基于現(xiàn)場總線的埋弧焊接控制系統(tǒng)設計

摘 要：軋輥焊接設備是鋼廠生產(chǎn)中的關鍵設備，其主要功能是進行焊件轉(zhuǎn)軸組合變位，焊槍溜板行走，焊槍絲極擺動，焊絲運送和焊接電源控制等。對軋輥焊接專用設備控制系統(tǒng)進行研究，采用基于現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），實現(xiàn)埋弧焊接工藝要求的各種功能，提高焊接質(zhì)量，實現(xiàn)焊接自動化。

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關鍵詞：軋輥；埋弧焊接；可編程控制器；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；組合變位

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-191-03

Design of Bead Welding Control System Based on Field Bus

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XU Lumei

(Heilongjiang Institute of Technology，Harbin，150050，China)

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Abstract：The roll welder for a special purpose is critical equipment in the steel factory，and its major function is to control the roll′s combination change of position，the car of welder walking，the welding torch swing，to transport the weld wire and to control welding power，and so on.The roll welder control system for a special purpose is designed in this subject，the study is based on Field Bus Control System(FCS).The various functions of arc welding technology is covered up.The welding automation is realized，the welding quality is improved.

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Keywords：roll;bead welding;programmable logic controller;field bus control system;combination change of position

1 軋輥埋弧焊接控制概述

埋弧焊是一種重要的焊接方法，其優(yōu)點是焊接時將弧光埋起來，對人及環(huán)境的影響非常小。埋弧焊施焊有三個基本環(huán)節(jié)：在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠顆粒狀焊劑；導電嘴和焊件分別接通焊接電源兩極以產(chǎn)生焊接電弧；自動送進焊絲并移動電弧和焊件實施焊接。埋弧焊自動控制技術包括兩個方面：對自動焊過程的順序控制，實現(xiàn)三個基本環(huán)節(jié)控制；對弧焊設備和焊接過程的自動控制，包括弧焊機輸出特性的控制，焊接過程自動跟蹤及焊接過程的自適應控制等。

2 現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線是在智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)間提供一個全數(shù)字化的、分散的、雙向的、多點的通信鏈接的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線技術及標準是全開放式的，從總線標準、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶^[1]。

智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡化、微型化、分散化代表著當今自控技術發(fā)展的主流方向，而現(xiàn)場總線正是促使控制系統(tǒng)順應這一發(fā)展方向的重要技術。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，也是現(xiàn)在工業(yè)自動化的開發(fā)熱點之一。其突出特點在于克服了DCS 中通信由封閉的專用網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，同時把集中與分散相結(jié)合的DCS 集散控制結(jié)構，變成新型的全分布式結(jié)構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設備本身實現(xiàn)基本控制功能。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是應用現(xiàn)場總線技術對傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)進行改造，實現(xiàn)了數(shù)字化的信息傳輸，通信質(zhì)量和連線方式上都有較大突破。

軋輥焊接設備FCS廢除了DCS中采用的“操作站-控制站-現(xiàn)場設備”3層主從結(jié)構的模式，把輸入/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場單元中去，任何一個單元出現(xiàn)故障只影響本身而不會危及全局，這種徹底的分散型控制體系使系統(tǒng)更加可靠。軋輥焊接設備FCS可采用多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，給自動化系統(tǒng)的施工帶來極大的方便，布線較DCS節(jié)省經(jīng)費。基于以上FCS的優(yōu)點，本設計應用現(xiàn)場總線技術組成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)焊接設備的自動化控制。

3 軋輥焊接控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 現(xiàn)場總線選型

PROFIBUS現(xiàn)場總線是西門子公司開發(fā)制定的一種現(xiàn)場總線標準，是在國際上比較流行的一種現(xiàn)場總線。PROFIBUS的網(wǎng)絡協(xié)議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，對第三層到第六層進行簡化，他的標準適應性強。PROFIBUS現(xiàn)場總線基于令牌協(xié)議與主從輪詢相結(jié)合的存取控制方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權。由于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術上的成熟性和開放性，以及實際應用中的成本優(yōu)勢，軋輥焊接設備控制系統(tǒng)中采用PROFIBUS現(xiàn)場總線。

3.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)組成

PROFIBUS-DP的特點更適用于單臺生產(chǎn)機械的組網(wǎng)，設計中采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術來進行組網(wǎng)。軋輥焊接設備主站和從站均選擇PLC，PROFIBUS-DP用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設備與分布式I/O的通信，特別適合于PLC與現(xiàn)場設備間通信。PROFIBUS-DP掃描1 000個I/O點的時間少于1 ms，支持96 k~12 M的通信速率和中繼器的擴展功能。軋輥焊接設備FCS網(wǎng)絡采用總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，網(wǎng)絡介質(zhì)使用RS-485標準屏蔽雙絞線。PROFIBUS-DP是制造業(yè)自動化主要應用的協(xié)議內(nèi)容，是一種高速低成本通信方案，能夠滿足在長軋輥焊接過程中要求的快速性和實時性。

