膜式拼排焊機電氣控制系統的設計

劉茵茵

（上海市環境學校，上海 200135）

1 設備概述

1.1 設備簡介

膜式壁是大型電站鍋爐的重要部件，膜式拼排焊機是制造膜式管排的關鍵設備。膜式拼排焊機采用埋弧焊接工藝，通過選擇連續或不連續的焊接方式將精整過的扁鋼和除銹處理后的管子焊接成膜式管排。

膜式拼排焊機主要由機械系統、電氣控制系統和焊接系統三部分組成。機械系統包括設備床身、管排上壓輪、側壓輪、下部托輪、輔助送絲機構、藥粉補給和回收機構及焊槍等；電氣控制系統包括電氣控制柜、驅動系統、電磁氣閥、觸摸屏、操作按鈕站和現場傳感器等；焊接系統包括焊接電源和送絲機構等。

如圖1所示，驅動輥道由同一臺電機驅動實現各組輥道同步運動。上壓輪將管子壓緊在驅動輥道上，驅動輥道轉動時將管子向前傳送。上壓輪和托輪配合使用可使扁鋼在垂直方向保持在管子中心高度，側壓輪用于使管子和扁鋼在水平方向保持緊密接觸，防止其產生偏移，從而影響焊接質量。上壓輪和托輪可由電機驅動在水平方向

移動，可調整到不同的位置，以適應不同工況的焊接。當管子和扁鋼在水平及垂直方向位置被固定之后，在圖中A點進行焊接。隨著管子和扁鋼的前進，管子和扁鋼被焊接在一起。設備共有4把焊槍，最多可同時進行4條焊縫的焊接。焊槍可在水平方向移動，以方便調整到合適的焊縫位置，焊槍也可手動控制升降。為保證焊絲的可靠傳送，配置了輔助送絲裝置，以增大送絲驅動力，配合焊機正常送絲。

1.2 控制系統功能要求

本拼排焊機控制系統要求能夠實現的主要控制功能有：所有的設備動作都需要相關的操作開關，以方便操作調整。焊接電流、焊接電壓可通過自復位旋鈕實現焊接實時調整；焊接參數的設置、當前實際焊接電壓電流顯示及設備狀態顯示均可通過人機界面實現；最多記錄2年焊接電壓和焊接電流數據，并具備查詢歷史焊接電壓、電流數據的功能；可測量并記錄每把焊槍的焊接長度，并提供查詢功能；可根據管排焊接長度和非焊接長度的工藝要求，實現給定長度的逐段自動焊接；系統可自動測量托輪、壓輪的當前位置，并實現給定位置的自動定位；焊接輥道速度可無級調速，輥道電機驅動系統應保證焊接速度平穩和較高的速度控制精度。

2 控制系統硬件構成

根據上述功能要求，結合考慮到設備使用場合較差的工況條件，故該拼排焊機的控制系統采用以PLC為控制核心，觸摸屏為人機界面的系統構成。這種控制方案最為實用，系統可靠性高，維護方便。

下頁圖2是該設備電氣控制系統的硬件構成框圖。整個控制系統以西門子S7-1215C型PLC為控制核心，其擴展通訊模塊配置有DP接口，能夠便捷的進行現場總線網絡的構建與通信，實現對焊接電源動作及焊接參數的控制。

伺服系統具有較高的調速精度及良好的動態響應，故該控制系統采用了伺服驅動系統來實現對焊機焊接速度的較高精度的平穩控制。該控制脈沖編碼器用于焊接長度的檢測，直線尺用于上壓輪、托輪位置的檢測。為便于人機交互，本控制系統采用觸摸屏作為人機界面，實現了系統相關數據的設定、調節、顯示和存儲。

3 關鍵技術

3.1 焊接電源及焊接參數控制

如圖3所示，本項目采用的伊莎焊接電源支持Profibus總線協議，PLC通過擴展通信模塊與4個焊接電源控制板構成一個總線網絡。PLC通過Profibus總線與焊接電源控制板PAB進行通信，將控制信號及焊接參數寫入控制板Profibus總線通信協議指定的控制字中；控制板則依據控制字定義的功能對焊接電源進行控制，實現對焊接啟停、送絲方向、送絲速度、焊接電壓及焊接電流的控制。

在焊接電源控制板的Profibus總線通信協議中，控制板控制焊接電源的控制字為16個字，共32個字節。其中0號字節用于焊接啟動、停止及送絲方向的控制，8號和9號字節用于焊接電壓的控制，10號和11號字節用于送絲速度的控制，12號和13號字節用于焊接電流的控制。

焊接電源的狀態也可通過控制板總線通信協議規定的狀態字進行反饋，PLC可通過Profibus總線與焊接電源控制板進行通信，讀取焊接電源的狀態數據，通過人機界面進行監視和查看。

