埋弧焊機PLC控制系統

曹登場，施幫利

（1.承德石油高等專科學校，河北承德067000；2.重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

埋弧焊機PLC控制系統

曹登場1，施幫利2

（1.承德石油高等專科學校，河北承德067000；2.重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

以西門子S7-200系列PLC為控制核心，實現基于焊接電壓反饋的PID閉環控制，精確調節焊接電壓以獲得良好的焊接質量。設計控制系統硬件并完成選型；闡述焊接控制邏輯并給出PLC控制流程圖，以常規PID算法為控制策略，確定了控制邏輯，并給出變量的控制結構框圖，保證了自動埋弧焊機在焊接過程中電弧電壓的穩定性。

埋弧焊；PLC；PID控制

0　前言

自動埋弧焊具有焊接電流大、焊縫質量高、適用范圍廣等特點[1]。埋弧焊焊接質量不僅與焊接設備中整流電源和焊接工藝有關，焊接過程的控制系統對最終的焊縫質量形成也起到至關重要的作用。焊接過程的自動控制是焊件質量和生產效率的重要保障，更是焊接技術的發展方向。本研究針對大型磨輥的埋弧自動焊機，在分析埋弧焊機工作原理和焊接工藝過程的基礎上，重新設計了基于電弧電壓閉環控制的埋弧焊機電氣控制系統。

1　自動埋弧焊工藝過程

自動埋弧焊以連續送進的焊絲和焊件作為兩個電極，焊絲和部分焊件熔化后作為金屬溶劑填充到焊接熔池中。連續焊接時，焊劑作為隔絕空氣的保護層，覆蓋在整個熔池上方，電弧在焊絲和局部母材在電弧持續加熱情況下熔化形成熔池，當電弧進入下一焊點時，前面的熔池因逐漸遠離熱源而冷卻凝固后形成埋弧焊焊縫[2]。自動埋弧焊機械結構分為送絲機構、電弧系統、排渣機構和焊接移動小車四大部分，由送絲電機拖動的送絲輥道驅動焊絲由焊絲盤經導電嘴送入焊接區，焊接小車移動帶動電弧以及焊機漏斗移動，漏斗將顆粒狀焊劑從軟管均勻地堆敷在焊縫接口區；焊接小車移動直至工件全部焊縫焊接完成。

自動埋弧焊焊接過程如圖1所示，焊接電源通電后，送絲機構送進的焊絲在排渣機構排出的狀焊劑保護下與金屬級接觸引燃電弧。連續電弧加熱使焊絲、局部母材和焊劑熔化形成一個與隔絕空氣的金屬熔池容腔。在熔渣和焊劑蒸氣的保護下，熔池中的金屬與外層的空氣隔絕，防止與空氣產生化學反應。隨著焊接小車帶動電弧系統沿著焊接軌道向前移動，熔池中的金屬液逐漸遠離電弧熱源冷卻凝固最終形成焊縫，焊縫表面覆蓋一層熔渣凝固而成的渣殼，待焊接全部完成焊縫冷卻成形后，去掉焊縫渣殼即可得到平整焊縫。持續焊接時焊絲在電弧熱的作用下不斷地熔化并往前送進，焊絲送進速度在控制系統的控制下與和金屬熔化速度相適應，保持焊接過程的穩定性。

1—焊劑漏斗；2—軟管；3—坡口；4—母材；5—焊劑；6—導電嘴；7—送絲機構；8—絲盤；9—電源。圖1　自動埋弧焊過程示意

2　控制系統硬件設計

自動埋弧焊機按功能可分為機械結構主體、焊接電源、電氣控制系統三大部分。機械結構主體部分主要包括焊接小車、送絲機構、排渣機構和焊接軌道。焊接電源系統采用美國林肯公司生產的DC600電源，機械系統和焊接電源性能良好，本研究只重新設計控制系統，以提高焊機的控制精度。

埋弧焊硬件系統主要由PLC控制器、焊接電源、直流伺服送絲電機、焊接小車步進電機、操作面板、文本顯示器等組成。控制系統的控制器選用西門子S7-200系列PLC實現對自動埋弧焊過程控制，200系列PLC為整體式結構，自帶I/O結構模塊，可選配擴展模塊，結構簡單、穩定可靠，完全滿足小型埋弧焊機電氣控制系統的要求。具體型號選用西門子CPU226晶體管輸出型PLC，最大脈沖輸出頻率20 kHz，脈沖輸出電壓5 VDC，以滿足送絲伺服電機的需求[3]。PLC選用脈沖串輸（PTO）脈沖發生模式控制脈沖的周期和個數以實現對送絲伺服電機和焊接小車電機的精確調節，PLC高速計數器HSC指令，可實現對高頻脈沖信號的計數和定位，步進電機的運動過程由PLC執行中斷程序控制。埋弧焊控制系統硬件框圖如圖2所示。

