PLC通信技術在焊機網絡控制系統中的應用

汪義旺

（蘇州市職業大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104）

0 前言

隨著焊接工藝水平提高和焊機技術的發展，在很多場合需采用數臺焊機同時進行焊接作業，這就需要對多焊機進行網絡化控制。焊接生產網絡化已成為現代焊接技術的一個重要發展方向[1]。在焊機網絡化控制應用領域，已有采用有線通信或無線通信技術的控制系統[2-3]。低壓電力線載波PLC（Power Line Carrier）通信技術是以低壓配電線(380V/220V電力線)作為信息傳輸媒介進行數據或語音等傳輸的一種特殊通信方式[4]，其優勢在于不用進行通信線路的專線安裝，即插即用、方便快捷，同時也為產品的研發和量產節約了大量成本[5]，在網絡化控制系統領域獲得了大量的應用。將PLC通信技術引入到焊機的網絡化控制系統中，具有無需單獨布線、結構簡單靈活和組網成本低等優點，這對實現和推廣焊機的網絡化應用，提高焊機控制系統的自動化控制水平等都有著積極的現實意義。為此，提出了一種基于PLC技術焊機網絡控制系統，以實現對焊機的遠程實時在線監控。

1 系統結構和工作原理

基于PLC通信技術的焊機網絡控制系統系統結構方案如圖1所示，系統主要由遠程監控系統、PLC通信模塊單元和焊機設備控制終端組成。其中，遠程監控系統主要由工控機和監控平臺軟件組成，通過運行監控軟件可以實時監測聯網焊機的運行狀態參數，并通過交互界面對所監控的焊機進行參數設定、故障處理、事件記錄和數據日志查詢等功能。PLC通信模塊單元通過電力載波通信網絡采集各焊機設備控制終端（焊機電源）的焊接參數數據信息，處理后通過RS232/485通信上傳至遠程上位工控機，并接收遠程監控系統的指令信息，處理后進行路由轉發。焊機設備控制終端主要完成焊機的焊接控制、參數信息采集、PLC通信組網、指令解析執行和故障預警保護處理等功能。

圖1 控制系統結構方案Fig.1 Block diagram of network control system

系統工作時，監控平臺軟件通過查詢方式，實時采集各焊機的工作狀態、焊機電流、電壓和頻率等參數信息，通過監控界面進行實時動態更新顯示。并可通過管理員操作，對焊機的開關機、焊接參數設置和故障解除等進行指令設置。PLC通信模塊單元主要完成電力載波通信網絡數據到RS232通信數據的路由和轉換轉發，實現控制終端與監控中心的組網運行。控制終端接受指令，解析后進行處理，并將采集的焊機參數信息實時反饋上傳。

2 系統硬件設計

硬件設計主要包括焊接設備控制終端（焊接電源）設計和PLC通信模塊單元設計兩部分。

2.1 焊接設備控制終端設計

本設計的焊接設備控制終端應用于超聲焊機，焊接電源主要由主電路和控制電路兩部分組成[6]，其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 焊接電源硬件結構原理框圖Fig.2 B ardware structure schematic of ultrasonic welding power supply

主電路包括交流不控整流濾波電路、全橋逆變器和高頻變壓器等部分。單相交流輸入經過不控整流和濾波環節變成穩定直流電，直流再通過全橋逆變器轉換為頻率可控的交流電，將其通過匹配網絡，送至負載換能器[7]。控制電路以瑞薩電子的R5F21336芯片為控制核心，R5F21336單片機屬于瑞薩R8C/33C群系列，裝載了R8C CPU內核，具有高功能指令和高指令效率，內置了多功能定時器、串行接口等各種外圍功能單片機[8]。控制電路主要包括輸出采樣電路、PLC通信電路、驅動隔離電路、按鍵顯示電路和外部時鐘（RTC）電路等。

PLC通信電路采用PL2102芯片組成，PL2102是特別針對中國電力網惡劣的環境研制開發的專用于低壓電力線通訊網絡設計的半雙工異步調制解調器。它僅由單一的+5 V電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合[11]。PL2102采用直序擴頻技術的半雙工同步數據傳輸方式在電力線上傳輸數據。發送數據時，采用直接序列擴頻技術對基帶數據進行處理，經D/A轉換器和緩沖放大器后形成低諧波擴頻發送信號；接收數據時，接收信號經A/D轉換后進行解擴處理，然后由輸出端輸出數據。擴頻數據的長度、捕獲電平及跟蹤電平均可由軟件設定[12]。主控制芯片R5F21336通過I2C總線與PL2102芯片通信進行數據的收發。