3.2 焊接速度的精準控制

為保證焊接質量，要求焊接速度平穩且應有較高的調速精度。因伺服系統的速度控制穩定性較好、調速精度較高且具有良好的動態響應性，故在該案中使用伺服系統進行焊接速度的控制。

如圖4所示，利用西門子S7-1215C型PLC、臺達ASDA-A2伺服驅動器和伺服電機構成的伺服系統，通過PLC的模擬量輸出信號將0-10V的速度命令送至伺服驅動器，控制伺服電機的轉速及輥道運行速度，實現焊接速度的精準控制。

3.3 焊接長度的檢測

為滿足生產管理要求，便于計算工人產量，系統要求能夠自動檢測焊接長度。

如圖5所示，脈沖編碼器與計數輪同軸安裝；計數輪通過氣缸緊壓在管子上，當管子前進時，帶動計數輪及脈沖編碼器同步轉動。因計數輪輪面上有直條紋，故不會打滑，脈沖編碼器能較為準確地測量管子焊接長度。本案選用編碼器分辨率為2 000 P/R，計數輪每轉一圈，編碼器產生2 000個脈沖；計數輪周長為250 mm，即編碼器的2 000個脈沖對應的焊接長度為250 mm，則測量分辨率為250/2 000=0.125 mm/P。如果PLC的計數方式選擇4倍頻計數，則分辨率可達0.03 mm，完全能夠滿足系統對焊接長度的計量需求。

編碼器的輸出接口為PNP型集電極開路輸出形式，以與PLC的輸入接口相匹配。編碼器輸出的A、B相計數脈沖通過PLC的I0.0、I0.1端口輸入，由PLC提供的高數計數器進行計數；PLC將測量得到的計數值通過數學運算換算成對應的測量長度。

3.4 焊接位置控制

為保證焊接質量，需對焊接位置進行準確的檢測和定位控制。直線尺結構簡單，使用方便，能夠檢測壓輪、托輪及側壓輪的絕對位置，實現對焊接位置的定位控制。見圖6。

直線尺內部是一個直線電位器，外部測量點連接于該電位器的中間位置。如上圖所示，當壓輪、托輪等相關部件運動時，直線尺分段電阻值產生了與位移量成線性關系的變化。該分段電阻值通過轉換模塊轉換成與之對應的電信號，然后通過PLC的模擬量輸入接口將電信號轉換為相應的位置數字量，用于這些運動部件的位置記憶和定位控制。

由于電流信號較電壓信號具有較好的抗干擾能力，所以在本案中直線尺采用了4~20mA的電流輸出信號。

4 軟件編制

根據系統的功能要求和硬件配置，編制相應的控制軟件。整個控制系統的軟件主要包括焊接參數控制和輥道控制、焊接位置控制、焊接長度測量與計算、間斷焊接控制四部分功能，見圖7。

4.1 焊接參數及輥道控制

在該部分的控制程序中，主要是對焊接電源及焊接參數以及焊接速度的控制。

4.1.1 焊接電源及焊接參數控制

焊接電源控制板根據Profibus總線通信協議的規定的16個控制字定義的功能對焊接電源啟停、焊接電壓、焊接電流、送絲方向及送絲速度進行控制。四個焊接電源控制板由網絡組態得到對應的通信輸入地址范圍。如A號焊接電源控制板的通信輸入地址范圍為QB200至QB231，則按照焊接電源控制板Profibus總線通信協議的控制字的規定，QB200.0用于焊接啟動控制，QB200.1用于焊接停止控制，QB200.4和QB200.5用于送絲方向的控制，QB208和QB209分別為焊接電壓的低字節和高字節數據，QB212和QB213分別為焊接電流的低字節和高字節數據。PLC則通過總線與控制板進行通信，將焊接控制信號和焊接參數寫入焊機電源控制板指定的控制字中，實現對該焊接電源和焊接參數的控制，并按一定周期對焊接電壓、焊接電流進行周期性數據刷新。

對于焊接的啟弧電壓、啟弧電流、收弧電壓、弧坑時間等非周期性刷新數據，可根據需要使用焊接電源控制板通訊協議的對應控制字進行單獨設定。如根據伊莎焊機Profibus總線通信協議的定義，弧坑時間的數據設置功能號為29號，Profibus總線組態得到的焊接電源控制板的硬件標識符為283，我們使用WRREC指令根據上述參數進行弧坑時間的設置。

4.1.2 焊接速度控制

伺服驅動器的速度命令為-10~+10 V，可設定輥道電機轉速范圍為-3 000~+3 000 r/min。當伺服驅動器的SON端為ON時，伺服回路啟動，通過程序設定PLC輸出的模擬電壓數值，將此速度命令送至伺服驅動器的V-REF端，控制伺服電機的轉速，即可實現輥道運行速度的控制。

