劉茵茵

（上海市環(huán)境學(xué)校，上海 200135）

1 設(shè)備概述

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

膜式壁是大型電站鍋爐的重要部件，膜式拼排焊機(jī)是制造膜式管排的關(guān)鍵設(shè)備。膜式拼排焊機(jī)采用埋弧焊接工藝，通過(guò)選擇連續(xù)或不連續(xù)的焊接方式將精整過(guò)的扁鋼和除銹處理后的管子焊接成膜式管排。

膜式拼排焊機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)三部分組成。機(jī)械系統(tǒng)包括設(shè)備床身、管排上壓輪、側(cè)壓輪、下部托輪、輔助送絲機(jī)構(gòu)、藥粉補(bǔ)給和回收機(jī)構(gòu)及焊槍等；電氣控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電磁氣閥、觸摸屏、操作按鈕站和現(xiàn)場(chǎng)傳感器等；焊接系統(tǒng)包括焊接電源和送絲機(jī)構(gòu)等。

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)輥道由同一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各組輥道同步運(yùn)動(dòng)。上壓輪將管子壓緊在驅(qū)動(dòng)輥道上，驅(qū)動(dòng)輥道轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將管子向前傳送。上壓輪和托輪配合使用可使扁鋼在垂直方向保持在管子中心高度，側(cè)壓輪用于使管子和扁鋼在水平方向保持緊密接觸，防止其產(chǎn)生偏移，從而影響焊接質(zhì)量。上壓輪和托輪可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在水平方向

移動(dòng)，可調(diào)整到不同的位置，以適應(yīng)不同工況的焊接。當(dāng)管子和扁鋼在水平及垂直方向位置被固定之后，在圖中A點(diǎn)進(jìn)行焊接。隨著管子和扁鋼的前進(jìn)，管子和扁鋼被焊接在一起。設(shè)備共有4把焊槍，最多可同時(shí)進(jìn)行4條焊縫的焊接。焊槍可在水平方向移動(dòng)，以方便調(diào)整到合適的焊縫位置，焊槍也可手動(dòng)控制升降。為保證焊絲的可靠傳送，配置了輔助送絲裝置，以增大送絲驅(qū)動(dòng)力，配合焊機(jī)正常送絲。

1.2 控制系統(tǒng)功能要求

本拼排焊機(jī)控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)的主要控制功能有：所有的設(shè)備動(dòng)作都需要相關(guān)的操作開(kāi)關(guān)，以方便操作調(diào)整。焊接電流、焊接電壓可通過(guò)自復(fù)位旋鈕實(shí)現(xiàn)焊接實(shí)時(shí)調(diào)整；焊接參數(shù)的設(shè)置、當(dāng)前實(shí)際焊接電壓電流顯示及設(shè)備狀態(tài)顯示均可通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)；最多記錄2年焊接電壓和焊接電流數(shù)據(jù)，并具備查詢歷史焊接電壓、電流數(shù)據(jù)的功能；可測(cè)量并記錄每把焊槍的焊接長(zhǎng)度，并提供查詢功能；可根據(jù)管排焊接長(zhǎng)度和非焊接長(zhǎng)度的工藝要求，實(shí)現(xiàn)給定長(zhǎng)度的逐段自動(dòng)焊接；系統(tǒng)可自動(dòng)測(cè)量托輪、壓輪的當(dāng)前位置，并實(shí)現(xiàn)給定位置的自動(dòng)定位；焊接輥道速度可無(wú)級(jí)調(diào)速，輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)保證焊接速度平穩(wěn)和較高的速度控制精度。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)上述功能要求，結(jié)合考慮到設(shè)備使用場(chǎng)合較差的工況條件，故該拼排焊機(jī)的控制系統(tǒng)采用以PLC為控制核心，觸摸屏為人機(jī)界面的系統(tǒng)構(gòu)成。這種控制方案最為實(shí)用，系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)方便。

下頁(yè)圖2是該設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖。整個(gè)控制系統(tǒng)以西門子S7-1215C型PLC為控制核心，其擴(kuò)展通訊模塊配置有DP接口，能夠便捷的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源動(dòng)作及焊接參數(shù)的控制。

伺服系統(tǒng)具有較高的調(diào)速精度及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，故該控制系統(tǒng)采用了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊機(jī)焊接速度的較高精度的平穩(wěn)控制。該控制脈沖編碼器用于焊接長(zhǎng)度的檢測(cè)，直線尺用于上壓輪、托輪位置的檢測(cè)。為便于人機(jī)交互，本控制系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示和存儲(chǔ)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 焊接電源及焊接參數(shù)控制

