基于現場總線技術的變極性等離子弧焊接控制系統

盧振洋，閆霍彤，陳樹君，張 軍，梁 帥

(北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124)

基于現場總線技術的變極性等離子弧焊接控制系統

盧振洋，閆霍彤，陳樹君，張 軍，梁 帥

(北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124)

以嵌入式PC和德國倍福E-bus模塊組成硬件平臺，構建了一套基于現場總線的變極性等離子弧自動化焊接控制系統。利用EtherCAT協議構建系統的運動控制平臺，建立空間笛卡兒三維坐標系，采用G代碼命令編程，實現對于焊接空間軌跡的示教功能，同時利用DeviceNet協議構建系統的焊接工藝控制平臺，建立變極性等離子焊接電源、等離子氣流量控制器、脈沖送絲機、焊矩高度控制器之間的現成總線通信網絡。基于TwinCAT軟件平臺，設計出焊接過程控制人機交互界面，對焊接速度、焊接電流、離子氣流量、送絲速度等焊接參數進行實時控制與監測，并且控制五個運動軸的同時聯動形成空間曲線焊縫的焊接軌跡并監測五個運動軸的運行狀態，完成等離子穿孔焊接的起弧穿孔、穩定焊接和熄弧填孔的焊接過程。

變極性等離子弧焊；現場總線；EtherCAT；DeviceNet；空間曲線焊縫

0 前言

變極性等離子弧焊VPPAW(Variable Polarity Plasma Arc Welding)具有熱輸入能量集中、焊縫深寬比大、焊接效率高、焊后變形小等特點。但由于VPPAW工藝影響因素多，對焊接過程中的電流變化、離子氣流量以及焊槍的動作控制等都需要進行精確地實時調整，特別是穿孔型等離子立焊工藝，必須保持匙孔的穩定。而焊接過程的匙孔穩定是焊接電弧的能量輸入、電弧力狀態以及熔池流動等條件交互作用的一個準穩態過程，這就對焊接過程控制器的性能和精度提出了更高的要求[1]。

國內焊接專機廠家的焊接自動化控制系統一般采用基于PLC的集中控制系統，難以實現復雜的焊接過程控制，如焊槍姿態、焊接工件運動、焊接工藝參數的實時調整和相互配合。并且，基于PLC的集中控制系統不可避免的存在大量的硬接線，導致自動焊接系統維護復雜，焊接能力局限性大，同時升級困難，可靠性也受到影響。

為解決這一問題，國外的自動化焊接廠家在分布式焊接自動控制系統和焊接自動生產線方面做了較多的研究，目前很多國外廠家都推出了基于工業PC的自動焊接控制系統。美國的Jetline自動化公司和AMET公司相繼推出了基于嵌入式PC的焊接控制系統，采用新的控制理念和現場總線通信技術，采用模塊化設計，能適應更加復雜的現場并易于軟、硬件升級[2]。目前，國內的高校和研究機構也開始進行基于現場總線技術的焊接自動化控制系統的研究，在焊接現場電焊機群控、焊接過程監控等方面也獲得了初步應用[3-4]。

當前，現場總線技術發展迅速，很多廠家都獨立或聯合提出了各種不同的現場總線標準，如DeviceNet，ProfiBus、CAN等，但現場總線的多樣性和標準不統一使得現場總線技術難以得到更大面積的推廣應用，這在一定程度上阻礙了現場總線技術的發展[5]。以太網具有成本低、穩定和便捷等優點，已成為較受歡迎、發展很快的通信網絡。工業以太網正是在以太網技術基礎上融合了先進的分布式控制技術，使以太網進入工業控制領域并取得廣泛的應用[6]。EtherCAT、 Sercos III、Profinet、Powerlink、Ethernet／IP等協議都是在現有的以太網協議上進行相應修改而提出的，其中EtherCAT因其高性能、高靈活性、使用方便以及完全開放性而引人注目。該協議是德國Beckhoff公司開發的一種實時總線技術，從最高層管理層到最底層設備接口都能實現無縫信息連接，不但能解決智能設備間的實時數據交換及高效傳輸采樣數據，還能滿足基于PC機實時控制的技術要求[7]。北京工業大學在現場總線技術引入焊接設備控制方面做出了初步的嘗試[8]。

本研究以嵌入式PC和德國倍福E-bus模塊組成硬件平臺，構建了一套基于現場總線的變極性等離子弧自動化焊接控制系統，利用EtherCAT協議構建系統的運動控制平臺，利用DeviceNet協議構建系統的焊接工藝控制平臺。基于TwinCAT軟件平臺，設計開發出焊接過程控制人機交互界面，可以實時控制與監測自動化焊接過程的焊接工藝參數、焊槍姿態和焊接軌跡，完成等離子穿孔焊接的自動化控制。

