基于S7-200 SMART PLC的自動焊接系統設計

孫松麗，吳曉昉

（1.南京理工大學 泰州科技學院 機械工程學院；泰州 225300；2.江蘇林海雅馬哈摩托有限公司，泰州 225300）

0 引言

隨著當今時代科技的飛速發展，焊接作為一種關鍵的制造技術已經步入了一個嶄新的發展階段，許多在激光、數字控制、計算機、信息處理、工業機器人等領域的當今最新科研成果、高新技術與前沿技術不斷融合在焊接之中[1]，多種直縫自動焊接設備隨之大量出現。這些直縫自動焊接設備焊炬多采用氣缸升降，高度只能通過機械夾具微調，僅適用0.5mm～6mm的薄壁單層焊接。而在建筑、石油化工、工程機械等行業，隨著大型焊接結構的需求增多，厚板多層多道焊的應用越來越普遍。目前國內的厚壁結構焊接方法以多層多道熔化極氣體保護焊為主流[2]，一般仍采用手工焊接或半自動化焊接，焊接效率偏低，工人勞動強度較大。此外，多數MAG/MIG/TIG 等熔化極氣體保護手工焊機本體自動化程度較高，除不能自動驅動焊槍的運行外均可實現對焊接電流、保護氣和焊絲等的全部時序控制[3]。針對上述現狀，本文設計了具有三自由度的焊槍運行機構并開發了基于單臺S7-200 SMART PLC的控制系統，同時與現有手工焊機組合，共同構建了適用于中厚壁長直縫多層焊的自動焊接系統，實現了焊接自動化。應用表明，該系統設備資金投入少，使用方便，焊接質量穩定，效率較高。本系統設計理念具有實際推廣價值。

1 系統總體結構

所設計的自動焊接系統主要由焊槍運行機構、控制柜、氣體保護手工焊機及其它輔助部分組成，如圖1所示。

圖1 焊接控制系統組成結構示意

焊槍運行機構為系統執行機構之一，在系統控制下通過夾持焊槍實現焊槍在X、Y、Z三個方向上按設定軌跡的運行。整個機構由3臺步進電機和機械部分組成，結構示意如圖2所示。其中，擺動機構作為焊接系統中的重要組成部分，采用由絲杠螺母副組成的直線擺動形式，由X軸步進電機（擺動電機）驅動。擺動時可達到較高的擺頻，并且運行平穩、準確、噪聲小[4]；升降機構由Z軸步進電機（層控電機）、微型滾珠絲杠螺母副、高精度直線導軌等組成，工作時沿高度方向上下運行，實現不同焊接層的高度定位；直行機構由Y軸步進電機（直行電機）、直齒圓柱齒輪和齒條、高精度直線導軌、滑塊等組成，工作時沿焊縫長度方向做直線運行。焊接時，升降機構在Z方向將焊層高度先行定位后，直行機構帶動擺動機構、升降機構按設定焊接速度前行，同時擺動機構以直線擺動形式按設定擺動參數往復擺動，由此實現焊槍按設定軌跡的多層運行（運行軌跡如圖3所示）。

圖2 焊槍運行機構示意圖

圖3 焊槍運行軌跡示意圖

控制柜內裝3臺步進電機驅動器和基于S7-200 SMART PLC的焊接控制系統。面板上設置有工作按鈕及指示燈、選擇旋鈕、MCGS觸摸屏等。通過選擇旋鈕可選擇系統的手動或自動工作模式，通過MCGS觸摸屏上的人機界面可設定焊接速度、焊槍擺頻、焊槍擺幅、焊接總層數選擇及第一層定位高度、焊層高度差等焊接參數。

此外，為實現焊接的自動控制，需對系統另一執行機構——原有手工焊機及送絲機進行電氣改造。將手工焊機焊槍開關及送絲機啟動開關由人工按動改為由PLC輸出端子觸點經由中間繼出器的自動開關控制。

綜上，基于S7-200 SMART PLC的自動焊接系統總體結構構建完成。系統工作時，首先根據具體焊接工藝要求完成焊接參數的設定，按動啟動按鈕后，即可控制焊機運行機構與手工焊機的協同工作，焊槍按設定軌跡和層數對工件實施焊接，實現焊接自動化。

