管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統研究

◎穆巖

本文依據某公司產品堆焊的主要特點與工藝流程，設計了管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統，提高現場設備的自動化程度，降低工作強度，提高工作效率，改善工作環境。各個站點之間的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等通信協議，節省硬件投資，實時性能好，提高系統穩定性和可靠性，增加了設備的后續可擴展性，真正實現了集中智能控制。

目前的大型壓力容器的接管內壁、法蘭端面的堆焊、接管與筒體之間的焊接中，大部分都采用半機械化焊接設備，自動化程度低、操作難度大、焊接質量差、效率低、焊前準備時間長等問題。

這種復雜的馬鞍型空間曲線焊縫，要求整套控制系統更加智能化，同時具有更好的穩定性、更強的兼容性和可擴展性。因此智能總線控制系統變得簡單、穩定、高效。但是，在焊接自動化設備領域，控制系統大多是非串型智能總線形式的通信方式，似使得設備的集成度變低、故障率大大升高。

馬鞍型端面堆焊、窄間隙埋弧自動焊機總線智能控制系統應運而生，它解決這類大厚度馬鞍形曲線焊接的需求，它能夠大幅度地提高設備的焊接質量，降低生產成本，對焊工的技能要求也大幅度降低。本總線智能控制系統可用于管平面與馬鞍型面堆焊設備，大大降低總線控制系統的布線難度，施工方便。在此類的平面或馬鞍面、焊縫的自動化設備上具有很大的實用價值。

本文研究采用現場總線等先進技術，根據管平面與馬鞍型面堆焊的工藝流程，設計了管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統，利用PLC、總線定位模塊、遠程無線物聯網傳輸模塊、無線通信模塊、伺服步進系統、智能儀表和底層傳感器等模塊實現了自動化程度較高的管平面與馬鞍型面堆焊的任務，利用智能網關和現場總線等技術實現了設備的遠程控制與管理。

一、總線智能控制系統

如圖1所示，該可用于管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統，主要包括生產管理上位機、服務器、數據監控系統、智能網關模塊、主站模塊、從站模塊與遠程數據傳輸從站，每個站之間都能進行實時的數據交換。主站PLC模塊、從站PLC模塊、伺服步進系統，主站PLC模塊、從站PLC模塊和伺服系統之間采用Modbus協議；從站PLC模塊和智能儀表之間采用Modbus協議，從站PLC與焊接電源采用DeviceNet協議；主站PLC模塊與智能網關模塊之間采用RS-232協議；智能網關、監控上位機、人機交互界面、生產管理上位機之間采用TCP/IP協議。本發明采用多種現場總線于一體，根據管平面與馬鞍型面堆焊的工藝流程，設計了整套智能化總線控制系統。

圖1總線智能控制系統

二、功能模塊配置

1.生產管理上位機。生產管理上位機，主要解決設備、車間、辦公室等與生產之間的實時數據采集、記錄、顯示與傳輸、隨時打印焊接記錄等問題，實現了一個數字化智能控制綜合管理平臺。通過云平臺、數據監控系統與打印機，以自動化數據采集等設備的交互工作，用實時數據流代替復雜、不及時、不易保存的手工記錄數據的劣勢。

2.智能網關模塊。智能網關模塊將其互聯網與現場主站模塊進行互聯與監控，每個主站PLC模塊均與多個所述從站PLC模塊連接，從站PLC連接伺服系統、步進系統、智能儀表、傳感器、焊接電源、視頻系統等更多的現場執行單元。

3.遠程數據傳輸從站。遠程數據傳輸從站主要連接現場數據采集系統、APP報警功能、各種遠程組態軟件以及其它需要連接的執行設備。該遠程數據傳輸從站可選2種不同協議的PLC或儀表。該模塊可以通過4G、有線接入因特網。遠程服務器只需連接因特網，安裝巨控OPCSERVER。OPCSERVER會自動從遠程數據傳輸從站獲取數據。組態軟件通過OPC驅動，即可組態現場畫面，監視和控制PLC主站、從站以及每個現場執行機構的運行，并可記錄歷史報警和歷史數據等關鍵信息。支持手機短信微信報警，多次撥號提醒，確保重大故障及時通知到人，實現無人值守。提供可斷線續傳的云端歷史數據和報警記錄，可以直接用網頁查看歷史數據報表，曲線圖和報警記錄，可以隨時導出表格并打印，實現數據的實時共享。

4.視頻系統。采集現場實際的操作過程，實時畫面被傳到數據監控系統，為后續工藝方法的優化提供幫助。

5.無線遙控設備。在設備使用的過程中，一般會通過操作盒對焊接參數和設備動作進行操作，因此操作盒是管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統的另一個重要的人機交互接口。遙控操作盒主要有單鍵操作及復用鍵操作兩種方式。

遙控盒面板采用不銹鋼材料，更能適合焊接環境該手控盒顯示面板可以實時顯示主/從焊機電流與電壓、送帶速度、焊接速度、故障代碼、系統參數等，操作方便、重量輕。

三、智能總線控制系統運行過程

首先，當接通外部主電源后，撥動操控盒上的電源開關至開位置，系統進入初始化過程中；上電初始化程序主要完成對設備進行開機前的系統自檢、參數的寫入與保存、狀態監控等。

其次，通過人機交互平臺設置管平面或馬鞍面堆焊參數，選擇操作模式，根據輸入的相關參數，根據馬鞍形空間曲線公式計算出空間曲線，并將該空間曲線分割成若干個點記憶在寄存器中，利用定位數據控制伺服系統執行該軌跡。

再次，點擊啟弧按鈕，通過總線系統，將啟弧信號、焊接參數通過DeviceNet協議發送至焊接電源；其他伺服、步進執行機構的數據由ModBus協議傳輸，現場實施數據反饋通過遠程傳輸模塊采集并上傳至英特網以及服務器與監控系統，整套系統形成閉環控制，進入正常馬鞍面堆焊過程。智能儀表與相關傳感器采集現場工藝參數，并通過遠程數據參數傳輸模塊反饋，并在服務器端進行處理，并對末端執行機構與報警系統進行處理；若出現故障，可利用遠程視頻系統進行初步現場指導解決。

最后，焊接結束時，按動停止按鈕，進入收弧控制程序段，完成一次正常焊接。可以直接用網頁查看歷史數據報表，曲線圖和報警記錄，可以隨時導出所需的焊接參數表格并打印，當前操作的現場視頻資源同時也被保存。

四、結論

1.該總線智能控制系統，提高現場設備的自動化程度，降低工作強度，提高工作效率，改善工作環境。

2.各個站點之間的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等總線通信協議，節省硬件投資，實時性能好，增加了設備的后續可擴展性，真正實現了集中智能控制。

3.實現焊接參數、設備參數的云端實時監控與控制，保證焊接工藝參數在設置的范圍之內。