唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(063000)

邢婷婷 戴 琨 牛彩雯 成詠華

基于PLC的礦用圓環(huán)鏈閃光對(duì)焊機(jī)控制系統(tǒng)

唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(063000)

邢婷婷 戴 琨 牛彩雯 成詠華

以礦用圓環(huán)鏈大容量閃光對(duì)焊機(jī)為研究對(duì)象，在簡要介紹焊機(jī)機(jī)構(gòu)和焊接工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了對(duì)焊機(jī)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序?？刂葡到y(tǒng)以西門子S7-200PLC為控制核心，搭建了控制系統(tǒng)硬件模塊并對(duì)各模塊完成了選型。重點(diǎn)討論了控制軟件的設(shè)計(jì)流程，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)了焊接工藝的預(yù)熱、閃光、重復(fù)閃光、頂鍛等過程，上位機(jī)采用了工業(yè)觸摸屏，對(duì)觸摸屏系統(tǒng)軟件界面進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)系統(tǒng)中加入了上位機(jī)控制，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可操作性。經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，環(huán)鏈閃光對(duì)焊機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低，滿足了市場(chǎng)的需要。

圓環(huán)鏈 閃光對(duì)焊 PLC 觸摸屏

0 序 言

礦用圓環(huán)鏈作為采煤刮板輸送機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要部件，其強(qiáng)度直接決定了單次采煤量和采煤工作效率。閃光對(duì)焊工藝作為礦用圓環(huán)鏈焊接的主要方法，具有成本低、操作簡便、效率高等特點(diǎn)[1]。但由于礦用圓環(huán)鏈截面積較大，500 kVA以上的大容量閃光對(duì)焊機(jī)具有較大的市場(chǎng)需求。文中在介紹600KVA閃光對(duì)焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)PLC焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 焊機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

閃光對(duì)焊機(jī)工作時(shí)分為閃光階段和頂鍛階段，對(duì)焊機(jī)結(jié)構(gòu)的功能就是要完成閃光和頂鍛各階段的焊件的各種動(dòng)作。因此，閃光對(duì)焊機(jī)結(jié)構(gòu)一般包括機(jī)座、固定臺(tái)架、移動(dòng)臺(tái)架、液壓夾緊機(jī)構(gòu)等，其機(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示。其中固定臺(tái)架采用機(jī)械聯(lián)接固定在機(jī)座上，移動(dòng)臺(tái)架整體安放在機(jī)座導(dǎo)軌上，水平放置的上下兩支送進(jìn)油缸活塞桿與移動(dòng)臺(tái)架剛性聯(lián)接，通過油缸的伸縮精確控制圓環(huán)鏈焊件之間的焊接距離，豎直安裝的左右兩支夾緊油缸實(shí)現(xiàn)對(duì)圓環(huán)鏈焊件的夾緊，液壓系統(tǒng)中的夾緊油路和送進(jìn)油路均采用電液比例閥精確控制油缸動(dòng)作[2]。

閃光對(duì)焊機(jī)供電裝置包括殼形變壓器以及由次級(jí)繞組和電極組成的焊接回路兩部分組成，焊機(jī)控制系統(tǒng)主要完成焊接電源的通斷,確保焊機(jī)按設(shè)定焊接程序循環(huán)工作,調(diào)節(jié)焊接電流和檢測(cè)焊接接頭質(zhì)量等功能。其中，閃光焊機(jī)控制系統(tǒng)是研究的重點(diǎn)。

圖1 閃光對(duì)焊機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

2 對(duì)焊機(jī)控制系統(tǒng)硬件

對(duì)焊機(jī)焊接動(dòng)作不算復(fù)雜，控制器選用西門子S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)核心，上位機(jī)方面選用WEINVIEW工業(yè)觸摸屏，可以方便快捷的設(shè)定焊接參數(shù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圓環(huán)鏈焊接狀態(tài)，具體選用型號(hào)為CPU226和兩個(gè)EM231擴(kuò)展模塊[3]。數(shù)據(jù)采集方面主要有電流檢測(cè)、液壓壓力和溫度檢測(cè),以及送進(jìn)油缸的位移檢測(cè)等。其中較為重要的是電流互感器和磁致伸縮MTS位移傳感器，位移傳感器的模擬量信號(hào)經(jīng)PLC的CPU運(yùn)算后輸出至電液比例閥以精確控制送進(jìn)油缸位移，實(shí)現(xiàn)焊接電流的穩(wěn)定和頂鍛保壓等。

