PLC在自動焊接技術中的發展及應用研究

孫云翔 陳月峰 王樹昂 張釗 陳金強

【摘 要】隨著現代工業的不斷發展與進步，自動焊接技術正在逐步代替傳統手工焊接，因為它具有工作效率高、成型質量好、勞動強度低的優點，所以在焊接領域被不斷地推廣和使用。PLC作為一種可靠性高、功能性強的硬件控制器，在自動焊接技術中具有很大的應用空間。文章綜述了PLC控制系統在自動焊領域的應用優勢及應用現狀，展望了該控制器未來的發展前景。

【關鍵詞】PLC;人機界面;工業控制;自動焊接

【中圖分類號】TG456 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0085-03

0 前言

PLC又稱為可編程邏輯控制器，是一種用于自動控制的數字化集成控制系統，可以通過數字量或模擬量的輸入輸出控制各種類型的機械結構及電器。現代工業使用的PLC已經接近于一臺緊湊型的PC主機，因其在擴展性和可靠性方面的優勢而被廣泛應用于各類工業控制領域。不管是在計算機直接控制系統或者集中分散式控制系統DCS，還是現場總線控制系統FCS中，總能看見各種類型的PLC被廣泛使用。隨著自動焊接技術逐步向智能化方向發展，PLC也發揮著至關重要的作用。PLC在自動焊接技術中的運用提高了控制系統的精度和集成度，提升了焊接效率及焊接成型質量，降低了操作者的使用難度。

1 PLC功能分析

PLC的硬件結構復雜，由電源、CPU、存儲器、輸入輸出I/O接口等單元組成，可以通過編程軟件將程序指令寫入存儲器，進行程序的存儲和執行。通過編寫控制程序，PLC可以進行邏輯運算、定時、計數、運動控制、總線通信等多種控制功能，從而實現對機械結構的控制及與其他設備之間交換數據。

根據組成形式，PLC可分為一體式和模塊式兩種類型。一體式PLC是將PLC的各個硬件組成單元整合，形成統一整體，這種PLC的體積較大，功能單一，控制規模較小。模塊式PLC是由不同功能的模塊拼裝組合而成的，模塊類型包括數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、通信模塊等，可以根據實際需要對模塊進行選擇，從而控制整體硬件結構的體積，而且模塊式PLC的運算速度、控制功能相較于一體式PLC更加強大，因此現代工業控制中多采用模塊式PLC。

2 PLC在自動焊接技術中的優勢

2.1 穩定性高、抗干擾能力強

PLC采用大規模集成電路，內部電路采用抗干擾技術，具備電路保護功能，在環境惡劣、干擾信號較多的工業現場中能長時間無故障運行。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，當出現故障時，PLC表面的指示燈可以發出報警信號，使用者可以在編程軟件中了解具體的故障信息，與傳統的繼電器控制系統相比，大大降低了故障發生的概率。

2.2 運算功能強大、實時性好

PLC的掃描周期是毫秒級別的，一般的時間長度在幾毫秒到幾十毫秒，因此其程序響應迅速，實時性好，基本可以做到程序運行和結構動作的同步發生。此外，PLC具有模擬量測量、PID運算、高速脈沖計數等多種高級運算功能，可以滿足復雜的數據運算需求。

2.3 支持多種通信協議

一般的PLC自帶以太網接口，支持TCP/IP協議，通過網線就可以與HMI或PC等上位機進行通信，并具備RS485通信模塊，支持Modbus-RTU總線協議，還可以通過增加網關的方法進行協議轉換，將TCP/IP協議轉換成DeviceNet、Canopen等其他多種總線協議，與不同品牌的焊機等焊接電源設備進行通信。部分高端PLC自帶不同類型總線協議通信模塊，通過增加硬件模塊，就可以實現多種協議通信的功能。

2.4 上位機的可選擇范圍廣

PLC的上位機可選擇范圍廣，如HMI、PC、工控機等均可以作為上位機。此外，人機界面的搭建方式也比較豐富，可以使用PLC自帶的觸摸屏編程軟件，如“西門子”品牌的博圖系列，也可以使用圖形化語言或高級語言，如Labview、C#等。由于搭建方式具有多樣性，因此人機界面的可塑性更強，美觀度更高，更加貼近工業焊接的使用環境。