如圖3所示，本項(xiàng)目采用的伊莎焊接電源支持Profibus總線協(xié)議，PLC通過(guò)擴(kuò)展通信模塊與4個(gè)焊接電源控制板構(gòu)成一個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)。PLC通過(guò)Profibus總線與焊接電源控制板PAB進(jìn)行通信，將控制信號(hào)及焊接參數(shù)寫入控制板Profibus總線通信協(xié)議指定的控制字中；控制板則依據(jù)控制字定義的功能對(duì)焊接電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接啟停、送絲方向、送絲速度、焊接電壓及焊接電流的控制。

在焊接電源控制板的Profibus總線通信協(xié)議中，控制板控制焊接電源的控制字為16個(gè)字，共32個(gè)字節(jié)。其中0號(hào)字節(jié)用于焊接啟動(dòng)、停止及送絲方向的控制，8號(hào)和9號(hào)字節(jié)用于焊接電壓的控制，10號(hào)和11號(hào)字節(jié)用于送絲速度的控制，12號(hào)和13號(hào)字節(jié)用于焊接電流的控制。

焊接電源的狀態(tài)也可通過(guò)控制板總線通信協(xié)議規(guī)定的狀態(tài)字進(jìn)行反饋，PLC可通過(guò)Profibus總線與焊接電源控制板進(jìn)行通信，讀取焊接電源的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)視和查看。

3.2 焊接速度的精準(zhǔn)控制

為保證焊接質(zhì)量，要求焊接速度平穩(wěn)且應(yīng)有較高的調(diào)速精度。因伺服系統(tǒng)的速度控制穩(wěn)定性較好、調(diào)速精度較高且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，故在該案中使用伺服系統(tǒng)進(jìn)行焊接速度的控制。

如圖4所示，利用西門子S7-1215C型PLC、臺(tái)達(dá)ASDA-A2伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，通過(guò)PLC的模擬量輸出信號(hào)將0-10V的速度命令送至伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及輥道運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)焊接速度的精準(zhǔn)控制。

3.3 焊接長(zhǎng)度的檢測(cè)

為滿足生產(chǎn)管理要求，便于計(jì)算工人產(chǎn)量，系統(tǒng)要求能夠自動(dòng)檢測(cè)焊接長(zhǎng)度。

如圖5所示，脈沖編碼器與計(jì)數(shù)輪同軸安裝；計(jì)數(shù)輪通過(guò)氣缸緊壓在管子上，當(dāng)管子前進(jìn)時(shí)，帶動(dòng)計(jì)數(shù)輪及脈沖編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)。因計(jì)數(shù)輪輪面上有直條紋，故不會(huì)打滑，脈沖編碼器能較為準(zhǔn)確地測(cè)量管子焊接長(zhǎng)度。本案選用編碼器分辨率為2 000 P/R，計(jì)數(shù)輪每轉(zhuǎn)一圈，編碼器產(chǎn)生2 000個(gè)脈沖；計(jì)數(shù)輪周長(zhǎng)為250 mm，即編碼器的2 000個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的焊接長(zhǎng)度為250 mm，則測(cè)量分辨率為250/2 000=0.125 mm/P。如果PLC的計(jì)數(shù)方式選擇4倍頻計(jì)數(shù)，則分辨率可達(dá)0.03 mm，完全能夠滿足系統(tǒng)對(duì)焊接長(zhǎng)度的計(jì)量需求。

編碼器的輸出接口為PNP型集電極開(kāi)路輸出形式，以與PLC的輸入接口相匹配。編碼器輸出的A、B相計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)PLC的I0.0、I0.1端口輸入，由PLC提供的高數(shù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)；PLC將測(cè)量得到的計(jì)數(shù)值通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算換算成對(duì)應(yīng)的測(cè)量長(zhǎng)度。

3.4 焊接位置控制

為保證焊接質(zhì)量，需對(duì)焊接位置進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和定位控制。直線尺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，能夠檢測(cè)壓輪、托輪及側(cè)壓輪的絕對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接位置的定位控制。見(jiàn)圖6。

直線尺內(nèi)部是一個(gè)直線電位器，外部測(cè)量點(diǎn)連接于該電位器的中間位置。如上圖所示，當(dāng)壓輪、托輪等相關(guān)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線尺分段電阻值產(chǎn)生了與位移量成線性關(guān)系的變化。該分段電阻值通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，然后通過(guò)PLC的模擬量輸入接口將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位置數(shù)字量，用于這些運(yùn)動(dòng)部件的位置記憶和定位控制。