軋輥焊接設備FCS配置相當靈活，組網(wǎng)形式多種多樣。軋輥焊接設備現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)如圖1所示。PROFIBUS網(wǎng)絡的實現(xiàn)主要由帶PROFIBUS通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP主站和DP從站等。本系統(tǒng)為多主多從、單生產(chǎn)廠商設備的DP混合系統(tǒng)。FCS包括2個主站和2個從站。一類主站主要進行協(xié)調(diào)控制從站，二類主站進行監(jiān)視，從站主要進行焊接運動控制。從站為外圍設備，沒有總線控制權，僅當接受到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向他發(fā)送信息。

應用西門子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現(xiàn)場控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通信協(xié)議為PROFIBUS現(xiàn)場總線協(xié)議。CPU315-2DP PLC作一類主站，觸摸屏TP170作為二類主站，CPU224XP是從站。EM277可作為CPU224XP接入PROFIBUS現(xiàn)場總線專用模塊^[2]。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間的通信為主從方式。圖中兩部分從站系統(tǒng)組成相同，能夠?qū)崿F(xiàn)分別加工2根短軋輥和共同加工1根長軋輥。

4 軋輥焊接控制系統(tǒng)軟件設計

在主-從系統(tǒng)中，主站與從站采用主-從程序?qū)崿F(xiàn)通信。主-從系統(tǒng)允許主站當前有權發(fā)送、存取指定給他的從站設備，這些從站是被動節(jié)點，主站可以發(fā)送信息給從站或從從站獲取信息。S7-300 PLC程序主要進行組織、監(jiān)視和協(xié)調(diào)等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中斷程序和各種功能子程序，主要進行具體的運動控制、通信等操作。

4.1 一類主站CPU315-2DP軟件設計

S7-300 PLC程序包括系統(tǒng)組態(tài)，數(shù)據(jù)計算與處理程序，上位機與下位機通信程序等。對硬件進行組態(tài)是建立現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的關鍵環(huán)節(jié)，把網(wǎng)絡中所有的硬件通過這一環(huán)節(jié)聯(lián)成有機的網(wǎng)絡。此過程不是簡單的線路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現(xiàn)場總線通信協(xié)議的網(wǎng)絡。應用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實現(xiàn)硬件組態(tài)功能和控制軟件編輯功能。

CPU315-2DP控制程序主要是進行監(jiān)視從站工作狀態(tài)和長軋輥焊接時進行兩臺CPU224XP的協(xié)調(diào)控制。焊接長軋輥時兩臺從站CPU224XP協(xié)調(diào)控制在此處是個難點，首先要由CPU315-2DP向兩臺CPU224XP從站發(fā)時鐘信號，利用現(xiàn)場總線即可實現(xiàn)，通信協(xié)議是PROFIBUS現(xiàn)場總線通信協(xié)議。然后設置好兩臺CPU224XP的實時時鐘，這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。

4.2 二類主站TP170A軟件設計

TP170A的組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool，通過其進行參數(shù)選擇與設置，設計焊接操作界面，最后將程序塊存入CPU315-2DP存儲器中。操作界面可進行焊接方式選擇和焊接參數(shù)設置等操作。操作界面功能選擇頁如圖2所示。

4.3 從站CPU224XP軟件設計

PLC系統(tǒng)軟件一般采用模塊化程序設計，整個程序由若干個功能相對獨立的模塊組成。PLC強大的數(shù)學功能指令使復雜的數(shù)學計算變得容易實現(xiàn)。S7-200PLC控制程序從結(jié)構上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數(shù)的初始化等操作;功能子程序包括焊機組合變位控制子程序、機頭行走子程序、送絲控制子程序、絲極擺動控制子程序、電流控制子程序、雙機長軋輥加工子程序、手動操作臺信號處理子程序等。實際控制時要求這些程序控制的動作協(xié)調(diào)統(tǒng)一，不單純依靠主程序或某一子程序控制^[3]。

加工長軋輥時兩臺從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發(fā)出的時鐘信息，然后設置好實時時鐘。接下來通過比較判斷兩臺從站時鐘是否一致，如不一致，向CPU315-2DP發(fā)出錯信息，CPU315-2DP重新發(fā)送時鐘信息。這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。雙機焊接長軋輥子程序控制流程圖如圖3所示。

5 結(jié) 語

軋輥埋弧焊接專用設備控制系統(tǒng)設計方案采用基于PLC的PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。應用現(xiàn)場總線技術的軋輥埋弧焊接控制系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監(jiān)視、控制等操作變得更加容易，有利于提高勞動生產(chǎn)率。

參 考 文 獻

［1］高欽和.可編程控制器應用技術與設計\\[M\\].北京:人民郵電出版社，2004.

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［2］SIEMENS公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊\\[Z\\].2006.

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［3］王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術\\[M\\].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

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［4］陳國瑞，喬春.基于Profibus總線的壓裂機組網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計\\[J\\].現(xiàn)代電子技術，2004，27(3):14-16.

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作者簡介 徐鹿眉 1975年出生，黑龍江省克山人，講師，主要從事PLC、電機控制方面教學與研究工作。