(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314036 ； 2.東方特鋼有限公司， 浙江 嘉興 314000)

基于PLC的鍋爐過熱器水管半周堆焊自動(dòng)控制系統(tǒng)

寇舒1王爾明2

(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314036 ； 2.東方特鋼有限公司， 浙江 嘉興 314000)

為提高鍋爐過熱器水管半周堆焊的自動(dòng)化程度、實(shí)現(xiàn)較好的堆焊效果，將傳統(tǒng)上重復(fù)的人工操作轉(zhuǎn)化為智能性的自動(dòng)化系統(tǒng)，以三菱FX系列PLC為核心設(shè)計(jì)了鍋爐水管半周堆焊自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)過與焊機(jī)通訊，以及三軸伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到最終的半周堆焊效果。該系統(tǒng)可通過觸摸屏進(jìn)行水管以及焊接要求等參數(shù)的設(shè)定，以適應(yīng)多種直徑水管的半周堆焊。通過最終的工廠試驗(yàn)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了半周堆焊的自動(dòng)控制，具有較高的堆焊精度，極大地提高工作效率、降低人力成本，同時(shí)保證了相比于人工堆焊更好的堆焊效果。該系統(tǒng)極大提高了產(chǎn)品自動(dòng)化程度，在降低成本的同時(shí)，保證了較好的半周堆焊效果，滿足最終使用要求。

過熱器水管半周堆焊觸摸屏PLC伺服電機(jī)

0 序 言

鍋爐系統(tǒng)中的煙氣包含大量的粉塵、腐蝕性氣體等，過熱器由于受到煙氣的直接沖刷，容易造成局部磨損，最終造成爆管事故，所以要對(duì)過熱器水管進(jìn)行堆焊，增加其耐腐蝕、耐沖刷的能力，保證鍋爐可以正常長時(shí)間運(yùn)行，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)以及后期的維護(hù)成本[1]。采用水管的半周堆焊解決了之前的水管全周堆焊造成的材料浪費(fèi)以及生產(chǎn)成本的增加問題，同時(shí)又滿足了使用要求[2-3]。所謂的水管半周堆焊就是將水管受腐蝕側(cè)進(jìn)行特殊處理，而另一側(cè)可以維持原狀。

目前國內(nèi)發(fā)電廠鍋爐基本沒有對(duì)鍋爐天井、蒸發(fā)器、過熱器等水管的自動(dòng)堆焊技術(shù)的研究，已有的技術(shù)是靠人工手動(dòng)堆焊，耗時(shí)長，效率低，且堆焊質(zhì)量無法把控。所以需要研究出一種智能水管堆焊技術(shù)，克服以往人工堆焊的缺點(diǎn)，提高工作效率及堆焊質(zhì)量?？删幊炭刂破?PLC)具有編程簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，較多地被應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中[4]，故設(shè)計(jì)了一套基于三菱PLC的FX系列鍋爐過熱器水管自動(dòng)半周堆焊系統(tǒng)，可以較好的解決上述問題。

1 鍋爐水管自動(dòng)半周堆焊系統(tǒng)介紹

鍋爐過熱器水管半周堆焊系統(tǒng)主要由精密的機(jī)械部分和精準(zhǔn)的電氣部分構(gòu)成。圖1為機(jī)械部分的構(gòu)成。

圖1 鍋爐過熱器水管半周堆焊機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制水管的水平運(yùn)動(dòng)；水管旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制水管的旋轉(zhuǎn)的方向、速度；數(shù)控?cái)[動(dòng)器控制焊槍的左右擺動(dòng)，擺動(dòng)速度與擺動(dòng)距離可以進(jìn)行設(shè)定。

該系統(tǒng)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是配有對(duì)稱防變形加熱系統(tǒng)，用來抵消水管在堆焊過程中焊接產(chǎn)生的變形量，避免水管變形造成施焊困難的影響及后期水管矯形工序。操作時(shí)主要是在半周堆焊的過程中同時(shí)利用氬弧焊電弧在水管背側(cè)進(jìn)行加熱，并在堆焊管中通入流動(dòng)的冷卻水，最終有效的控制了水管在半周堆焊過程中的變形。

焊接過程中，在不影響焊接質(zhì)量的同時(shí)，為最大限度的提高焊接效率，焊槍需要進(jìn)行微小的往復(fù)擺動(dòng)，其方法是焊槍固定，只進(jìn)行輕微的擺動(dòng)，以保證其電弧穩(wěn)定性。水管半圓弧往復(fù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)半周堆焊；水平行走電機(jī)控制水管的水平向前移動(dòng)。

