基于現(xiàn)場(chǎng)總線的埋弧焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：軋輥焊接設(shè)備是鋼廠生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是進(jìn)行焊件轉(zhuǎn)軸組合變位，焊槍溜板行走，焊槍絲極擺動(dòng)，焊絲運(yùn)送和焊接電源控制等。對(duì)軋輥焊接專用設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS），實(shí)現(xiàn)埋弧焊接工藝要求的各種功能，提高焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。

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關(guān)鍵詞：軋輥；埋弧焊接；可編程控制器；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；組合變位

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-191-03

Design of Bead Welding Control System Based on Field Bus

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XU Lumei

(Heilongjiang Institute of Technology，Harbin，150050，China)

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Abstract：The roll welder for a special purpose is critical equipment in the steel factory，and its major function is to control the roll′s combination change of position，the car of welder walking，the welding torch swing，to transport the weld wire and to control welding power，and so on.The roll welder control system for a special purpose is designed in this subject，the study is based on Field Bus Control System(FCS).The various functions of arc welding technology is covered up.The welding automation is realized，the welding quality is improved.

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Keywords：roll;bead welding;programmable logic controller;field bus control system;combination change of position

1 軋輥埋弧焊接控制概述

埋弧焊是一種重要的焊接方法，其優(yōu)點(diǎn)是焊接時(shí)將弧光埋起來，對(duì)人及環(huán)境的影響非常小。埋弧焊施焊有三個(gè)基本環(huán)節(jié)：在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠顆粒狀焊劑；導(dǎo)電嘴和焊件分別接通焊接電源兩極以產(chǎn)生焊接電弧；自動(dòng)送進(jìn)焊絲并移動(dòng)電弧和焊件實(shí)施焊接。埋弧焊自動(dòng)控制技術(shù)包括兩個(gè)方面：對(duì)自動(dòng)焊過程的順序控制，實(shí)現(xiàn)三個(gè)基本環(huán)節(jié)控制；對(duì)弧焊設(shè)備和焊接過程的自動(dòng)控制，包括弧焊機(jī)輸出特性的控制，焊接過程自動(dòng)跟蹤及焊接過程的自適應(yīng)控制等。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)間提供一個(gè)全數(shù)字化的、分散的、雙向的、多點(diǎn)的通信鏈接的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是全開放式的，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶^[1]。

智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、分散化代表著當(dāng)今自控技術(shù)發(fā)展的主流方向，而現(xiàn)場(chǎng)總線正是促使控制系統(tǒng)順應(yīng)這一發(fā)展方向的重要技術(shù)。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，也是現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的開發(fā)熱點(diǎn)之一。其突出特點(diǎn)在于克服了DCS 中通信由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)把集中與分散相結(jié)合的DCS 集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的信息傳輸，通信質(zhì)量和連線方式上都有較大突破。

軋輥焊接設(shè)備FCS廢除了DCS中采用的“操作站-控制站-現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”3層主從結(jié)構(gòu)的模式，把輸入/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場(chǎng)單元中去，任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障只影響本身而不會(huì)危及全局，這種徹底的分散型控制體系使系統(tǒng)更加可靠。軋輥焊接設(shè)備FCS可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給自動(dòng)化系統(tǒng)的施工帶來極大的方便，布線較DCS節(jié)省經(jīng)費(fèi)?；谝陨螰CS的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的自動(dòng)化控制。

3 軋輥焊接控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線選型

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是西門子公司開發(fā)制定的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是在國際上比較流行的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，他的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性強(qiáng)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線基于令牌協(xié)議與主從輪詢相結(jié)合的存取控制方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)。由于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的成熟性和開放性，以及實(shí)際應(yīng)用中的成本優(yōu)勢(shì)，軋輥焊接設(shè)備控制系統(tǒng)中采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組成

PROFIBUS-DP的特點(diǎn)更適用于單臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的組網(wǎng)，設(shè)計(jì)中采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來進(jìn)行組網(wǎng)。軋輥焊接設(shè)備主站和從站均選擇PLC，PROFIBUS-DP用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O的通信，特別適合于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信。PROFIBUS-DP掃描1 000個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間少于1 ms，支持96 k~12 M的通信速率和中繼器的擴(kuò)展功能。軋輥焊接設(shè)備FCS網(wǎng)絡(luò)采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)屏蔽雙絞線。PROFIBUS-DP是制造業(yè)自動(dòng)化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是一種高速低成本通信方案，能夠滿足在長軋輥焊接過程中要求的快速性和實(shí)時(shí)性。

軋輥焊接設(shè)備FCS配置相當(dāng)靈活，組網(wǎng)形式多種多樣。軋輥焊接設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)如圖1所示。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)主要由帶PROFIBUS通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP主站和DP從站等。本系統(tǒng)為多主多從、單生產(chǎn)廠商設(shè)備的DP混合系統(tǒng)。FCS包括2個(gè)主站和2個(gè)從站。一類主站主要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制從站，二類主站進(jìn)行監(jiān)視，從站主要進(jìn)行焊接運(yùn)動(dòng)控制。從站為外圍設(shè)備，沒有總線控制權(quán)，僅當(dāng)接受到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向他發(fā)送信息。