PL2102的功率放大電路與信號濾波限幅耦合電路如圖3所示[11-12]，功率放大電路是由晶體管2SC1015與9015組成的兩級互補功放電路。當控制器處于發射狀態時，主控單片機控制PL2102開始發送數據，數據經過PL2102擴頻后由PSKOUT腳輸出給功率放大電路進行功率放大，然后經過一個LC帶通濾波器使信號達到電力線載波通信的諧波要求，最后通過耦合電路將調制信號加載到電力線上。

圖3 功率放大與信號濾波限幅耦合電路Fig.3 Power amplifier and signal filter limiting coupling circuit

2.2 PLC通信模塊單元設計

PLC通信模塊單元主要完成電力載波通信數據與RS232（或者RS485）通信間的數據路由與轉發，實現供電線上焊接電源控制終端的數據與監控管理中心間的PLC組網通信。PLC通信模塊單元采用瑞薩電子的R5F1007高性能單片機來設計。R5F1007與PLC間采用I2C接口進行數據交換通信。電路原理結構圖如圖4所示，同時設計了兩種與監控工控機的通信接口RS232和RS485，可根據需要選用，還設計了通信模塊地址設置輸入電路和數碼管顯示電路等。

圖4 PLC通信模塊電路組成Fig.4 Circuit diagram of PLC communication module

3 系統軟件設計

3.1 網絡控制系統軟件開發

網絡控制系統軟件運行在上位工控機監控平臺上，實現對多焊機的遠程實時在線監控。軟件采用基于Visual Studio開發平臺進行開發。整個監控系統是集用戶管理、焊機運行實時監控、通信管理模塊、事件日志管理、數據庫管理等為一體的綜合管理網絡化監控平臺，通過對平臺的管理和操作，可以實時監控系統中每臺焊機的運行狀態信息，并可實施遠程調度控制、打印查詢運行日志和事件記錄等功能，網絡控制系統軟件組成如圖5所示。

圖5 網絡控制系統軟件組成框圖Fig.5 Composition diagram of network control system software

3.2 焊接設備控制終端軟件設計

焊接設備控制終端軟件采用C語言程序和模塊化思想進行編寫設計，焊接電源的控制策略采用文獻[7]所述的控制算法，實現對超聲焊機的高精度控制。控制終端軟件主要包括主程序模塊、焊機控制模塊、數據采集模塊、通信模塊和人機接口模塊等組成。主程序是控制軟件的執行部分，運行時對各子程序模塊進行調用，所設計的主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序軟件流程框圖Fig.6 Software flowchart of the main program

4 實驗測試

為驗證所提出網絡控制系統的性能，基于前面分析和提出的系統方案，設計了一套采用PLC通信技術的多焊機網絡控制實驗系統，系統超聲焊機容量100臺，對設計的網絡控制系統進行了大量的測試試驗。從試驗效果看，通信數據傳輸實時、穩定可靠，在不增加系統布線的情況下，就可有效地實現多焊接的PLC組網控制，提升了焊機控制的自動化水平，達到了預期的設計目標，驗證了該方案的正確性和優越性。

5 結論

將PLC通信技術引入到焊機網絡控制系統中，分析了系統的組成和工作原理和系統的硬、軟件，并設計了實驗系統進行試驗測試。表明采用PLC通信技術能有效地實現多焊接的組網運行，這為焊接技術的網絡化控制提供了一種行之有效的低成本系統解決方案，應用前景廣闊。

[1]陳樹君，潘冰心，閆霍彤.基于現場總線技術的VPPA焊接電源網絡控制[J].電焊機，2011，41（4）：6-9.

[2]余棉水，謝 宇，溫自力.基于CAN總線的數字化CO2焊接電源設計[J].制造業自動化，2010，32（7）：155-159.

[3]朱俊杰，楊成本，蔡 艷，等.基于ZigBee技術的焊接電源群組化監測系統設計[J].電焊機，2011，41（4）：24-27.

[4]陳 鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術及應用[J].電力系統保護與控制，2009，37（22）：188-195.

[5]宋樹祥，韋正叢，梁承福，等.基于低壓電力載波通信的單相智能電表的設計[J].計算機測量與控制，2012，20（6）：1711-1713.

[6]蘇鳳岐，汪建新，孫建平.基于PWM大功率超聲波電源的設計[J].電子設計應用，2006（12）：122-124.

[7]汪義旺，汪曉東，車保川.基于變參數PI-ADPLL超聲焊接電源的頻率跟蹤控制[J].電焊機，2009，39（12）：89-91.

[8]R8C/33C Group Datasheet.[EB/OL].[2010-08-24].http：//http：//cn.renesas.com.

[9]杜建華，張認成.基于低壓電力載波通信的溫度采集系統[J].儀表技術與傳感器，2007（5）：31-34.