埋弧焊接控制系統(tǒng)設計

1 軋輥埋弧焊接控制概述

埋弧焊是一種重要的焊接方法，其優(yōu)點是焊接時將弧光埋起來，對人及環(huán)境的影響非常小。

埋弧焊施焊有三個基本環(huán)節(jié)：在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠顆粒狀焊劑;導電嘴和焊件分別接通焊接電源兩極以產(chǎn)生焊接電弧;自動送進焊絲并移動電弧和焊件實施焊接。埋弧焊自動控制技術(shù)包括兩個方面：對自動焊過程的順序控制，實現(xiàn)三個基本環(huán)節(jié)控制;對弧焊設備和焊接過程的自動控制，包括弧焊機輸出特性的控制，焊接過程自動跟蹤及焊接過程的自適應控制等。

2 現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線是在智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)間提供一個全數(shù)字化的、分散的、雙向的、多點的通訊鏈接的一種產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線技術(shù)及標準是全開放式的，從總線標準、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公然的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶。

智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、微型化、分散化代表著當今自控技術(shù)發(fā)展的主流方向，而現(xiàn)場總線正是促使控制系統(tǒng)順應這一發(fā)展方向的重要技術(shù)。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，也是現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)自動化的開發(fā)熱門之一。其突出特點在于克服了DCS中通訊由封閉的專用網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，同時把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身實現(xiàn)基本控制功能。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是應用現(xiàn)場總線技術(shù)對傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了數(shù)字化的信息傳輸，通訊質(zhì)量和連線方式上都有較大突破。

軋輥焊接設備FCS廢除了DCS中采用的“操縱站-控制站-現(xiàn)場設備”3層主從結(jié)構(gòu)的模式，把輸進/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場單元中往，任何一個單元出現(xiàn)故障只影響本身而不會危及全局，這種徹底的分散型控制體系使系統(tǒng)更加可靠。軋輥焊接設備FCS可采用多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，給自動化系統(tǒng)的施工帶來極大的方便，布線較DCS節(jié)省經(jīng)費。基于以上FCS的優(yōu)點，本設計應用現(xiàn)場總線技術(shù)組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接設備的自動化控制。

3 軋輥焊接控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 現(xiàn)場總線選型

PROFIBUS現(xiàn)場總線是西門子公司開發(fā)制定的一種現(xiàn)場總線標準，是在國際上比較流行的一種現(xiàn)場總線。PROFIBUS的網(wǎng)絡協(xié)議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，對第三層到第六層進行簡化，他的標準適應性強。PROFIBUS現(xiàn)場總線基于令牌協(xié)議與主從輪詢相結(jié)合的存取控制方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)。由于PROFI-BUS現(xiàn)場總線技術(shù)上的成熟性和開放性，以及實際應用中的本錢上風，軋輥焊接設備控制系統(tǒng)中采用PROFIBUS現(xiàn)場總線。

3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組成

PROFIBUS-DP的特點更適用于單臺生產(chǎn)機械的組網(wǎng)，設計中采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)來進行組網(wǎng)。軋輥焊接設備主站和從站均選擇PLC，PROFIBUS-DP用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O的通訊，特別適合于PLC與現(xiàn)場設備間通訊。PROFIBUS-DP掃描1 000個I/O點的時間少于1 ms，支持9.6 k～12 M的通訊速率和中繼器的擴展功能。軋輥焊接設備FCS網(wǎng)絡采用總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡介質(zhì)使用RS-485標準屏蔽雙絞線。PROFIBUS-DP是制造業(yè)自動化主要應用的協(xié)議內(nèi)容，是一種高速低本錢通訊方案，能夠滿足在長軋輥焊接過程中要求的快速性和實時性。

軋輥焊接設備FCS配置相當靈活，組網(wǎng)形式多種多樣。軋輥焊接設備現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)如圖1所示。PRO-FIBUS網(wǎng)絡的實現(xiàn)主要由帶PROFIBUS通訊接口的中心處理器或通訊模塊完成，通訊模塊有DP主站和DP從站等。本系統(tǒng)為多主多從、單生產(chǎn)廠商設備的DP混合系統(tǒng)。FCS包括2個主站和2個從站。一類主站主要進行協(xié)調(diào)控制從站，二類主站進行監(jiān)視，從站主要進行焊接運動控制。從站為外圍設備，沒有總線控制權(quán)，僅當接受到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向他發(fā)送信息。