綜上所述，堆焊軌跡呈方波狀。每焊接水管半個(gè)圓弧后轉(zhuǎn)變焊接方向，并不斷向前移動(dòng)。最終水管半周堆焊的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 水管半周堆焊運(yùn)動(dòng)軌跡

為防止水管旋轉(zhuǎn)方向切換時(shí)堆焊效果不理想，故增加了該控制系統(tǒng)與焊接主板的RS232通訊，通過三菱PLC與焊機(jī)的信息交互，可以精確的控制焊接整個(gè)的啟停過程，可以使電弧變化平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)位置精確，最終實(shí)現(xiàn)焊縫外觀的美觀一致。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了最高限度的提高設(shè)備的應(yīng)用范圍，該控制系統(tǒng)采用了“HMI+PLC+下位機(jī)”的控制模式，其整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。以PLC為核心實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的通訊、電機(jī)之間的動(dòng)作配合，通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)輸入，PLC進(jìn)行綜合判斷處理，通過焊槍、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作，最終構(gòu)成一套完成的過熱器水管半周堆焊的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成。

圖3 基于三菱PLC的控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1 觸摸屏

該系統(tǒng)觸摸屏選用維綸MT6071iE系列，與三菱Fx3u系列PLC進(jìn)行RS-232通訊，該觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)/自動(dòng)切換，水管尺寸、水管旋轉(zhuǎn)速度、水管行進(jìn)速度、焊槍擺動(dòng)速度和幅度值的給定，以及手動(dòng)控制電弧加熱器、冷卻水泵的啟停操作等，最大限度的方便人工操作，以適應(yīng)不同的工況。其人機(jī)界面如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面組成

2.2 可編程控制器

可編程控制器選用三菱Fx3u系列PLC，實(shí)現(xiàn)各電機(jī)之間以及其它輔機(jī)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)堆焊的過程。其系統(tǒng)主要包括Fx3u-16MT/ESS型號(hào)CPU，此種型號(hào)PLC一共包含16個(gè)I/O點(diǎn)，其中輸出點(diǎn)有8路，因此最多可控制四臺(tái)伺服電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)控制器與焊機(jī)之間的通訊，增加QJ71C24N擴(kuò)展通訊模塊。最終以三菱PLC為核心的控制盤內(nèi)部接線如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)之前需要確定各電機(jī)的動(dòng)作速度以及距離。

3.1 旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算

已知三菱伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個(gè)脈沖，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，功率200 W，額定扭矩0.64 N·m，最大扭矩2.2 N·m，減速齒輪減速比為1∶10，小齒輪DN40(R1=20 mm)，大齒輪DN400(R2=200 mm)，水管管徑DN60(R3=30 mm)，要求最終水管旋轉(zhuǎn)速度0.5 mm/s。

由水管旋轉(zhuǎn)速度0.5 mm/s(觸摸屏設(shè)定)可知：大齒輪的旋轉(zhuǎn)速度v1=(R2/R3)×0.5 mm/s；小齒輪的旋轉(zhuǎn)速度v2=大齒輪旋轉(zhuǎn)速度v1；故旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速n=v1/(2×3.14×R1) r/s。已知伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個(gè)脈沖，故電機(jī)最終每秒的脈沖頻率f=4 194 304n。

3.2 旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)距離的計(jì)算

該系統(tǒng)是對(duì)水管進(jìn)行半周堆焊，其堆焊距離也可進(jìn)行計(jì)算得出。由水管旋轉(zhuǎn)半周得：大齒輪旋轉(zhuǎn)距離s1=(R2/R3)×3.14×R3mm；小齒輪的旋轉(zhuǎn)距離s2=大齒輪旋轉(zhuǎn)距離s1；小齒輪需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)n=3.14×R3×(R2/R3)/3.14×R1。已知伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個(gè)脈沖，故最終水管旋轉(zhuǎn)半軸需要的脈沖數(shù)量N=4 194 304n。

當(dāng)執(zhí)行完N個(gè)脈沖后電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，再次進(jìn)行N脈沖距離，依次往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)水管的半周堆焊功能。該水管的管徑可以進(jìn)行設(shè)定，電機(jī)最終的脈沖頻率根據(jù)水管管徑計(jì)算得出，故該系統(tǒng)也可以對(duì)其它管徑的水管進(jìn)行堆焊，增加了其通用性。

