基于S7-1200PLC的多功能智能埋弧焊接輔助控制系統(tǒng)研究

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

1 窄間隙埋弧焊機(jī)焊接過程

在焊接前，將厚鋼板對(duì)接形成間隙約15mm的焊道，調(diào)節(jié)焊道引導(dǎo)器上下導(dǎo)輪，使預(yù)熱電極不能接觸到窄間隙側(cè)壁，引起電流短路。將預(yù)熱器的預(yù)熱鎢針電極調(diào)整好與側(cè)壁的距離，一般保持1～2mm，調(diào)整埋弧焊劑導(dǎo)管與焊道底部的高度，以保證焊劑厚度能有效地保護(hù)焊接熔池。調(diào)整焊槍電極的高度，以確保有合適的焊絲干伸長(zhǎng)。調(diào)整前后焊槍電極與兩側(cè)壁之間的距離，以保證在焊接過程中兩側(cè)壁的熔合質(zhì)量。

焊接時(shí)，按照焊接的方向及焊接工藝要求控制焊接預(yù)熱、焊劑覆蓋、焊接點(diǎn)火之間的關(guān)系，由于焊接設(shè)備是按雙向焊接功能設(shè)計(jì)，故在焊接時(shí)，只有焊槍前部的預(yù)熱器、焊劑導(dǎo)管工作，后部的預(yù)熱器及焊劑導(dǎo)管不工作。焊接過程中，焊接小車會(huì)向前運(yùn)動(dòng)，在此過程中，啟動(dòng)預(yù)熱器對(duì)焊道中的兩側(cè)壁用鎢針電極進(jìn)行預(yù)熱，以減小溫度梯度，同時(shí)打開焊劑導(dǎo)管的電磁閥，向焊道內(nèi)鋪焊劑。同時(shí)進(jìn)行焊槍點(diǎn)火，使兩焊接電極中的焊絲分別對(duì)焊道與側(cè)壁進(jìn)行熔合焊接，使用雙絲分別對(duì)窄間隙兩側(cè)壁進(jìn)行熔合焊接，很好地解決了窄間隙焊接過程中側(cè)壁熔合難的工藝問題[1]。埋弧焊設(shè)備模型如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

觸摸屏是控制系統(tǒng)的監(jiān)控機(jī)構(gòu)，通過觸摸屏輸入焊接相關(guān)參數(shù)，包括焊接電流、電壓、預(yù)熱槍電流、預(yù)熱溫度、埋弧焊劑流量閥開度、小車行走方向等。

圖1 埋弧焊設(shè)備模型

PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，通過輸入端接收控制指令，CPU運(yùn)行系統(tǒng)控制程序，然后通過輸出端執(zhí)行系統(tǒng)的各項(xiàng)控制。另外，PLC還起到連接觸摸屏、計(jì)算機(jī)等的聯(lián)網(wǎng)和通信功能。

伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和變頻器等作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，根據(jù)PLC的運(yùn)行指令完成埋弧焊的焊接任務(wù)。本項(xiàng)目中，根據(jù)控制要求，各電機(jī)的選用情況如表1所示。

2.2 元件選型

考慮控制對(duì)象包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及變頻，并考慮組網(wǎng)要求，選用一臺(tái)西門子1500PLC作為主站，兩臺(tái)西門子1200PLC分別作為從站，主站CPU類型為CPU 1511-1 PN，用于與觸摸屏和從站之間的數(shù)據(jù)交換以及部分外接輸入/輸出信號(hào)；兩臺(tái)從站CPU類型為1212C DC/DC/DC，用于控制伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和變頻電機(jī)。控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

表1 各電機(jī)選用情況

其他設(shè)備選型包括：昆侖通態(tài)TPC7062Ti嵌入式一體化觸摸屏、西門子MICROMASTER420變頻器、臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)以及步科步進(jìn)電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

控制要求：系統(tǒng)開啟后，先在人機(jī)界面上輸入焊接參數(shù)，包括焊接電流、電壓、預(yù)熱槍電流、預(yù)熱溫度、埋弧焊劑流量閥開度、小車行走方向等。按下啟動(dòng)按鈕，焊接開始，根據(jù)小車行走方向判斷焊接方向，當(dāng)檢測(cè)小車進(jìn)入焊道的微動(dòng)開關(guān)接通后，按照設(shè)定的參數(shù)，打開相應(yīng)的預(yù)熱槍和焊劑流量閥，同時(shí)焊接電源以預(yù)定的電流、電壓接通，開始焊接。當(dāng)微動(dòng)開關(guān)檢測(cè)到小車行走完成一個(gè)方向的行程，關(guān)閉焊接電源及預(yù)熱槍和焊劑流量閥，開始進(jìn)行小車反向運(yùn)行，并按前述次序依次開啟下一輪的焊接，直到達(dá)到焊接要求，結(jié)束焊接。根據(jù)控制要求繪制控制流程，如圖2所示。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

