（江蘇航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010）

1 窄間隙埋弧焊機焊接過程

在焊接前，將厚鋼板對接形成間隙約15mm的焊道，調節(jié)焊道引導器上下導輪，使預熱電極不能接觸到窄間隙側壁，引起電流短路。將預熱器的預熱鎢針電極調整好與側壁的距離，一般保持1～2mm，調整埋弧焊劑導管與焊道底部的高度，以保證焊劑厚度能有效地保護焊接熔池。調整焊槍電極的高度，以確保有合適的焊絲干伸長。調整前后焊槍電極與兩側壁之間的距離，以保證在焊接過程中兩側壁的熔合質量。

焊接時，按照焊接的方向及焊接工藝要求控制焊接預熱、焊劑覆蓋、焊接點火之間的關系，由于焊接設備是按雙向焊接功能設計，故在焊接時，只有焊槍前部的預熱器、焊劑導管工作，后部的預熱器及焊劑導管不工作。焊接過程中，焊接小車會向前運動，在此過程中，啟動預熱器對焊道中的兩側壁用鎢針電極進行預熱，以減小溫度梯度，同時打開焊劑導管的電磁閥，向焊道內鋪焊劑。同時進行焊槍點火，使兩焊接電極中的焊絲分別對焊道與側壁進行熔合焊接，使用雙絲分別對窄間隙兩側壁進行熔合焊接，很好地解決了窄間隙焊接過程中側壁熔合難的工藝問題[1]。埋弧焊設備模型如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 設計思路

觸摸屏是控制系統(tǒng)的監(jiān)控機構，通過觸摸屏輸入焊接相關參數(shù)，包括焊接電流、電壓、預熱槍電流、預熱溫度、埋弧焊劑流量閥開度、小車行走方向等。

圖1 埋弧焊設備模型

PLC是整個控制系統(tǒng)的核心機構，通過輸入端接收控制指令，CPU運行系統(tǒng)控制程序，然后通過輸出端執(zhí)行系統(tǒng)的各項控制。另外，PLC還起到連接觸摸屏、計算機等的聯(lián)網(wǎng)和通信功能。

伺服電機、步進電機和變頻器等作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，根據(jù)PLC的運行指令完成埋弧焊的焊接任務。本項目中，根據(jù)控制要求，各電機的選用情況如表1所示。

2.2 元件選型

考慮控制對象包括伺服電機、步進電機以及變頻，并考慮組網(wǎng)要求，選用一臺西門子1500PLC作為主站，兩臺西門子1200PLC分別作為從站，主站CPU類型為CPU 1511-1 PN，用于與觸摸屏和從站之間的數(shù)據(jù)交換以及部分外接輸入/輸出信號；兩臺從站CPU類型為1212C DC/DC/DC，用于控制伺服電機、步進電機和變頻電機。控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。

表1 各電機選用情況

其他設備選型包括：昆侖通態(tài)TPC7062Ti嵌入式一體化觸摸屏、西門子MICROMASTER420變頻器、臺達伺服電機以及步科步進電機。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 設計思路

控制要求：系統(tǒng)開啟后，先在人機界面上輸入焊接參數(shù)，包括焊接電流、電壓、預熱槍電流、預熱溫度、埋弧焊劑流量閥開度、小車行走方向等。按下啟動按鈕，焊接開始，根據(jù)小車行走方向判斷焊接方向，當檢測小車進入焊道的微動開關接通后，按照設定的參數(shù)，打開相應的預熱槍和焊劑流量閥，同時焊接電源以預定的電流、電壓接通，開始焊接。當微動開關檢測到小車行走完成一個方向的行程，關閉焊接電源及預熱槍和焊劑流量閥，開始進行小車反向運行，并按前述次序依次開啟下一輪的焊接，直到達到焊接要求，結束焊接。根據(jù)控制要求繪制控制流程，如圖2所示。

3.2 觸摸屏設計

3.2.1 界面設計

觸摸屏的初始界面是用戶登錄界面，包括技術工程師登錄和操作人員登錄。其中，技術工程師可以登錄調試界面，用于各電機運行中的位置和狀態(tài)初始化以及運行故障調試。操作人員登錄運行界面，用于焊接操作[2]。

圖2 控制流程

調試界面包括通過下拉菜單選擇調試電機，以及各個電機調試中需要的按鈕、輸入框、顯示框、指示燈等功能。運行界面的功能是用于進行焊接工作操作的用戶界面，主要包括控制按鈕、輸入焊接所需要的參數(shù)等功能，焊接開始后，可以通過人機界面監(jiān)控焊接電壓、電流參數(shù)，達到對焊接電流和電壓監(jiān)控的目的，保證焊接質量。

3.2.2 實時數(shù)據(jù)庫和設備組態(tài)

結合界面設計和控制要求，建立變量與界元件對應的觸摸屏的實時數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，進行設備組態(tài)以建立觸摸屏與PLC數(shù)據(jù)通信通道，觸摸屏（192.168.0.5）與1500PLC（192.168.0.1）通信，然后通過1500PLC與兩臺1200PLC組網(wǎng)通信。

3.3 PLC程序

控制程序通過博途V15軟件設計[3]。

3.3.1 設備組態(tài)

本控制系統(tǒng)由3臺西門子PLC組網(wǎng)控制，其中1臺S7-1500作為主站，2臺S7-1200作為從站，用以太網(wǎng)通信，建立控制網(wǎng)絡。

各設備間的以太網(wǎng)通信通過交換機連接，觸摸屏直接與1500PLC進行通信。另外，1500PLC作為主站，還與兩臺從站1200PLC進行通信，1200PLC與觸摸屏之間的通信也通過1500PLC中轉。

3.3.2 程序設計

PLC的程序包括主程序和子程序以及相應的數(shù)據(jù)塊。主程序是PLC正常運行就不受其他程序段影響（除非有中斷程序將其中斷），即PLC正常運行時就是一直執(zhí)行掃描的。子程序是受主程序調用的程序，只有主程序里的邏輯允許子程序運行時，子程序才能運行。

本項目中，1500PLC作為主站，主程序OB1是整個控制系統(tǒng)的“總調控中心”，用于調用通信子程序塊，2個從站1200PLC的OB1作為各自控制電機的“分調控中心”，用于該PLC控制的電機相關子程序的調用。

3.4 相關參數(shù)

伺服電機主要參數(shù)設置為：P1-44（電子齒輪比分子）=1 600 ；P1-45（電子齒輪比分母）=40。

步進電機兩臺的細分設置均為：DIP1-DIP8(“01110000”)。

本項目變頻電機為模擬量控制，主要參數(shù)設置值：P1000=2；P0700=2；P0701=1；P0702=12。

4 結語

文章結合埋弧焊機的工作原理及其工作流程，設計了埋弧焊機的簡易模型及對其監(jiān)測和控制的系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的PLC、測量儀器、觸摸屏等硬件進行了選型；通過軟件TIA15對焊機的控制系統(tǒng)進行了設計。利用工控組態(tài)軟件MCGS，設計焊機控制平臺。通過以太網(wǎng)將PLC、觸摸屏和計算機進行連接，控制程序實現(xiàn)了基本功能。