4.2 焊接位置控制（見圖8）

該設備對焊接位置的控制精度要求不高，位置誤差范圍在2 mm內即可。

當壓輪、托輪等相關焊接位置控制部件運動時，直線尺檢測得到當前位移量，通過轉換模塊將位移量對應的電阻值轉換為電流信號，通過PLC的模擬量輸入模塊將該電流信號轉換為當前位置值。控制程序將當前位置值與設定的目標位置值進行比較，若位置誤差Δ＞2 mm，則通過程序控制壓輪或托輪電機正向轉動，若位置誤差Δ＜-2 mm，則控制壓輪或托輪電機反向轉動，當位置誤差-2 mm≤Δ≤2 mm時，電機停轉，完成焊接位置的定位控制，同時，相關位置數據需進行記憶存儲，便于后續對焊接位置的再次定位。

4.3 焊接長度測量與計算（見下頁圖9）

在焊接啟動之前，先進行焊接長度數據的清零，之后使用PLC的高速計數器指令統計焊接過程中編碼器產生的脈沖個數，將其換算為焊接長度，換算公式為：

式中：L為焊接長度；L0為計數輪的周長；nz為測量中編碼器產生的總脈沖個數；na為計數輪每轉一圈編碼器產生的脈沖個數；s為選擇的計數倍頻。

為便于計算工人產量，需在每班、每日焊接工作結束時對每日焊接長度、當班焊接長度和焊接總長度數據進行記憶存儲。

4.4 歷史數據存儲與查詢（見圖10）

系統要求可最多記錄2年的焊接電壓和焊接電流的數值，并可提供查詢歷史焊接電壓、電流值的功能。

如設置每2 min存儲一次數據，每次需存儲各焊接電源的焊接電壓、電流和速度共9個數據，每天需存儲6 480個數據，兩年共需存儲4 730 400個數據，如此龐大的數據量，使用PLC進行存儲不能滿足需求，本項目采用了觸摸屏擴展U盤進行歷史數據的存儲。

如圖11所示，進行數據記錄時，先讀取當前時刻的焊接電流、電壓和速度值，并將當前日期、時間值換算成地址值Adr，之后使用SETDATA指令將讀取的焊接數據存入EM文件中的Adr位置。間隔2分鐘后，再次讀取焊接電流、電壓和焊接速度值，此時，日期及時間值對應的地址值經變址后為Adr=Adr+10，之后將讀取到的數據存入變址后的Adr位置。以此類推，每隔2 min即進行一次焊接數據的讀取、日期及時間值換算地址值的變址及數據存儲。

觸摸屏EM文件共有EM0~EM9十個文件，每個EM文件地址范圍均為0~1 073 741 823，可提供的數據存儲地址總數為10 737 418 230個，數據存儲容量足夠滿足該系統兩年4 730 400個歷史數據的存儲需求。

進行數據查詢時，先將讀取查詢日期換算成該日期的起始存儲地址Adr0，然后使用GETDATA指令將EM文件中Adr0起始的720組數據讀出，之后利用觸摸屏曲線顯示元件將上述數據以圖形曲線形式進行顯示即可。

5 人機界面

人機界面采用的是威綸MT8121iE型觸摸屏，用于設備相關數據的設定、調節、顯示和存儲。該型觸摸屏無論是屏幕尺寸、性價比、經濟性及維護的便利性，均能夠較好的滿足設備使用需求。

共設計制作了五個畫面：主畫面、歷史數據查詢畫面、焊接程序設置畫面、焊接位置顯示與設置畫面及焊接輔助設置畫面。見下頁圖12。

主畫面用于基本焊接參數如焊接電壓、焊接電流、焊接速度的設定及顯示，同時也可顯示焊接設備狀態數據，如焊接位置、焊接長度、非焊接長度等。

如下頁圖13所示，歷史數據查詢畫面用于查詢四只焊槍的焊接電壓、焊接電流、焊接速度及焊接長度的歷史數據。可最多記錄、顯示2年的焊接電壓和焊接電流值。

如下頁圖14所示，焊接程序設置畫面用于自定義設置分段焊接參數，如管排焊接長度、管排非焊接長度，實現給定長度的逐段焊接。

如圖15所示，焊接位置顯示與設置畫面用于壓輪、托輪、側壓輪位置的設置、顯示和定位控制。

6 結語

本設備的控制系統設計中，使用西門子S7-1200 PLC通過PROFIBUS總線通訊實現了對焊機電源及焊接參數的控制。另外，使用伺服系統使焊接速度的控制有較高的精度和較好的穩定性，保證了焊接質量。編碼器、直線尺的使用，有效實現了對焊接位置及焊接長度的檢測和控制。控制系統使用了“PLC+功能模塊+觸摸屏”這種簡潔實用的控制模式，系統的可靠性高，維護方便，設備運行穩定可靠。