由于電流信號(hào)較電壓信號(hào)具有較好的抗干擾能力，所以在本案中直線尺采用了4~20mA的電流輸出信號(hào)。

4 軟件編制

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和硬件配置，編制相應(yīng)的控制軟件。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件主要包括焊接參數(shù)控制和輥道控制、焊接位置控制、焊接長(zhǎng)度測(cè)量與計(jì)算、間斷焊接控制四部分功能，見(jiàn)圖7。

4.1 焊接參數(shù)及輥道控制

在該部分的控制程序中，主要是對(duì)焊接電源及焊接參數(shù)以及焊接速度的控制。

4.1.1 焊接電源及焊接參數(shù)控制

焊接電源控制板根據(jù)Profibus總線通信協(xié)議的規(guī)定的16個(gè)控制字定義的功能對(duì)焊接電源啟停、焊接電壓、焊接電流、送絲方向及送絲速度進(jìn)行控制。四個(gè)焊接電源控制板由網(wǎng)絡(luò)組態(tài)得到對(duì)應(yīng)的通信輸入地址范圍。如A號(hào)焊接電源控制板的通信輸入地址范圍為QB200至QB231，則按照焊接電源控制板Profibus總線通信協(xié)議的控制字的規(guī)定，QB200.0用于焊接啟動(dòng)控制，QB200.1用于焊接停止控制，QB200.4和QB200.5用于送絲方向的控制，QB208和QB209分別為焊接電壓的低字節(jié)和高字節(jié)數(shù)據(jù)，QB212和QB213分別為焊接電流的低字節(jié)和高字節(jié)數(shù)據(jù)。PLC則通過(guò)總線與控制板進(jìn)行通信，將焊接控制信號(hào)和焊接參數(shù)寫入焊機(jī)電源控制板指定的控制字中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該焊接電源和焊接參數(shù)的控制，并按一定周期對(duì)焊接電壓、焊接電流進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)刷新。

對(duì)于焊接的啟弧電壓、啟弧電流、收弧電壓、弧坑時(shí)間等非周期性刷新數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要使用焊接電源控制板通訊協(xié)議的對(duì)應(yīng)控制字進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。如根據(jù)伊莎焊機(jī)Profibus總線通信協(xié)議的定義，弧坑時(shí)間的數(shù)據(jù)設(shè)置功能號(hào)為29號(hào)，Profibus總線組態(tài)得到的焊接電源控制板的硬件標(biāo)識(shí)符為283，我們使用WRREC指令根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行弧坑時(shí)間的設(shè)置。

4.1.2 焊接速度控制

伺服驅(qū)動(dòng)器的速度命令為-10~+10 V，可設(shè)定輥道電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為-3 000~+3 000 r/min。當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器的SON端為ON時(shí)，伺服回路啟動(dòng)，通過(guò)程序設(shè)定PLC輸出的模擬電壓數(shù)值，將此速度命令送至伺服驅(qū)動(dòng)器的V-REF端，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)輥道運(yùn)行速度的控制。

4.2 焊接位置控制（見(jiàn)圖8）

該設(shè)備對(duì)焊接位置的控制精度要求不高，位置誤差范圍在2 mm內(nèi)即可。

當(dāng)壓輪、托輪等相關(guān)焊接位置控制部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，直線尺檢測(cè)得到當(dāng)前位移量，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊將位移量對(duì)應(yīng)的電阻值轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，通過(guò)PLC的模擬量輸入模塊將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為當(dāng)前位置值。控制程序?qū)?dāng)前位置值與設(shè)定的目標(biāo)位置值進(jìn)行比較，若位置誤差Δ＞2 mm，則通過(guò)程序控制壓輪或托輪電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，若位置誤差Δ＜-2 mm，則控制壓輪或托輪電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)位置誤差-2 mm≤Δ≤2 mm時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成焊接位置的定位控制，同時(shí)，相關(guān)位置數(shù)據(jù)需進(jìn)行記憶存儲(chǔ)，便于后續(xù)對(duì)焊接位置的再次定位。

4.3 焊接長(zhǎng)度測(cè)量與計(jì)算（見(jiàn)下頁(yè)圖9）

在焊接啟動(dòng)之前，先進(jìn)行焊接長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的清零，之后使用PLC的高速計(jì)數(shù)器指令統(tǒng)計(jì)焊接過(guò)程中編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，將其換算為焊接長(zhǎng)度，換算公式為：

式中：L為焊接長(zhǎng)度；L0為計(jì)數(shù)輪的周長(zhǎng)；nz為測(cè)量中編碼器產(chǎn)生的總脈沖個(gè)數(shù)；na為計(jì)數(shù)輪每轉(zhuǎn)一圈編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)；s為選擇的計(jì)數(shù)倍頻。