閃光對(duì)焊機(jī)控制系統(tǒng)的繼電器、接觸器、行程開關(guān)、指示燈、模擬量信號(hào)數(shù)顯表、觸摸屏等元件集成在一個(gè)電氣控制柜中?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集參數(shù)分別由4路A/D通道循環(huán)檢測(cè)；CPU226通過RS232通信協(xié)議與WEINVIEW觸摸屏建立通訊，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 對(duì)焊機(jī)控制系統(tǒng)軟件及PID控制算法

基于西門子PLC200的對(duì)焊機(jī)控制系統(tǒng)主要完成焊接準(zhǔn)備、焊接循環(huán)周期、焊接檢測(cè)記憶故障報(bào)警等功能，其中焊接循環(huán)周期是保證圓環(huán)鏈順利完成閃光對(duì)焊的關(guān)鍵，也是文中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

油缸位移傳感器檢測(cè)到的位移值存放在PLC存儲(chǔ)器D36中，D49為工件到達(dá)剛性接觸后的位移值，D20為圓環(huán)鏈接口間隙位移值。在閃光階段前，送進(jìn)油缸以普通速度前進(jìn)，到達(dá)剛性接觸位置后D36=D39，進(jìn)入閃光階段，油缸以閃光速度運(yùn)動(dòng)，圓環(huán)鏈接頭端部在送進(jìn)油缸的推動(dòng)下發(fā)生輕微接觸，在電流作用下接觸點(diǎn)熔化形成液體金屬過梁，圓環(huán)鏈接頭間隙逐漸減小，接頭端頭溫度也逐漸升高。2 s的延遲時(shí)間之后，送進(jìn)油缸以閃光速度后退直到D36=D20完成一個(gè)回合的預(yù)熱閃光，總共完成C5次閃光后，油缸以閃光速度前進(jìn)到達(dá)頂鍛位置，之后送進(jìn)油缸以頂鍛速度移動(dòng)至頂鍛完成位置后，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)并完成頂鍛保壓，頂鍛保壓是為了密封工件端面間隙和過梁爆破后的火口，擠出間隙中的液態(tài)金屬和夾雜物，獲得牢固的接頭。頂鍛完成后PLC控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。焊接循環(huán)周期流程圖如圖3所示。

在閃光焊的每一個(gè)循環(huán)中，送進(jìn)油缸的位移和送進(jìn)速度都由液壓泵的輸出壓力和流量決定，油缸的位移決定了圓環(huán)連接頭的間隙值。另一方面，圓環(huán)鏈接頭的間隙大小對(duì)焊接電流的穩(wěn)定起著重要作用。因此，控制系統(tǒng)需要對(duì)送進(jìn)油缸的輸出位移進(jìn)行精確調(diào)節(jié)以保證焊接過程中的焊接電流穩(wěn)定。采用基于油缸位移反饋的閉環(huán)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流的精確控制。圓環(huán)鏈焊接系統(tǒng)焊接電流閉環(huán)控制原理圖如圖4

所示。經(jīng)電流變送器采集到的電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入PLC，與系統(tǒng)設(shè)定的焊接電流比較運(yùn)算后，將控制信號(hào)輸出給液壓系統(tǒng)，最終達(dá)到焊接電流穩(wěn)定的目的[4-5]。

