馈的切割电流信号检测转移电流，形成主弧后关闭引弧继电器8，并发运动信号到数控系统6并将切割电流值给到斩波器，并关闭预流电磁阀，打开相应的切割流电磁阀，机床开始运动进行切割，切割结束后控制器PLC通过缓降的电流给定到斩波器对切割电流进行缓降每次降低20％，电流切断后气路延时自动断气，最后自动断冷却液，以保护电极和割炬，延长使用寿命。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种精细等离子切割机的电流和气体控制系统，包括相互通讯的可编程控制器PLC主机和可编程控制器PLC从机，其特征在于：

可编程控制器PLC主机安装在切割机的气体控制台操作柜内部；其数字量输出端接等离子切割机气路中电磁阀；模拟量输入端接气体控制台的内部的气路中四路压力传感器；

可编程控制器PLC从机安装在切割机的电源主控箱内部，其数字量输入端接切割机开机自检的各路传感器信号以及开机键和关机键；数字量输出端接切割机电源主控箱内的主接触器、引弧继电器、斩波器继电器和高频变压器继电器；模拟量输入端接切割机的引弧电路电流传感器和切割电路电流传感器；模拟量输出端接切割机电源主控箱内的斩波器。

2.如权利要求1所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统，其特征在于：

所述的可编程控制器PLC主机还与人机界面触摸屏相连，其安装在气体控制台操作柜面板表面。

3.如权利要求2所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统，其特征在于：所述人机界面触摸屏与可编程控制器PLC主机通过RS485接口通讯连接，同时人机界面触摸屏监控等离子切割机的工作状态，实现切割工艺参数设定、选择和显示功能，建立等离子切割工艺专家数据库，实现对不同板材的切割。

4.如权利要求2所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统，其特征在于：所述可编程制器PLC主、从机通过RS485接口通讯连接。

5.如权利要求2所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统，其特征在于：所述可编程制器PLC从机通过RS485接口与切割机的数控系统通讯。

6.如权利要求1所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统的控制方法，其特征在于：

切割机开机后预先通冷却液进行冷却，开机自检的各路传感器信号将检测到的设备初始状态信号反馈给可编程控制器PLC从机，所述PLC从机再通过RS485通讯将结果传给可编程控制器PLC主机，切割机开机自检通过之后，打开气源，然后可编程控制器PLC主机控制相应电磁阀进行气路自检，气路自检通过后操作者在触摸屏上选择切割工艺，然后所述的PLC主机和PLC从机从触摸屏中下载选择的工艺参数到相应的存储区，选择完工艺后在触摸屏上先后选择预流和切割流压力调节，所述PLC主机根据选择的工艺打开相应的预流和切割流电磁阀，在压力传感器检测通过后，在数控系统启动切割，所述PLC主机控制电磁阀打开相应预流回路，所述PLC从机将从触摸屏中下载的预设引导弧电流通过模拟量输出给到斩波器，主接触器吸合，斩波器继电器吸合，引弧继电器，高频变压器继电器吸合，所述PLC主机通过模拟量输入接受来自电流传感器的电流信号检测引导弧电流，通过后立即关闭高频变压器继电器，然后所述PLC从机再通过在切割回路中的电流传感器反馈的切割电流信号检测转移电流，形成主弧后关闭引弧继电器，并发运动信号到切割机的数控系统并将切割电流值给到斩波器，并关闭预流电磁阀，打开相应的切割流电磁阀，切割机开始运动进行切割，切割结束后所述PLC从机通过缓降的电流给定到斩波器对切割电流进行缓降每次降低20％，电流切断后气路延时自动断气，最后自动断冷却液，以保护电极和割炬，延长使用寿命。

7.如权利要求6所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统的控制方法，其特征在于：所述的气路自检包括气源自检，其检测气源是否打开或者是否气源种类是够正确。

8.如权利要求6所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统的控制方法，其特征在于：所述的气路自检包括泄露自检，其对整个气路的密闭性进行检测，排除故障。

9.如权利要求6所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统的控制方法，其特征在于：所述的气路自检包括堵塞自检，其排除电磁阀故障和气路堵塞故障。

10.如权利要求6所述的精细等离子切割机的电流和气体控制系统的控制方法，其特征在于：所述的气路自检包括气源流量自检，其检测气源流量和压力是否达到工作要求。