汪義旺

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 前言

隨著焊接工藝水平提高和焊機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在很多場合需采用數(shù)臺焊機(jī)同時(shí)進(jìn)行焊接作業(yè)，這就需要對多焊機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制。焊接生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化已成為現(xiàn)代焊接技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。在焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用領(lǐng)域，已有采用有線通信或無線通信技術(shù)的控制系統(tǒng)[2-3]。低壓電力線載波PLC（Power Line Carrier）通信技術(shù)是以低壓配電線(380V/220V電力線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式[4]，其優(yōu)勢在于不用進(jìn)行通信線路的專線安裝，即插即用、方便快捷，同時(shí)也為產(chǎn)品的研發(fā)和量產(chǎn)節(jié)約了大量成本[5]，在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用。將PLC通信技術(shù)引入到焊機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，具有無需單獨(dú)布線、結(jié)構(gòu)簡單靈活和組網(wǎng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，這對實(shí)現(xiàn)和推廣焊機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，提高焊機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平等都有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。為此，提出了一種基于PLC技術(shù)焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對焊機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

基于PLC通信技術(shù)的焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、PLC通信模塊單元和焊機(jī)設(shè)備控制終端組成。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由工控機(jī)和監(jiān)控平臺軟件組成，通過運(yùn)行監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)焊機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并通過交互界面對所監(jiān)控的焊機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、故障處理、事件記錄和數(shù)據(jù)日志查詢等功能。PLC通信模塊單元通過電力載波通信網(wǎng)絡(luò)采集各焊機(jī)設(shè)備控制終端（焊機(jī)電源）的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)信息，處理后通過RS232/485通信上傳至遠(yuǎn)程上位工控機(jī)，并接收遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的指令信息，處理后進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。焊機(jī)設(shè)備控制終端主要完成焊機(jī)的焊接控制、參數(shù)信息采集、PLC通信組網(wǎng)、指令解析執(zhí)行和故障預(yù)警保護(hù)處理等功能。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案Fig.1 Block diagram of network control system

系統(tǒng)工作時(shí)，監(jiān)控平臺軟件通過查詢方式，實(shí)時(shí)采集各焊機(jī)的工作狀態(tài)、焊機(jī)電流、電壓和頻率等參數(shù)信息，通過監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新顯示。并可通過管理員操作，對焊機(jī)的開關(guān)機(jī)、焊接參數(shù)設(shè)置和故障解除等進(jìn)行指令設(shè)置。PLC通信模塊單元主要完成電力載波通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到RS232通信數(shù)據(jù)的路由和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)控制終端與監(jiān)控中心的組網(wǎng)運(yùn)行?？刂平K端接受指令，解析后進(jìn)行處理，并將采集的焊機(jī)參數(shù)信息實(shí)時(shí)反饋上傳。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括焊接設(shè)備控制終端（焊接電源）設(shè)計(jì)和PLC通信模塊單元設(shè)計(jì)兩部分。

2.1 焊接設(shè)備控制終端設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的焊接設(shè)備控制終端應(yīng)用于超聲焊機(jī)，焊接電源主要由主電路和控制電路兩部分組成[6]，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 焊接電源硬件結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 B ardware structure schematic of ultrasonic welding power supply

主電路包括交流不控整流濾波電路、全橋逆變器和高頻變壓器等部分。單相交流輸入經(jīng)過不控整流和濾波環(huán)節(jié)變成穩(wěn)定直流電，直流再通過全橋逆變器轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，將其通過匹配網(wǎng)絡(luò)，送至負(fù)載換能器[7]?？刂齐娐芬匀鹚_電子的R5F21336芯片為控制核心，R5F21336單片機(jī)屬于瑞薩R8C/33C群系列，裝載了R8C CPU內(nèi)核，具有高功能指令和高指令效率，內(nèi)置了多功能定時(shí)器、串行接口等各種外圍功能單片機(jī)[8]。控制電路主要包括輸出采樣電路、PLC通信電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、按鍵顯示電路和外部時(shí)鐘（RTC）電路等。

PLC通信電路采用PL2102芯片組成，PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境研制開發(fā)的專用于低壓電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。它僅由單一的+5 V電源供電，以及一個(gè)外部的接口電路與電力線耦合[11]。PL2102采用直序擴(kuò)頻技術(shù)的半雙工同步數(shù)據(jù)傳輸方式在電力線上傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和緩沖放大器后形成低諧波擴(kuò)頻發(fā)送信號；接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行解擴(kuò)處理，然后由輸出端輸出數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻數(shù)據(jù)的長度、捕獲電平及跟蹤電平均可由軟件設(shè)定[12]。主控制芯片R5F21336通過I2C總線與PL2102芯片通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

