DeviceNet現場總線技術在大型橫縫焊接設備中的應用

楊保海，文秀海，卞金玉

（河南工學院，河南新鄉453003）

DeviceNet現場總線技術在大型橫縫焊接設備中的應用

楊保海，文秀海，卞金玉

（河南工學院，河南新鄉453003）

介紹一種基于DeviceNet現場總線技術的焊接設備。該設備通過控制室以及焊接系統、控制系統上的I/O終端，利用DeviceNet現場總線技術在其之間進行遠程通訊和控制，簡化了配線數量，降低了硬接線成本和接點故障率。人機對話界面可以將焊接數據實時傳回并進行監控，實現焊接過程控制，提高自動化程度和焊接質量。控制室遠離焊接施工現場，避免了焊接煙塵和弧光對操作人員的危害。

橫縫焊接；現場總線技術；過程控制

0 前言

從目前我國石油及化工企業的發展趨勢看，儲罐的發展向大容積、國產化、自動化（包括大型儲罐的自動化焊接）方向發展已成定局。在大型儲罐焊接方面，埋弧自動橫焊技術已取得了突破性進展，但不論是儲罐的容積、數量，還是生產自動化水平，均處于初級階段。先進的大型橫縫焊接設備是儲罐建設的關鍵因素，先進的焊接設備不僅能生產出大容量、高質量的大型儲罐，同時對打破國外技術壟斷、降低儲罐生產成本、提高儲罐焊接質量也至關重要。

河南工學院研發的MZHF-Net埋弧自動橫縫焊接機（以下簡稱橫焊機）將DeviceNet現場總線技術應用到大型橫縫焊接設備中，是橫縫焊接專用機床電氣控制模式上的突破，對邏輯控制系統、焊接系統、焊劑回收系統以及機械部分等進行了大量的改進。其自動化程度大幅提高，性能穩定，功能完善，可以遠程操控，為橫縫焊接設備向高精密、多兼容、低成本、全自動的方向發展創造了條件[1]。

1 MZHF-Net型橫縫焊接設備的整體系統設計

常規埋弧自動橫縫焊接機（如MZHF-Ⅰ、MZHF-Ⅱ型埋弧自動橫縫焊接機）系統包括主控系統、焊接系統（焊接電源和埋弧焊接機頭）、行走系統、焊劑循環回收系統、焊劑托持裝置以及其他配套設備。系統的電氣控制靠常規的多芯控制線連接，連線繁雜，故障隱患較多。橫縫焊接設備工作時具有功率較大、移動頻繁、工作環境惡劣等特點，這些特點使

得電氣連接系統極易磨損、斷路，造成焊接故障（控制線斷路造成的故障占總故障的70％），且由于系統控制的復雜性使得簡單的斷路往往被誤診為控制板、焊接電源等的故障，求助于焊接設備生產廠家，造成經濟、人力和時間的浪費。研制的MZHF-Net埋弧自動橫縫焊接機采用現場總線技術，簡化了系統連接，最大程度地減少了故障的發生。

MZHF-Net埋弧自動橫縫焊接機在保留系統功能的基礎上，增加“焊劑輸送檢測系統”（壓力通斷檢測裝置）和“行走檢測系統”（增量型光電編碼器E6B2-CWZ6C）。采用DeviceNet現場總線技術作為系統控制總線。DeviceNet是基于現場總線技術CAN的低成本網絡，其數據包大小被限制在8 B以內，可進行快速、高效的數據傳送。該系統還具有ADR（自動設備更換）功能：系統的設備既定參數被存儲起來，一旦設備出現問題，只需更換此設備，設備參數會自動下載到新更換的設備中。該功能可使系統快速恢復正常，滿足設備即插即用要求。DeviceNet技術的應用減少了硬線接入/接出點，降低了故障率。系統工作時，通過I/O模塊采集“焊劑輸送”“設備行走”“焊接”等檢測信號，并通過DeviceNet現場總線傳輸到遠程控制室，主控PLC處理、運算各輸入信號，并將結果通過DeviceNet現場總線返回到I/O模塊輸出，從而實現遠程控制執行機構的動作。遠程控制可以使操作人員遠離煙塵和弧光，防避炎熱、嚴寒等惡劣氣候，系統實現自動化的同時體現了健康、環保、高端和人性化的特點。系統組成結構示意如圖1所示[2]。

圖1 MZHF-Net型橫焊機系統結構示意

2 遠程控制臺的設計

MZHF-Net型自動橫焊機的主控制臺位于遠端控制室內，遠程控制臺將觸摸屏（MT4414TE-CAN）作為人機對話主界面，界面窗口設定為“主監控”窗口，“參數設置”窗口等。通過窗口上“參數設置”按鈕，進入“參數設置”頁面設置焊接參數，焊接電流、焊接電壓、焊接速度、行走方向、焊劑回收等參數都可通過遠程操作臺設置。待各個參數設置完成后，返回“主監控窗口”?！爸鞅O控窗口”用于在系統正常焊接情況下監控焊接速度、焊接電流、焊接電壓、焊劑輸送等工作狀態，保證焊接的正常進行。其中，行走系統通過增量型光電編碼器E6B2-CWZ6C采集信號，速度設定后，如果出現長時間波動（超過5 s），行走系統報警；焊劑輸送系統通過在焊劑出口處的“壓力通斷檢測裝置”判斷焊劑的有無，如果焊劑斷流超過一定時間（5～20 s），則焊劑輸送系統報警；焊接系統通過直接采集焊接電源的電流、電壓信號來進行監控。主監控窗口和系統調試窗口如圖2所示。