圖3 焊接循環(huán)周期流程圖

圖4 焊接電流閉環(huán)控制原理圖

PID控制器通過比例作用減小瞬時(shí)焊接電流的穩(wěn)定誤差，提供了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的響應(yīng)速度。要完全消除穩(wěn)定誤差需要積分作用的持續(xù)作用，微分作用主要提前校正動(dòng)態(tài)誤差，減小焊接電流值的變化速度。系統(tǒng)采用增量式PID調(diào)節(jié)器，首先計(jì)算偏差e(n)=r(n)-y(n)，判斷偏差e(n)在偏差范圍內(nèi)時(shí)，p(n)=p(n-1)+k[e(n)-e(n-1)]+Ke(n)+K[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

文中選用WEINVIEW觸摸屏。觸摸屏與PLC通過RS-232接口的PC/PPI電纜連接起來進(jìn)行通信[6]，可以實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前焊接狀態(tài)參數(shù)如焊接電流、焊接電壓和閃光行程等以數(shù)字形式顯示在控制柜上方便操作者監(jiān)控。

文中所設(shè)計(jì)觸摸屏軟件共有參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示和參數(shù)查詢?nèi)笞咏缑鎇7-8]。針對(duì)不同直徑材料的圓環(huán)鏈焊接，焊接循環(huán)控制程序中的閃光重復(fù)次數(shù)、閃光行程、閃光電流等參數(shù)都需要在焊前進(jìn)行設(shè)置。焊接參數(shù)可以由操作人員手動(dòng)設(shè)置也可從數(shù)據(jù)庫中調(diào)入得到；焊接過程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，需要直觀的方式顯示以便操作人員隨時(shí)掌握焊接過程信息，實(shí)際焊接過程值由PLC循環(huán)掃描后發(fā)送給觸摸屏顯示，并存放在其數(shù)據(jù)寄存器中，WEINVIEW觸摸屏子界面如圖5所示。

圖5 WEINVIEW觸摸屏操作參數(shù)界面

5 圓環(huán)鏈閃光對(duì)焊機(jī)試驗(yàn)

圓環(huán)鏈閃光焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過對(duì)系統(tǒng)硬件控制柜的接線以及數(shù)周的程序調(diào)試，終于達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，現(xiàn)場(chǎng)焊接樣件為40 mm圓環(huán)鏈，在閃光對(duì)焊機(jī)上經(jīng)加熱、壓緊、閃光頂鍛、去焊渣最終得到圓環(huán)鏈焊縫，如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明基于PLC控制的閃光對(duì)焊機(jī)可以順利完成焊接過程的基本動(dòng)作，并能夠得到外觀質(zhì)量良好的焊縫。所得焊縫經(jīng)拉伸和缺口沖擊試驗(yàn)，符合GB/T 12718—2009《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈條標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)[9],說明采用該對(duì)焊機(jī)可以成功的進(jìn)行礦用圓環(huán)鏈的高質(zhì)量焊接。

圖6 圓環(huán)鏈閃光對(duì)焊焊接成品

6 結(jié) 論

文中從工程實(shí)際出發(fā)，以礦用圓環(huán)鏈大容量閃光對(duì)焊機(jī)為研究對(duì)象，在簡要介紹焊機(jī)機(jī)構(gòu)和焊接工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了對(duì)焊機(jī)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序。控制系統(tǒng)以西門子S7-200PLC為控制核心，搭建了控制系統(tǒng)硬件模塊并對(duì)各模塊完成了選型。重點(diǎn)討論了控制軟件的設(shè)計(jì)流程，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)了焊接工藝的預(yù)熱、閃光、重復(fù)閃光、頂鍛等過程。采用了WEINVIEW工業(yè)觸摸屏作為系統(tǒng)上位機(jī)，對(duì)系統(tǒng)子界面中參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示進(jìn)行了介紹。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明，該控制系統(tǒng)顯著提高了閃光對(duì)焊機(jī)的可靠性和工作效率。

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2016-06-21

TG43

邢婷婷，1984年出生，博士研究生，講師。主要研究方向?yàn)殡姎饪刂萍夹g(shù)、故障診斷，已發(fā)表論文8篇。