1 系統組成

本系統采用主站+從站的分布式控制結構，在TwinCAT開發平臺上編寫焊接工藝控制程序，通過人機界面接口向主站發送控制命令或顯示主站接收的焊接或運動參數反饋。主站完成控制指令的打包、發送、接收等任務，協調處理相關參數，起總調控的作用。從站分為運動實時控制和焊接工藝實時控制兩部分，如圖1所示。

圖1 系統總體結構

系統核心以嵌入式PC為主站，采用以太網EtherCat建立運動控制平臺，采用現場總線DevicNet建立工藝控制平臺。在運動控制平臺上，建立空間笛卡兒三維坐標系，采用G代碼命令輸出，實現對于焊接空間軌跡的示教功能。在焊接工藝平臺上，與變極性等離子焊接電源進行DeviceNet現場總線通信，控制送絲機輸出，實現起弧、焊接和停弧功能。在此基礎上進行軟件編程，設計出良好的人機交互界面，實時監測焊接速度、焊接電流等焊接參數，并且控制五個軸的運行狀態。主站由嵌入式PC和液晶觸摸屏組成，除了EtherCAT主站接口外，還包括一臺DeviceNet主站接口模塊。五個EtherCAT從站接口模塊做為操作機、變位機的通信接口，三個DeviceNet從站接口作為送絲機、等離子電源(含離子氣控制)、弧高控制器的通信接口。

2 主站設計

2.1 主站硬件設計

主站由嵌入式PC(含有普通網卡)、EtherCAT主站、DeviceNet主站、系統電源模塊、獨立媒體模塊和調試模塊組成，硬件包括德國beckhoff產品CX1020系列、CX1100-0004、EK1110、CX1500等，組成結構如圖2所示。

圖2 主站硬件結構組成

CX1020為基本CPU模塊，還包含各種尺寸的主存儲器，標配為1GB的DDR RAM，電源由CX1100-0004模塊提供。控制器從64 MB CF卡起動。CX1020模塊上有兩個以太網RJ 45接口。這兩個接口與一個內部交換機相連，用戶可以在不使用額外以太網交換機的情況下創建線型拓撲結構。操作系統采用嵌入版Windows XP。TwinCAT自動化軟件將CX1020系統轉化為功能強大的PLC和運動控制系統，在TwinCAT開發平臺下可以進行人機界面可視化操作。同時CX1020也可以通過TwinCAT NC I完成帶插補的軸運動。CX1020、EtherCAT和TwinCAT的組合能夠使系統的周期和響應時間小于1 μ s[9]。

CX1020模塊具有較多的系統接口和現場總線接口，可以與CX1500-M520 DeviceNet現場總線模塊配套使用。CX1500-M520為DevicNet主站，其數據傳輸率可以選擇125 kBand，250 kBand，500 kBand，最多能夠連接63個從站DeviceNet，支持DeviceNet I／O模式：輪詢、狀態改變、循環、選通，非連接信息管理、離線連接設置、自動設備更換。在此選用125kBand速率，采用輪詢方式，傳輸內容分為下行數據和上行數據，具體數據長度可根據需要自動設定。

擴展模塊EK1110作為EtherCAT控制主站連接在E-Bus總線上。該模塊可以將以太網電纜與RJ 45接頭相連，電纜束的電氣隔離長度增加最多達到100m。在EK1110模塊中，E-bus信號被“飛速”轉換為100BASE-TX以太網信號，利用EtherCAT構成的100個伺服軸的現場總線控制系統，控制周期僅為100 μ s，對于分布式電機控制精度優勢明顯。本研究采用EtherCAT通信協議進行變位機和操作機的運動控制和狀態反饋。

2.2 主站軟件設計

主站功能的確定是整個焊接控制系統的關鍵。基于目前流行的焊接裝備的功能需求，如焊接電源、送絲機、焊炬高度控制器等工藝參數的精確預置和實時顯示，操作機和變位機聯合運動的焊接軌跡的示教編程與實時調整，都需要由主站來完成。采用TwinCAT軟件，設計出科學合理的人機交互界面，實現數據交流接口，控制和檢測焊接工藝和焊接運動。本界面分為焊接工藝界面和運動控制界面，TwinCAT軟件設計功能如圖3所示，焊接主界面如圖4所示。