圖2　埋弧焊控制系統硬件框圖

控制系統主令操作按鈕都安裝在操作面板上，完成對焊機電源的啟停、手動模式下的操作等。焊接過程中針對不同焊接材料的焊接參數由文本顯示器設定，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、小車移動速度和定位，同時利用PLC的數模轉換功能采樣焊接電流、送絲速度等模擬量并反饋給控制器以實現實際值和設定值的顯示和物理量的閉環控制。由直流伺服電機驅動的送絲速度由電弧電壓負反饋閉環控制，以實現電弧弧長和電壓的穩定性。焊接小車移動由步進電機驅動形成開環控制，小車移動速度只采樣顯示。顯示器選用TD400文本顯示器和MCS-51單片機組成的操作面板，完成焊接參數的設置和設定值和實測值的顯示等。TD400文本顯示器通過RS485通信協議與PLC建立通訊[4]。

3　控制系統軟件設計

埋弧焊接過程主要包括焊接參數設定、引弧、送絲及焊接、滅弧焊接結束四個過程，其中送絲及焊接過程是控制系統調節的重點。對電弧電壓進行PID閉環控制，采用送絲伺服直流電機對送絲的速度實現精確調節，保證電弧電壓在設定值范圍內，保證焊接過程連續進行。

（1）焊接參數設定。通過TD400的數據輸入按鍵，將焊接參數如焊接電流、送絲速度、焊接電壓和小車移動速度等輸入到文本顯示器中，按下數據確認鍵，數據通過RS484通信協議傳輸至PLC存儲器中，在焊接開始后對其完成數據的賦值。

（2）引弧。在調整好焊接機頭的位置和焊絲的伸出長度后，按下焊接啟動按鈕，系統完成初始化并將焊接參數賦值后，焊機電源啟動，焊絲與工件之間由瞬時電勢差引燃電弧后短路，短路電流被電流傳感器檢測到后與設定的引弧電流閾值相比較計算，若短路電流值大于閾值，則系統認為引弧成功。同時PLC輸出PTO脈沖給送絲伺服電機，焊絲以設定速度被送進至焊接區域以維持電弧連續。

（3）焊接。引弧成功后，進入焊接階段，系統循環調用自動焊接子程序，通過電壓傳感器實時監測焊接電壓，在一定條件下，電弧電壓與電弧的長度成正比，當焊接電壓增大時應縮短電弧長即增加送絲速度，當焊接電壓小于設定值上，應減小送絲速度使電弧電壓增大到設定值范圍內。PID調節器基于前面的控制邏輯不斷調節送絲速度以實現焊接電壓的穩定，PLC根據PID控制子程序的運算結果輸出PTO脈沖只直流伺服電機，精確調節焊絲的送進速度。

（4）熄弧、焊接結束。當焊接小車沿焊接軌道移動至終點觸發行程開關，電信號傳輸給PLC輸入模塊，送絲電機和小車移動電機停止工作，此時焊絲與工件有粘連，焊接電源延遲1 s后斷電，焊絲在此延遲時間里熔化脫離開工件表面，焊接完成。當焊接過程中需要手動停止時，只需按下急停按鈕，焊接結束。PLC程序流程框圖如圖3所示。

圖3　PLC控制流程

4　焊接電壓閉環控制

PID控制器作為常用的控制算法，通常由比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合對設定值和實際值之間的誤差（或偏差）進行快速響應的控制算法，保證被控制對象模擬量實時校正和控制在設定值偏差范圍內水平[5]。本研究PID控制器的控制對象是焊接電壓，電壓傳感器測量焊接過程電弧電壓實際值發送給PLC模擬數字模塊，PID控制器計算焊接電壓實際值和設定值之間的偏差（誤差），并將計算結果PTO脈沖信號輸出給伺服電機驅動器，調節送絲電機的轉速，通過調整電弧長度來保證焊接電壓在設定值誤差范圍內。焊接電壓PID閉環控制系統結構框圖如圖4所示。

送絲伺服電機控制送絲速度的同時，焊接電壓傳感器檢測電弧電壓信號經過模數轉換后，發送給PLC的PID控制中斷子程序，控制器將焊接電壓的實際值與初始設定的焊接電壓值進行比較，兩者的偏差信號作為PID控制器的輸入，

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Research on the system of submerged arc welding machine based on PLC control

CAO Dengchang1，SHI Bangli2
（1.ChengdePetroleumCollege，Chengdei 067000，China；2.CollegeofElectronicInformationand Automation，Chongqing UniversityofTechnology，Chongqing400054，China）

Based on the automatic submerged arc welding machine,the welding control system is redesigned.The Siemens S7-200 series PLC is taken as control core to achieve PID closed-loop control based on the welding voltage feedback，and the welding voltage is precisely adjusted to obtain a good welding quality.The control system hardware is designed and the model is selected;the welding control logic is described and PLC control flow chart is provided.The conventional PID algorithm is used as control policy to determine the control logic and give the control structure diagram of variables，thus ensure the stability of arc voltage in the welding process of automatic submerged welding machine.

submerged arc welding；PLC；PID control

TG434.4

A

1001－2303（2015）11－0058-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.12

2015-07-05

曹登場（1974—），男，河北饒陽人，講師，碩士，主要從事電氣自動化控制的研究工作。