MZHF-Net型自動橫焊機的工作臺架上設置有“照明”“拋光”“卷揚機”“進絲”“退絲”“前行”“后退”“遠-近控轉換”“焊接電流”“焊接電壓”“焊接速度”“焊接方向”等功能的控制面板，以方便系統的現場調整[3]。

3 焊接工藝流程

MZHF-Net型自動橫焊機的焊接系統采用MZ-N-1000型焊接電源和MZS-Net型自動埋弧送絲

機，此電源和送絲機都采用DeviceNet現場總線技術作為系統控制總線。焊接電源具有恒電壓和恒電流兩種焊接特性，既可作為埋弧焊焊接電源，也可作為焊條電弧焊和碳弧氣刨使用，一機多用。送絲機具有“回抽引弧”和“滑擦引弧”兩種引弧功能，且能根據焊絲和工件的實際接觸情況自行選擇引弧方式，引弧成功率在99％以上。即便在工作過程中出現意外“斷弧”(如波動、停電等引起的焊接停止)，無需清理焊劑、焊渣，而直接按下“啟動”按鍵，系統即可引弧焊接。焊接系統程序控制流程如圖3所示。

圖2 觸摸屏主監視窗口和調試窗口

圖3 MZHF-Net型橫焊機系統程序控制流程

系統開始焊接之前，需要將配套系統準備完畢：將電源選擇“恒流”特性，送絲機撥至“焊接”檔位，打開焊劑輸送開關，使焊劑輸送到焊接部位，打開吸塵器等。系統準備完畢后，控制臺觸摸屏調到“主監控窗口”，按動“啟動”按鍵，行走系統啟動，焊接電源啟動，送絲機選擇引弧方式引?。ㄒ源藭r焊絲是否接觸工件為判斷標準），引弧成功后，通過觸摸屏監控系統的工作進程。焊接結束時，按動“停止”按鍵，首先行走系統和送絲系統停止，但MZ-N-1000型焊接電源依然開通，焊絲仍在熔化（完成“填弧坑”功能）。隨著焊絲的熔化縮短，弧壓越來越高，當達到設定弧壓值（54～59 V）時，系統邏輯電路控制焊接電源斷電，一個焊接周期完成[4]。

4 結論

（1）MZHF-Net型自動橫焊機系統采用DeviceNet現場總線技術，避免了采用多芯控制線時頻繁的線路故障，設備維修率降低60％。

（2）采用DeviceNet現場總線技術，工作人員可以遠離煙塵和弧光，躲避炎熱和寒風，體現了健康、綠色和以人為本的特點。

（3）采用DeviceNet現場總線技術和用觸摸屏作為人機對話窗口，使得操作更加直觀、簡便，提高了焊接質量和焊接效率。

（4）DeviceNet現場總線技術具有“ADR”（自動設備更換）功能，元器件更換簡單，隨換隨用，能夠實現一機多用。

MZHF-Net型自動橫縫焊接機是大型橫縫焊接專用設備中科技水平較高的產品，從模式上對系統進行了突破，為大型橫縫焊接設備的發展開辟了新的方向，具有較高的應用和推廣價值。

[1]楊立軍．材料連接設備及工藝[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2]孫鶴旭．現場總線控制系統的設計與開發[M].北京：國防工業出版社，2007.

[3]廖常初．西門子人機界面[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]韓國民．焊接工藝理論與技術[M]．北京：機械工業出版社，2007.

Applications of deviceNet field-bus technology in the large horizontal seam welding equipment

YANG Baohai，WEN Xiuhai，BIAN Jinyu
（He′nan Institute of Technology，Xinxiang 453003，China）

This article presents a kind ofweldingequipment based on deviceNet field-bus technology.The weldingequipment which uses DeviceNet field-bus technologyfor remote communication and control though the I/Oterminals connected tothe control room，the welding systemand the control systemcan greatlysimplifythe amount ofwiringand reduce the cost ofhardwiringand the contact failure rate.The HMI can real-time return and monitor weldingdata，which achieves the process control ofweldingand improves the degree ofautomation and weldingquality.Thecontrolroomisdesigned awayfromtheweldingconstruction sitetoavoid harmtooperatorsfromweld fumeand arc.

horizontal seam welding；fieldbus technology；process monitoring

TG409

B

1001－2303（2016）09－0042-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.10

2016-05-11；

2016-08-29

楊保海（1977—），男，河南新鄉人，工程師，學士，主要從事焊接設備的研究、設計和教學工作。