3.3 焊槍擺動(dòng)伺服電機(jī)行走速度及距離計(jì)算

焊槍擺動(dòng)電機(jī)選用直線導(dǎo)軌式伺服電機(jī)，可以根據(jù)焊接材料不同在觸摸屏上設(shè)置擺動(dòng)速度和擺動(dòng)距離。

已知擺動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要10 000個(gè)脈沖，擺動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速觸摸屏畫面上設(shè)定，初始7 mm/min；其擺動(dòng)電機(jī)的擺動(dòng)距離在觸摸屏畫面上進(jìn)行設(shè)定，初始為14 mm。

根據(jù)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)手冊(cè)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周沿導(dǎo)軌方向行走的距離為1 mm，即7 mm/min的速度需要的脈沖數(shù)為70 000個(gè)，即每秒需要1 167個(gè)脈沖。擺動(dòng)距離14 mm時(shí)需要140 000個(gè)脈沖。

3.4 水平行走伺服電機(jī)行走速度的計(jì)算

行走電機(jī)選用三菱伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖數(shù)為4 194 304個(gè)。已知行走電機(jī)減速器減速比為1∶20，行走電機(jī)每次的行走距離與焊槍擺動(dòng)電機(jī)的擺動(dòng)距離相同，故與行走電機(jī)單次行走距離對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的計(jì)算方法同計(jì)算焊槍擺動(dòng)伺服電機(jī)脈沖方法是一致的，其行走速度在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定。

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

維綸MT6071iE系列觸摸屏基于EasyBuilder8000編程軟件進(jìn)行離線模擬和在線模擬，其操作界面的設(shè)定主要包括堆焊管徑的輸入、自動(dòng)/手動(dòng)的切換旋鈕、焊槍擺動(dòng)電機(jī)的擺動(dòng)距離和速度設(shè)定、行走伺服電機(jī)的速度和距離設(shè)定、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)距離設(shè)定、冷卻水泵以及氬弧焊電弧加熱裝置的啟停按鈕等。同時(shí)整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在觸摸屏上進(jìn)行顯示，參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

3.6 下位機(jī)部分程序設(shè)計(jì)

鍋爐過熱器水管半周堆焊自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯控制部分主要包括：旋轉(zhuǎn)電機(jī)、行走電機(jī)、擺動(dòng)電機(jī)控制子程序、與焊機(jī)通訊控制焊機(jī)啟停子程序、冷卻水泵、氬弧焊電弧加熱裝置啟停子程序。其控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，以及能否取得較好的堆焊效果，故應(yīng)用以上控制系統(tǒng)對(duì)水管進(jìn)行大量的堆焊試驗(yàn)。圖8為機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠明顯的提高堆焊質(zhì)量，并且操作簡(jiǎn)單，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)可以通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以適應(yīng)不同管徑的水管進(jìn)行半周堆焊，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

圖8 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在產(chǎn)品應(yīng)用上與工藝比較，易獲得均勻一致外觀質(zhì)量，其焊接質(zhì)量如圖9所示。

圖9 水管焊接質(zhì)量

5 結(jié) 論

(1)為了提高工廠鍋爐水管半周堆焊的自動(dòng)化程度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)出了一種基于三菱PLC的鍋爐過熱器水管半周堆焊自動(dòng)控制系統(tǒng)。以維綸MT6071iE觸摸屏為上位機(jī)，搭建人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)三菱Fx3u系列PLC進(jìn)行通訊，控制各伺服電機(jī)等。

(2)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，成本低，靈活性較高，最終極大地提高水管半周堆焊的效率和質(zhì)量。

[1] 宋天虎，張 軍. 關(guān)于中國焊接機(jī)器人發(fā)展的粗淺思考[J]. 焊接，2014(8)：1-3.

[2] 何建萍，張春波，孫 廣，等. 數(shù)字化TIG焊機(jī)菜單式人機(jī)交互系統(tǒng)[J]. 焊接，2003(11)：10-13.

[3] 郭 亮，盧恩勇，張 華. 焊縫軌跡跟蹤伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 焊接，2012(6)：61-64.

[4] 張偉平. 便攜式自動(dòng)堆焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 山西電子技術(shù)，2013(6)：14 -16.

2017-06-15

TG409

寇 舒， 1984年出生，碩士，大學(xué)講師。主要從事PLC控制、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。