應用西門子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現(xiàn)場控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通訊協(xié)議為PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議。CPU315-2DP PLC作一類主站，觸摸屏TP170作為二類主站，CPU224XP是從站。EM277可作為CPU224XP接進PROFIBUS現(xiàn)場總線專用模塊。主站之間的通訊為令牌方式，主站與從站之間的通訊為主從方式。圖中兩部分從站系統(tǒng)組成相同，能夠?qū)崿F(xiàn)分別加工2根短軋輥和共同加工1根長軋輥。

4 軋輥焊接控制系統(tǒng)軟件設計

在主一從系統(tǒng)中，主站與從站采用主-從程序?qū)崿F(xiàn)通訊。主-從系統(tǒng)答應主站當前有權(quán)發(fā)送、存取指定給他的從站設備，這些從站是被動節(jié)點，主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。S7-300 PLC程序主要進行組織、監(jiān)視和協(xié)調(diào)等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中斷程序和各種功能子程序，主要進行具體的運動控制、通訊等操縱。

4.1 一類主站CPU315-2DP軟件設計

S7-300 PLC程序包括系統(tǒng)組態(tài)，數(shù)據(jù)計算與處理程序，上位機與下位機通訊程序等。對硬件進行組態(tài)是建立現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的關鍵環(huán)節(jié)，把網(wǎng)絡中所有的硬件通過這一環(huán)節(jié)聯(lián)成有機的網(wǎng)絡。此過程不是簡單的線路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的網(wǎng)絡。應用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實現(xiàn)硬件組態(tài)功能和控制軟件編輯功能。

CPU315-2DP控制程序主要是進行監(jiān)視從站工作狀態(tài)和長軋輥焊接時進行兩臺CPU224XP的協(xié)調(diào)控制。焊接長軋輥時兩臺從站CPU224XP協(xié)調(diào)控制在此處是個難點，首先要由CPU315-2DP向兩臺CPU224XP從站發(fā)時鐘信號，利用現(xiàn)場總線即可實現(xiàn)，通訊協(xié)議是PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊協(xié)議。然后設置好兩臺CPU224XP的實時時鐘，這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。

4.2 二類主站TP170A軟件設計

TP170A的組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool，通過其進行參數(shù)選擇與設置，設計焊接操縱界面，最后將程序塊存進CPU315-2DP存儲器中。操縱界面可進行焊接方式選擇和焊接參數(shù)設置等操縱。操縱界面功能選擇頁如圖2所示。

4.3 從站CPU224XP軟件設計

PLC系統(tǒng)軟件一般采用模塊化程序設計，整個程序由若干個功能相對獨立的模塊組成。PLC強大的數(shù)學功能指令使復雜的數(shù)學計算變得輕易實現(xiàn)。S7-200PLC控制程序從結(jié)構(gòu)上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數(shù)的初始化等操縱;功能子程序包括焊機組合變位控制子程序、機頭行走子程序、送絲控制子程序、絲極擺動控制子程序、電流控制子程序、雙機長軋輥加工子程序、手動操縱臺信號處理子程序等。實際控制時要求這些程序控制的動作協(xié)調(diào)同一，不單純依靠主程序或某一子程序控制。

加工長軋輥時兩臺從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發(fā)出的時鐘信息，然后設置好實時時鐘。接下來通過比較判定兩臺從站時鐘是否一致，如不一致，向CPU315-2DP發(fā)出錯信息，CPU315-2DP重新發(fā)送時鐘信息。這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。雙機焊接長軋輥子程序控制流程圖如圖3所示。

5 結(jié) 語

軋輥埋弧焊接專用設備控制系統(tǒng)設計方案采用基于PLC的PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。應用現(xiàn)場總線技術(shù)的軋輥埋弧焊接控制系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監(jiān)視、控制等操縱變得更加輕易，有利于進步勞動生產(chǎn)率。