2 焊接系統硬件設計

2.1 主控制器PLC

本系統采用PLC作為控制核心，輸入信號主要有按鈕、X/Y/Z軸三個方向的原點接近開關和兩側的極限限位開關；輸出信號主要有3臺步進電機各自的脈沖控制信號和方向控制信號、指示燈、報警器和手工焊機及送絲機的開關控制信號；另外還有與MCGS觸摸屏的通信信號。該系統主要為數字量控制，并且由于需完成對3臺步進電機的同時控制，PLC需具備3個高速脈沖輸出口。根據輸入輸出信號的數量、類型、控制要求，同時按I/O點數20%～30%的備用量原則[5]，選用西門子S7-200 SMART PLC，CPU型號為ST60。該型號CPU采用晶體管輸出方式，具有36個數字量輸入點、24個數字量輸出點，集成三路高速脈沖輸出，頻率高達100KHz。以焊接速度40mm/s，步進電機轉一圈需要10000個脈沖，步進電機轉一圈行程為5mm計算，要求高速脈沖的輸出頻率為：40×10000/5=80KHz。而PLC最高輸出頻率為100KHz，完全滿足系統要求。

S7-200 SMART是西門子公司推出的高性價比小型PLC，是國內廣泛使用的S7-200的升級換代產品[6]。與S7-200硬件相比，其主要優點體現在：通過以太網用普通的網線就可以實現程序的下載和監控，方便快捷，省去了專用編程電纜；CPU模塊最多配有3路100kHz的高速脈沖輸出，提供PWM和運動軸兩種運行控制，運動軸則為步進電機或伺服電機的速度和位置開環控制提供了統一的解決方案。可快速實現設備的調速、定位等功能；使用通用的Micro SD卡（普通手機卡），可以傳送程序、更新CPU固件和恢復CPU的出廠設置。

2.2 步進電動機

步進電動機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在家電產品及各種工業自動化系統中。通過控制脈沖個數控制步進電機轉過的角位移（與滾珠絲杠螺母幅等傳動機構配合，則為直線位移）且誤差不累積，可以準確定位；通過控制頻率可以改變電動機的轉速和加速度，實現任意調速；通過方向控制可以實現電機的正轉和反轉。對于本系統這種精度要求不是很高的場合，適用采用由步進電機作為執行元件的較為簡單而又經濟的開環控制方式。

步進電機由步進驅動器驅動。步進驅動器有共陰和共陽兩種接法。本系統選用無錫信捷產品，其驅動器為共陽接法，即步進驅動器的脈沖信號PUL+和方向信號DIR+與24V電源正極短接，PUL－和DIR－接控制信號。而西門子PLC輸出信號采用PNP接法，要求步進驅動器為共陰接法才可形成回路。因此，本系統中PLC輸出信號不能與步進驅動器直接相連。解決方法是增加一塊信號轉換板，將PLC的輸出信號進行反相，然后再與共陽接法的步進驅動器相連。

2.3 運動軸硬件組態

本系統選用S7-200 SMART CPU內置運動軸實現對步進電機速度和位置的開環運動控制。3臺步進電機對應3根運動軸。硬件接線前首先通過SMART PLC編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART 利用“運動向導”來硬件組態運動軸，分配各運動軸所對應的PLC輸出端口。端口分配如表1所示。

由上述內容，確定PLC控制系統接線圖如圖4所示。

3 焊接系統軟件設計

3.1 控制系統軟件設計

自動焊接系統能實現自動工作模式和手動工作模式，手動模式下設有“點動”以提高設備調試的靈活性。自動模式下的控制流程如圖5所示。其程序設計為典型的順序控制，采用西門子STEP 7-MicroWIN SMART編程軟件利用順控指令LSCR、SCRT和SCRE進行程序編制。各軸向步進電機的定位和速度控制是編程的重難點。利用編程軟件中的“運動控制向導”功能，在硬件組態每根運動軸的過程中生成運行子例程并在編程時直接調用，可使程序簡潔、容易編寫，特別是控制步進電機的加速起動和減速停止，避免電機失步，顯得非常方便[7]。