應(yīng)用西門子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現(xiàn)場(chǎng)控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通信協(xié)議為PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。CPU315-2DP PLC作一類主站，觸摸屏TP170作為二類主站，CPU224XP是從站。EM277可作為CPU224XP接入PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專用模塊^[2]。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間的通信為主從方式。圖中兩部分從站系統(tǒng)組成相同，能夠?qū)崿F(xiàn)分別加工2根短軋輥和共同加工1根長軋輥。

4 軋輥焊接控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在主-從系統(tǒng)中，主站與從站采用主-從程序?qū)崿F(xiàn)通信。主-從系統(tǒng)允許主站當(dāng)前有權(quán)發(fā)送、存取指定給他的從站設(shè)備，這些從站是被動(dòng)節(jié)點(diǎn)，主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。S7-300 PLC程序主要進(jìn)行組織、監(jiān)視和協(xié)調(diào)等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中斷程序和各種功能子程序，主要進(jìn)行具體的運(yùn)動(dòng)控制、通信等操作。

4.1 一類主站CPU315-2DP軟件設(shè)計(jì)

S7-300 PLC程序包括系統(tǒng)組態(tài)，數(shù)據(jù)計(jì)算與處理程序，上位機(jī)與下位機(jī)通信程序等。對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)是建立現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，把網(wǎng)絡(luò)中所有的硬件通過這一環(huán)節(jié)聯(lián)成有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。此過程不是簡(jiǎn)單的線路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實(shí)現(xiàn)硬件組態(tài)功能和控制軟件編輯功能。

CPU315-2DP控制程序主要是進(jìn)行監(jiān)視從站工作狀態(tài)和長軋輥焊接時(shí)進(jìn)行兩臺(tái)CPU224XP的協(xié)調(diào)控制。焊接長軋輥時(shí)兩臺(tái)從站CPU224XP協(xié)調(diào)控制在此處是個(gè)難點(diǎn)，首先要由CPU315-2DP向兩臺(tái)CPU224XP從站發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線即可實(shí)現(xiàn)，通信協(xié)議是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。然后設(shè)置好兩臺(tái)CPU224XP的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，這樣在焊接長軋輥時(shí)利用兩臺(tái)從機(jī)的時(shí)鐘，按一定時(shí)序進(jìn)行加工，可保證焊接正常有序進(jìn)行。

4.2 二類主站TP170A軟件設(shè)計(jì)

TP170A的組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool，通過其進(jìn)行參數(shù)選擇與設(shè)置，設(shè)計(jì)焊接操作界面，最后將程序塊存入CPU315-2DP存儲(chǔ)器中。操作界面可進(jìn)行焊接方式選擇和焊接參數(shù)設(shè)置等操作。操作界面功能選擇頁如圖2所示。

4.3 從站CPU224XP軟件設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)軟件一般采用模塊化程序設(shè)計(jì)，整個(gè)程序由若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊組成。PLC強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功能指令使復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算變得容易實(shí)現(xiàn)。S7-200PLC控制程序從結(jié)構(gòu)上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數(shù)的初始化等操作;功能子程序包括焊機(jī)組合變位控制子程序、機(jī)頭行走子程序、送絲控制子程序、絲極擺動(dòng)控制子程序、電流控制子程序、雙機(jī)長軋輥加工子程序、手動(dòng)操作臺(tái)信號(hào)處理子程序等。實(shí)際控制時(shí)要求這些程序控制的動(dòng)作協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不單純依靠主程序或某一子程序控制^[3]。

加工長軋輥時(shí)兩臺(tái)從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發(fā)出的時(shí)鐘信息，然后設(shè)置好實(shí)時(shí)時(shí)鐘。接下來通過比較判斷兩臺(tái)從站時(shí)鐘是否一致，如不一致，向CPU315-2DP發(fā)出錯(cuò)信息，CPU315-2DP重新發(fā)送時(shí)鐘信息。這樣在焊接長軋輥時(shí)利用兩臺(tái)從機(jī)的時(shí)鐘，按一定時(shí)序進(jìn)行加工，可保證焊接正常有序進(jìn)行。雙機(jī)焊接長軋輥?zhàn)映绦蚩刂屏鞒虉D如圖3所示。

5 結(jié) 語

軋輥埋弧焊接專用設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用基于PLC的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的軋輥埋弧焊接控制系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監(jiān)視、控制等操作變得更加容易，有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)\\[M\\].北京:人民郵電出版社，2004.

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［2］SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)\\[Z\\].2006.

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［3］王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)\\[M\\].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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［4］陳國瑞，喬春.基于Profibus總線的壓裂機(jī)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(3):14-16.

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作者簡(jiǎn)介 徐鹿眉 1975年出生，黑龍江省克山人，講師，主要從事PLC、電機(jī)控制方面教學(xué)與研究工作。