3 PLC在自動焊接技術中的應用

3.1 焊接參數調節及應用

由于PLC支持多種總線協議，因此可以和絕大多數的焊機進行實時通信，從而在人機界面端就可以修改焊接參數，例如焊接模式的選擇、焊接電流電壓的調整等。不僅如此，PLC還可以通過內部程序編寫的方式，實現焊接參數按規律地自動分段調整，從而滿足特殊焊接工藝要求。梁濤等人設計了一種以PLC為控制器的焊接控制系統，通過軟件編程及硬件搭建，實現了對焊機電源參數的監測和調節。實驗結果表明，該套控制系統對提升焊接穩定性和安全性具有很大的幫助[1]。此外，PLC可以對焊接參數進行監測和反饋調節，在焊接過程中，如焊接電流等某種參數由于誤操作或其他外界因素超出規定使用范圍時，控制系統可以發出報警信息，并及時對焊接參數進行調節，使其保持在安全可控的使用范圍內，保證了焊接過程的正常、平穩。Shu Yufeng等人利用PLC對激光焊接工藝參數進行監控和調節，對異質高強度鋼的焊接性能進行了探索，研究發現通過控制系統對焊接參數進行優化后，激光功率對焊接成型質量影響最大，焊接過程更加安全穩定[2]。

3.2 在弧壓跟蹤控制中的應用

弧壓跟蹤功能簡稱AVC。在焊接過程中，由于焊槍的不規則運動及焊件表面的凹凸不平，造成弧長波動，弧壓變化，焊接參數改變，從而導致焊接質量的不可控。針對這種現象，PLC控制系統需要根據弧壓變化對焊槍高度進行自動調節，如弧壓變大時，需要使焊槍向下運動，使弧長變短，弧壓變小;弧壓變小時，需要使焊槍向上運動，使弧長變長，弧壓變大，進而保持弧壓穩定，提高焊接質量，這種控制功能稱為弧壓跟蹤。從自動反饋調節的角度來看，這是一種以焊槍高度為被調量，弧壓為操作量的閉環控制系統。付云平論述了在FECS系統原有主控單元的基礎上利用PLC控制器完成弧壓跟蹤的運算、邏輯處理和控制功能，并以湖南湘潭電廠600 MW機組工程為例，具體介紹了以PLC為基礎實現弧壓跟蹤功能的過程。工程實際運行情況表明，該方案能夠實現湘潭電廠的自動弧壓跟蹤功能且效果理想[3]。

在焊接過程中，利用PLC模擬量模塊對焊接弧壓進行測量，通過編寫控制程序進行標準化、比例縮放，將模擬量轉換成數字量，從而對焊接弧壓進行實時監測，再將弧壓監測程序與焊槍運動程序關聯，當弧壓變大時，使焊槍向下;當弧壓變小時，使焊槍向上，周而復始，實現弧壓跟蹤功能。此外，設計者需要在人機界面設計弧壓跟蹤的啟動開關，這樣可以根據焊接實際需要選擇是否開啟弧壓跟蹤功能。付偉以“西門子”S7-1200PLC為核心，設計了一套自動立縫弧焊專機控制系統，該控制系統可以根據弧壓與弧長的關系，利用自動調節弧壓跟蹤控制算法和啟動開關，進行弧壓跟蹤，實現了LNG儲罐用9%Ni鋼自動立縫焊接系統在焊接工藝過程的數字化、自動化控制[4]。

3.3 焊槍運動軌跡調節及運動參數控制

由于實際焊接過程中，焊件的形狀不斷變化，焊口形式復雜多樣，因此對焊槍的運動軌跡及運動參數控制要求較高。單根立等人將工業PC和PLC相結合，設計了一套圓形電連接器和多芯電纜自動焊接設備，利用機械結構和氣動系統對焊槍進行精準控制，完成復雜焊件、焊口的焊接[5]。

PLC控制系統可以滿足焊槍在X、Y、Z三維空間內的自由運動，保證焊槍可以在不同位置、不同角度進行焊接，需要根據實際焊接狀況，對焊槍進行分區段運動參數設定，使得焊槍以不同的運動參數完成不同的運動軌跡，實現真正意義的全方位自動焊接功能。例如，研究者以“西門子”S7-1500 PLC作為控制器，使用順序功能圖對焊接工序進行分析，通過博圖軟件進行程序設計，搭建了一套焊接機器人工作站系統，進行全方位自動焊接[6]。

3.4 數據、圖像采集與分析

為了更好地觀察焊接狀態，在自動焊過程中，焊接操作者需要監測焊接數據，如焊接電流、焊接電壓、焊接速度等，甚至包括焊接熔池的實時監控。主要方法為PLC控制系統通過連接外部傳感器，輸入模擬量信號將焊接參數顯示在人機界面，并且通過上位機與攝像頭的通信連接，呈現熔池圖像。例如，索鑫宇提出以Labview為上位機開發軟件，采用羅克韋爾RSLogix5000系列PLC控制氣缸與伺服電機為控制方式，實現圖像處理和數據存儲的功能，解決了核電現場裝料過程中核燃料棒的類型分析與姿態調整任務[7]。