在焊接主頁面可以實時監測和控制焊接電流、焊接速度、離子氣流量三個工藝參數，并設置起維弧、起主弧、收弧按鍵和指示燈，在最右側設置冷卻水、離子氣、保護氣、焊接電源和各種物理故障指示燈；中間位置設置送絲起動按鈕、弧高控制起動按鈕；在界面還可以進入故障監測頁面，查看故障原因；同時還設置三坐標運動軸歸零按鈕。在上方設置焊接流程顯示曲線，可以隨機輸入焊接各個階段的時間和焊接長度。另外還有工藝保存、加載、設置等按鈕。

圖3 TwinCAT軟件設計功能

圖4 焊接主頁面

在主頁面右上角有進入焊接參數配置、運動參數配置頁面按鈕。操作人員可以在焊接參數配置頁面設置工藝的各種參數，包括焊接電源參數、選擇送絲參數和弧高控制參數。在運動參數配置頁面有能單獨控制X、Y、Z、U、V五軸電機的使能、復位、歸零、正／反轉按鈕，還可以設定手動控制各軸的速度，顯示各軸實際速度、位置、扭矩、零點顯示和故障報警顯示等。

程序由IEC編程語言中的多種語言編寫，在此采用ST、FBD、SFC等多種常用PLC語言。新建一個項目，成立一個程序組織單元(POU)，建立主程序MAIN。MAIN函數包括多個功能、功能塊和其他POU輔助程序，同時還使用了動作Action加以補充MAIN[9]。采用常用的隸屬函數數據包、相應的適用函數編寫和選擇策略，在此基礎上給出最佳控制規則的算法和運動控制代碼。焊接程序流程如圖5所示。

3 從站設計

3.1 從站硬件

系統從站硬件采用倍福BC5250、KL6021、若干KL1002和KL2012端子模塊，EL9010、AX5203伺服驅動器。焊接工藝硬件組成選用德國BECKHOFF公司的BC5250總線耦合器用于連接DeviceNet總線系統。KL6021是一種串行接口模塊，與焊接電源的單片機控制系統485接口相連，實時更改焊接工藝參數。KL2012執行焊接時序控制，主要進行維弧、主弧的起停、送絲機起停和弧高控制器的起停以及根據工藝需要設置上述起停信號間的順序和時間間隔。焊接工藝從站硬件組成如圖6所示。以焊接電源(包括485接口的參數調節和主維弧的開關信號)、脈沖送絲機和弧高控制器作為本系統的工藝參數終端控制對象。

3+2軸運動機構組成焊接運動控制的操作機和變位機，采用三組雙通道AX5203伺服放大器從控制器。AX5203伺服放大器是為EtherCAT實時以太網系統量身打造的伺服驅動器，它可以同時驅動兩個電機，兩個通道的最大總電流達12 A。AX5203具有許多特點，如直流母線技術和制動能源管理系統、多反饋接口、電機類型選擇靈活、可調節的寬電壓檢測范圍、高速捕捉輸入、診斷和參數顯示、可選的集成安全功能：重啟鎖，智能TwinSAFE安全功能等。系統電機采用德國海道夫系列電機，完全可以滿足焊接運動需要的負載能力。焊接運動從站硬件組成如圖7所示。

圖5 焊接流程框圖

3.2 從站軟件

系統確立了DeviceNet和RS485的通信協議和互換協議，結合焊接工藝編寫運動控制G代碼。總線耦合器連接現場總線和變極性等離子焊接電源，通過制定總線耦合器與變極性等離子焊接電源之間的傳輸格式協議，開發出總線耦合器的控制程序。互換協議的報文長度為16個字節，第一個字節為起始位，第二個字節為標志位，第三字節至第十四字節為有效數據，第十五、十六字節為校驗位。傳輸協議定義如表1所示。

圖6 焊接工藝從站硬件組成示意

信息傳遞過程是總線耦合器BC5250接到的DeviceNet現場總線上的信息，通過互換協議，采用串行數據模塊KL6021和焊接電源的單片機控制系統交換數據，進而控制焊接電源參數、送絲速度、弧高參數等。對于焊接軌跡運動控制，可以結合運動G代碼進行示教編程，在笛卡爾坐標系中實現對空間軌跡的準確控制，程序包含有直線插補命令、歸原點命令、圓弧插補命令等。

4 實驗調試

針對變極性等離子立焊自動化焊接的工藝需求，構建了一套空間曲線焊縫變極性等離子立焊自動化焊接試驗系統，如圖8所示。該系統主要由VPPA-300等離子焊接專用電源系統、脈沖送絲機、三維坐標式焊接操作機和二維翻轉旋轉變位機組成，其焊接過程控制系統是本研究開發的基于現場總線技術的變極性等離子弧焊接控制系統。