為便于計(jì)算工人產(chǎn)量，需在每班、每日焊接工作結(jié)束時(shí)對(duì)每日焊接長(zhǎng)度、當(dāng)班焊接長(zhǎng)度和焊接總長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。

4.4 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢（見(jiàn)圖10）

系統(tǒng)要求可最多記錄2年的焊接電壓和焊接電流的數(shù)值，并可提供查詢歷史焊接電壓、電流值的功能。

如設(shè)置每2 min存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)，每次需存儲(chǔ)各焊接電源的焊接電壓、電流和速度共9個(gè)數(shù)據(jù)，每天需存儲(chǔ)6 480個(gè)數(shù)據(jù)，兩年共需存儲(chǔ)4 730 400個(gè)數(shù)據(jù)，如此龐大的數(shù)據(jù)量，使用PLC進(jìn)行存儲(chǔ)不能滿足需求，本項(xiàng)目采用了觸摸屏擴(kuò)展U盤進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

如圖11所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時(shí)，先讀取當(dāng)前時(shí)刻的焊接電流、電壓和速度值，并將當(dāng)前日期、時(shí)間值換算成地址值A(chǔ)dr，之后使用SETDATA指令將讀取的焊接數(shù)據(jù)存入EM文件中的Adr位置。間隔2分鐘后，再次讀取焊接電流、電壓和焊接速度值，此時(shí)，日期及時(shí)間值對(duì)應(yīng)的地址值經(jīng)變址后為Adr=Adr+10，之后將讀取到的數(shù)據(jù)存入變址后的Adr位置。以此類推，每隔2 min即進(jìn)行一次焊接數(shù)據(jù)的讀取、日期及時(shí)間值換算地址值的變址及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

觸摸屏EM文件共有EM0~EM9十個(gè)文件，每個(gè)EM文件地址范圍均為0~1 073 741 823，可提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址總數(shù)為10 737 418 230個(gè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量足夠滿足該系統(tǒng)兩年4 730 400個(gè)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時(shí)，先將讀取查詢?nèi)掌趽Q算成該日期的起始存儲(chǔ)地址Adr0，然后使用GETDATA指令將EM文件中Adr0起始的720組數(shù)據(jù)讀出，之后利用觸摸屏曲線顯示元件將上述數(shù)據(jù)以圖形曲線形式進(jìn)行顯示即可。

5 人機(jī)界面

人機(jī)界面采用的是威綸MT8121iE型觸摸屏，用于設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示和存儲(chǔ)。該型觸摸屏無(wú)論是屏幕尺寸、性價(jià)比、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)的便利性，均能夠較好的滿足設(shè)備使用需求。

共設(shè)計(jì)制作了五個(gè)畫面：主畫面、歷史數(shù)據(jù)查詢畫面、焊接程序設(shè)置畫面、焊接位置顯示與設(shè)置畫面及焊接輔助設(shè)置畫面。見(jiàn)下頁(yè)圖12。

主畫面用于基本焊接參數(shù)如焊接電壓、焊接電流、焊接速度的設(shè)定及顯示，同時(shí)也可顯示焊接設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，如焊接位置、焊接長(zhǎng)度、非焊接長(zhǎng)度等。

如下頁(yè)圖13所示，歷史數(shù)據(jù)查詢畫面用于查詢四只焊槍的焊接電壓、焊接電流、焊接速度及焊接長(zhǎng)度的歷史數(shù)據(jù)?？勺疃嘤涗?、顯示2年的焊接電壓和焊接電流值。

如下頁(yè)圖14所示，焊接程序設(shè)置畫面用于自定義設(shè)置分段焊接參數(shù)，如管排焊接長(zhǎng)度、管排非焊接長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)給定長(zhǎng)度的逐段焊接。

如圖15所示，焊接位置顯示與設(shè)置畫面用于壓輪、托輪、側(cè)壓輪位置的設(shè)置、顯示和定位控制。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用西門子S7-1200 PLC通過(guò)PROFIBUS總線通訊實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊機(jī)電源及焊接參數(shù)的控制。另外，使用伺服系統(tǒng)使焊接速度的控制有較高的精度和較好的穩(wěn)定性，保證了焊接質(zhì)量。編碼器、直線尺的使用，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接位置及焊接長(zhǎng)度的檢測(cè)和控制?？刂葡到y(tǒng)使用了“PLC+功能模塊+觸摸屏”這種簡(jiǎn)潔實(shí)用的控制模式，系統(tǒng)的可靠性高，維護(hù)方便，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。