此外，根據焊接工藝開發需要，操作人員往往需要對焊接過程中的焊接數據、熔池圖像及焊接后焊件的成型質量進行比對分析，這就需要控制系統可以實現焊接過程中的數據、圖像采集。通過程序編寫，PLC控制系統可以將焊接數據和圖像進行記錄并存儲到PC、工控機等上位機內，方便操作者的后續比對和查看。陸建利用計算機和PLC建立了一套表面貼裝晶片及引腳框架的視覺檢測系統，通過CCD攝像機和圖像采集卡將圖像信息采集到計算機并進行圖像分析和處理，實現了對晶片的檢測和定位[8]。

3.5 焊接環境數據檢測

焊接過程中，焊接環境也是影響焊接質量的一個重要因素，如焊接空氣中含氧量較高會造成不銹鋼焊縫力學性能下降、焊接時飛濺嚴重、易形成氣孔、夾渣;焊接溫度較高會造成成型件的韌性及塑性下降。PLC控制系統通過增加外部測量元件，可以對焊接環境中如氧氣、氬氣含量，空氣溫度等多種信息進行檢測，并進行數據顯示，使操作者可以更加直觀地了解焊接環境，進而確保焊接質量。研究者通過對PLC、SCADA、DCS 3種控制系統的研究和對自動化發展方向的歸納，參考PAC控制系統提出總體方案，對空氣成分等環境結構進行分析和檢測[9]。劉亮等人根據鋁合焊接熔透狀態識別需求，對焊接過程中的間隙和錯邊量通過使用HTTP協議獲取工藝參數接口數據，通過數據輸入輸出模塊獲取機器人控制器設定的送絲和電流參數，進而改善焊接質量[10]。

由此可見，PLC在自動焊領域已被廣泛應用，無論是參數調節還是質量控制，它都起著至關重要的作用，并不斷推動著焊接技術向自動化、智能化、信息化、數字化的方向發展。

4 結語

PLC的可靠性高、穩定性強、應用靈活、維護方便，在工業控制領域被廣泛使用。在自動焊接過程中，PLC的應用可以提升焊接效率、提高焊接成型質量、實現多種焊接功能、跟蹤焊接數據、降低工人的勞動強度，從而實現對自動焊接技術的全方位優化。隨著科技的不斷進步與發展，PLC在自動焊接技術中的應用也必將更加深入，未來的主要發展方向如下。

（1）硬件體積向小型化發展，具有更高的系統集成度，方便焊接操作者的攜帶和使用。

（2）具有更高的數據運算精度及速度，可以更加迅速地處理一些復雜的焊接運算數據。

（3）具有更加強大的數據存儲功能，數據存儲方面向PC機靠攏，對于大型數據可以直接存儲在PLC內部，而不是通過上位機實現。

（4）編程語言更加統一，各個PLC品牌的匯編語言更加一體化，實現統一，減輕操作人員和設計人員的負擔。

（5）模塊功能更加強大，在現有模塊功能基礎上，產生更多可以實現焊接和工業現場不同需求功能的模塊。

參 考 文 獻

[1]梁濤，劉鋒，王睿，等.基于PLC的多通信方式焊機測試系統[J].熱加工工藝，2020（7）：11-13.

[2]Shu Yufeng，Fan Sili，Xiong Changwei.Optimizationof welding process of heterogeneous high strength steel based on PLC control[J].Results in Physics，2018（11）：20-23.

[3]付云平.發電廠分布式電氣控制系統中自動電壓控制的研究[D].北京：華北電力大學，2007.

[4]付偉.LNG儲罐用9%Ni鋼自動立縫焊接系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2016.

[5]單根立，董沛森.基于工業PC和PLC的圓形電連接器與多芯電纜自動焊接設備設計[J].機床與液壓，2020，48（2）：94-97.

[6]夏楠，欒義忠，李克奇，等.基于S7-1500的焊接機器人工作站控制系統設計[J].現代制造技術與裝備，2019（10）：187-189.

[7]索鑫宇.基于LabVIEW與PLC的核燃料棒視覺識別與定位系統的開發與應用[D].長沙：湖南大學，2018.

[8]陸健.基于機器視覺的表面貼裝晶片檢測與定位技術研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[9]盛文劍.基于VPN的PAC控制系統在空氣質量檢測中的應用[D].武漢：華中科技大學，2009.

[10]劉亮，楊長祺，倪加明，等.2219鋁合金變極性TIG焊熔透狀態識別方法[J].上海交通大學學報，2016，50（S1）：71-74.