焊接電源參數的設置界面如圖9所示，可以在焊接波形示意圖上點擊離子氣和焊接電流的各個參數進行修改，并可存儲和調用焊接參數。焊接軌跡采用逐點示教、各點之間進行直線或圓弧插補而形成一條連續的焊接軌跡。

試驗結果表明，基于現場總線技術的VPPA焊接過程控制系統的五軸聯動運動控制平臺可以實現±0.5 mm的重復定位精度，并能根據焊接軌跡所處的不同位置，利用DevieNET總線通信實時調整焊接工藝參數，同時各個焊接工藝參數的實際值也都可以在焊接主界面上顯示出來，其焊接參數調整的實時性完全滿足穿孔等離子立焊過程中焊接參數調整的需求。

圖7 焊接運動從站硬件組成示意

表1 傳輸協議

圖8 空間曲線焊縫變極性等離子立焊自動化焊接系統

5 結論

以嵌入式PC和德國倍福E-bus模塊組成硬件平臺，成功構建了一套基于現場總線的變極性等離子弧自動化焊接控制系統，其中實時性要求高的運動控制平臺采用EtherCAT協議構建，抗干擾性要求高的焊接工藝控制平臺采用DeviceNet協議構建。

試驗結果表明，基于現場總線技術的VPPA焊接過程控制系統的五軸聯動運動控制平臺可以實現±0.5mm的重復定位精度，并能根據焊接軌跡所處的不同位置，利用DevieNET總線通信實時調整焊接工藝參數，其焊接參數調整的實時性完全滿足穿孔等離子立焊過程中焊接參數調整的需求。

圖9 焊接電源主界面參數配置

[1]韓永全，陳樹君，殷樹言.鋁合金變極性等離子焊接電弧產熱機理[J].焊接學報，2007，28(12)：35-37.

[2]蔣華雄，馮家星.精密數字控制四絲埋弧焊接系統[J].電焊機，2010，40(6)：21-26.

[3]陳樹君，張愛麗，張開亮，等.基于工業控制機的變極性TIG焊控制器[J].電焊機，2007，37(1)：1-5.

[4]陳樹君，閻紅亮.基于工控機的變極性等離子焊接過程信息檢測系統[C].第十一次全國焊接會議論文集(第2冊)，2005.

[5]陸 超.工業現場總線與以太網接口技術和通訊協議的研究[D].江蘇：江南大學，2006.

[6]姚 遠，易本順.基于10／100M網絡的嵌入式數據采集和控制系統設計[J].計算機應用，2004，24(S2)：287-288.

[7]Beckhoff G.EtherCAT：The Ethernet Fieldbus[Z].EtherCAT Technology Group，2006.

[8]潘冰心.基于現場總線技術的焊接電源網絡控制[D].北京：北京工業大學，2009.

[9]Beckhoff G.EtherCAT：New Automation Technology[Z].EtherCAT Technology Group，2009.

Contorl system of the variable polarity plasma arc welding based on fieldbus

LU Zheng-yang，YAN Huo-tong，CHEN Shu-jun，ZHANG Jun，LIANG Shuai
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

A control system of the variable polarity plasma arc welding(VPPAW)based on fieldbus is established，which is consisted with embedded PC and several EtherCAT bus(E-bus)modules.ErtherCAT protocol is made use of in the motion control subsystem，which upbuilds Descartes coordinate space and teaching programs using the G-code command for three-dimensional flexural track.DeviceNet protocol is made use of in the welding process control subsystem，which constitutes communication network，containing the variable polarity plasma arc welding power，the plasma gas flow controller，the pulse wire feeder and the torch-height controller etc.The human-machine interface bases on TwinCAT software package for setting and monitoring welding parameters，such as welding speed，welding current，plasma gas flow，filler wire speed，etc.Three-dimensional flexural weld path is formed with the five axis cooperation movement whose operational status can be monitored.Initially forming，steadily moving and finally filling keyhole of VPPAW is reliably demonstrated in the control system.

variable polarity plasma arc welding(VPPAW)；fieldbus；ErtherCAT；DeviceNet；three-dimensional flexural weld path

TG439.5

A

1001-2303(2011)10-0015-06

2011-04-13

國家重大科技專項資助項目(2011ZX04016-061)；北京市教委科技發展重點資助項目(KZ200910005003)

盧振洋(1957—)，男，北京人，教授，博士生導師，主要從事新型高效焊接工藝及設備、焊接設備的數字化控制的研究工作。