要保證定位準確，在利用“運行控制向導”組態運動軸過程中要注意如下內容的選擇和設定：

1）設定系統測量單位：選擇工程單位，并輸入電機一次旋轉所需脈沖數（10000個/轉）、測量基本單位（mm）、電機一次旋轉產生多少mm的運行（5mm）。這樣在設定定位距離和運行速度時直接輸入實際距離（單位：mm）和速度值（單位：mm/S）即可。

表1 PLC控制步進電機輸出端口分配表

圖4 PLC控制系統接線圖

圖5 自動模式控制流程圖

2）組態參考點和搜索參數：當需要從一個絕對位置處開始運動或以絕對位置作為參考，則必須建立一個參考點 (RP) 或零點位置，這個點可以選擇各方向軸的原點輸入信號。一旦使用參考點，則需要定義自動重新定位參考點的方法，包括輸入參考點搜索速度、定義初始搜索方向和最終參考點接近方向[8]。

3）選擇生成的運動子例程：運動軸組態完成后可生成 13 個運動控制子例程，不同的控制要求對應不同的子例程。為節省子例程占用過多的存儲空間，對不需要的子例程應取消生成。本控制系統需生成的子例程有：(1)AXISx_CTRL子例程，供軸的初始化和全面控制，每個運動軸使用此子例程一次，用SM0.0觸發，程序在每次掃描時均調用此子例程；(2)AXISx_GOTO子例程，命令軸轉到指定位置，提供絕對位移和相對位移兩種模式。通過子例程輸入參數Mode設定位移模式，0代表絕對位移，1代表相對位移；通過輸入參數Pos設定要移動的位置（絕對位移）或要移動的距離（相對位移），單位均與設定的工程單位一致；通過輸入參數Speed確定移動速度，單位為mm/s；(3)AXISx_RSEEK子例程，啟動參考點查找操作。若采用絕對位移模式，則必須先啟用此子例程完成零點的搜索和建立后，方可調用AXISx_GOTO子例程實現絕對位移的定位運行。

3.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏是操作員與設備之間的接口中，其人機界面設計通過MCGS組態軟件完成，主要用于實現焊接參數的設置和管理，通過以太網接口實現與PLC的通訊。

4 結束語

本自動焊接系統充分利用S7-200 SMART PLC具有3路100KHz高速脈沖輸出的硬件特點，利用編程軟件“運行控制向導”的指令向導編程CPU內置絕對位移、相對位移的運行功能，方便地實現了對X、Y、Z三個方向步進電機的定位和速度控制，并與設計的焊槍運行機構配合，實現了焊槍按設定軌跡的平穩、低振動、低噪聲運行；通過對原手工焊機的電氣技術改造，將已有的成熟焊接設備組合融入自動焊接系統中，降低了設備的資金投入。最終，在本系統控制下，各單元協同工作，實現了中厚壁的多層自動焊接。現場應用效果良好，本設計思路值得推廣和借鑒。

[1]李明智,原孝貞.淺談焊接技術的發展及焊接工藝的基本原理[J].應用能源技術,2008,(7)：19-21.

[2]洪宇翔.基于擺動電弧的厚壁結構焊縫自動跟蹤關鍵技術研究[D].湘潭：湘潭大學,2012.6.

[3]李軍,任婷.管-板焊機的PLC自動控制系統研制[J].焊接技術,2011,40(11)：42-45.

[4]蔣爽,姚河清,錢麗娜,梁婷.基于DSP的焊接擺動器研制[J].電焊機,2009,39(10)：78-80.

[5]李海芹,姜印平,翟陽,等.基于S7-200 SMART PLC的智能藥品包裝機的控制設計[J].制造業自動化,2013,(10)：47-50.

[6]廖常初.S7-200 SMART與S7-200的比較[J].電工技術,2013,(11)：52-53.

[7]向曉漢.S7-200 SMART PLC 完全精通教程[M].北京：機械工業出版社,2013.8.

[8]西門子(中國)有限公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 SMART 系統手冊[Z].2013,(10).