3.2.1 界面設(shè)計(jì)

觸摸屏的初始界面是用戶登錄界面，包括技術(shù)工程師登錄和操作人員登錄。其中，技術(shù)工程師可以登錄調(diào)試界面，用于各電機(jī)運(yùn)行中的位置和狀態(tài)初始化以及運(yùn)行故障調(diào)試。操作人員登錄運(yùn)行界面，用于焊接操作[2]。

圖2 控制流程

調(diào)試界面包括通過下拉菜單選擇調(diào)試電機(jī)，以及各個(gè)電機(jī)調(diào)試中需要的按鈕、輸入框、顯示框、指示燈等功能。運(yùn)行界面的功能是用于進(jìn)行焊接工作操作的用戶界面，主要包括控制按鈕、輸入焊接所需要的參數(shù)等功能，焊接開始后，可以通過人機(jī)界面監(jiān)控焊接電壓、電流參數(shù)，達(dá)到對(duì)焊接電流和電壓監(jiān)控的目的，保證焊接質(zhì)量。

3.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)備組態(tài)

結(jié)合界面設(shè)計(jì)和控制要求，建立變量與界元件對(duì)應(yīng)的觸摸屏的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)備組態(tài)以建立觸摸屏與PLC數(shù)據(jù)通信通道，觸摸屏（192.168.0.5）與1500PLC（192.168.0.1）通信，然后通過1500PLC與兩臺(tái)1200PLC組網(wǎng)通信。

3.3 PLC程序

控制程序通過博途V15軟件設(shè)計(jì)[3]。

3.3.1 設(shè)備組態(tài)

本控制系統(tǒng)由3臺(tái)西門子PLC組網(wǎng)控制，其中1臺(tái)S7-1500作為主站，2臺(tái)S7-1200作為從站，用以太網(wǎng)通信，建立控制網(wǎng)絡(luò)。

各設(shè)備間的以太網(wǎng)通信通過交換機(jī)連接，觸摸屏直接與1500PLC進(jìn)行通信。另外，1500PLC作為主站，還與兩臺(tái)從站1200PLC進(jìn)行通信，1200PLC與觸摸屏之間的通信也通過1500PLC中轉(zhuǎn)。

3.3.2 程序設(shè)計(jì)

PLC的程序包括主程序和子程序以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。主程序是PLC正常運(yùn)行就不受其他程序段影響（除非有中斷程序?qū)⑵渲袛啵碢LC正常運(yùn)行時(shí)就是一直執(zhí)行掃描的。子程序是受主程序調(diào)用的程序，只有主程序里的邏輯允許子程序運(yùn)行時(shí)，子程序才能運(yùn)行。

本項(xiàng)目中，1500PLC作為主站，主程序OB1是整個(gè)控制系統(tǒng)的“總調(diào)控中心”，用于調(diào)用通信子程序塊，2個(gè)從站1200PLC的OB1作為各自控制電機(jī)的“分調(diào)控中心”，用于該P(yáng)LC控制的電機(jī)相關(guān)子程序的調(diào)用。

3.4 相關(guān)參數(shù)

伺服電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置為：P1-44（電子齒輪比分子）=1 600 ；P1-45（電子齒輪比分母）=40。

步進(jìn)電機(jī)兩臺(tái)的細(xì)分設(shè)置均為：DIP1-DIP8(“01110000”)。

本項(xiàng)目變頻電機(jī)為模擬量控制，主要參數(shù)設(shè)置值：P1000=2；P0700=2；P0701=1；P0702=12。

4 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合埋弧焊機(jī)的工作原理及其工作流程，設(shè)計(jì)了埋弧焊機(jī)的簡(jiǎn)易模型及對(duì)其監(jiān)測(cè)和控制的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的PLC、測(cè)量?jī)x器、觸摸屏等硬件進(jìn)行了選型；通過軟件TIA15對(duì)焊機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用工控組態(tài)軟件MCGS，設(shè)計(jì)焊機(jī)控制平臺(tái)。通過以太網(wǎng)將PLC、觸摸屏和計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，控制程序?qū)崿F(xiàn)了基本功能。