PL2102的功率放大電路與信號濾波限幅耦合電路如圖3所示[11-12]，功率放大電路是由晶體管2SC1015與9015組成的兩級互補(bǔ)功放電路。當(dāng)控制器處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，主控單片機(jī)控制PL2102開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過PL2102擴(kuò)頻后由PSKOUT腳輸出給功率放大電路進(jìn)行功率放大，然后經(jīng)過一個(gè)LC帶通濾波器使信號達(dá)到電力線載波通信的諧波要求，最后通過耦合電路將調(diào)制信號加載到電力線上。

圖3 功率放大與信號濾波限幅耦合電路Fig.3 Power amplifier and signal filter limiting coupling circuit

2.2 PLC通信模塊單元設(shè)計(jì)

PLC通信模塊單元主要完成電力載波通信數(shù)據(jù)與RS232（或者RS485）通信間的數(shù)據(jù)路由與轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)供電線上焊接電源控制終端的數(shù)據(jù)與監(jiān)控管理中心間的PLC組網(wǎng)通信。PLC通信模塊單元采用瑞薩電子的R5F1007高性能單片機(jī)來設(shè)計(jì)。R5F1007與PLC間采用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信。電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，同時(shí)設(shè)計(jì)了兩種與監(jiān)控工控機(jī)的通信接口RS232和RS485，可根據(jù)需要選用，還設(shè)計(jì)了通信模塊地址設(shè)置輸入電路和數(shù)碼管顯示電路等。

圖4 PLC通信模塊電路組成Fig.4 Circuit diagram of PLC communication module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在上位工控機(jī)監(jiān)控平臺上，實(shí)現(xiàn)對多焊機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。軟件采用基于Visual Studio開發(fā)平臺進(jìn)行開發(fā)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)是集用戶管理、焊機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、通信管理模塊、事件日志管理、數(shù)據(jù)庫管理等為一體的綜合管理網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺，通過對平臺的管理和操作，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中每臺焊機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，并可實(shí)施遠(yuǎn)程調(diào)度控制、打印查詢運(yùn)行日志和事件記錄等功能，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件組成如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件組成框圖Fig.5 Composition diagram of network control system software

3.2 焊接設(shè)備控制終端軟件設(shè)計(jì)

焊接設(shè)備控制終端軟件采用C語言程序和模塊化思想進(jìn)行編寫設(shè)計(jì)，焊接電源的控制策略采用文獻(xiàn)[7]所述的控制算法，實(shí)現(xiàn)對超聲焊機(jī)的高精度控制。控制終端軟件主要包括主程序模塊、焊機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和人機(jī)接口模塊等組成。主程序是控制軟件的執(zhí)行部分，運(yùn)行時(shí)對各子程序模塊進(jìn)行調(diào)用，所設(shè)計(jì)的主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序軟件流程框圖Fig.6 Software flowchart of the main program

4 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證所提出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能，基于前面分析和提出的系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了一套采用PLC通信技術(shù)的多焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)超聲焊機(jī)容量100臺，對設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的測試試驗(yàn)。從試驗(yàn)效果看，通信數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、穩(wěn)定可靠，在不增加系統(tǒng)布線的情況下，就可有效地實(shí)現(xiàn)多焊接的PLC組網(wǎng)控制，提升了焊機(jī)控制的自動(dòng)化水平，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了該方案的正確性和優(yōu)越性。

5 結(jié)論

將PLC通信技術(shù)引入到焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，分析了系統(tǒng)的組成和工作原理和系統(tǒng)的硬、軟件，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測試。表明采用PLC通信技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)多焊接的組網(wǎng)運(yùn)行，這為焊接技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制提供了一種行之有效的低成本系統(tǒng)解決方案，應(yīng)用前景廣闊。

[1]陳樹君，潘冰心，閆霍彤.基于現(xiàn)場總線技術(shù)的VPPA焊接電源網(wǎng)絡(luò)控制[J].電焊機(jī)，2011，41（4）：6-9.

[2]余棉水，謝 宇，溫自力.基于CAN總線的數(shù)字化CO2焊接電源設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（7）：155-159.

[3]朱俊杰，楊成本，蔡 艷，等.基于ZigBee技術(shù)的焊接電源群組化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2011，41（4）：24-27.

[4]陳 鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術(shù)及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（22）：188-195.

[5]宋樹祥，韋正叢，梁承福，等.基于低壓電力載波通信的單相智能電表的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（6）：1711-1713.

[6]蘇鳳岐，汪建新，孫建平.基于PWM大功率超聲波電源的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2006（12）：122-124.

[7]汪義旺，汪曉東，車保川.基于變參數(shù)PI-ADPLL超聲焊接電源的頻率跟蹤控制[J].電焊機(jī)，2009，39（12）：89-91.

[8]R8C/33C Group Datasheet.[EB/OL].[2010-08-24].http：//http：//cn.renesas.com.

[9]杜建華，張認(rèn)成.基于低壓電力載波通信的溫度采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（5）：31-34.