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(diǎn)是焊接時(shí)將弧光埋起來(lái)，對人及環(huán)境的影響非常小。

埋弧焊施焊有三個(gè)基本環(huán)節：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(dòng)送進(jìn)焊絲并移動(dòng)電弧和焊件實(shí)施焊接。埋弧焊自動(dòng)控制技術(shù)包括兩個(gè)方面：對自動(dòng)焊過(guò)程的順序控制，實(shí)現三個(gè)基本環(huán)節控制;對弧焊設備和焊接過(guò)程的自動(dòng)控制，包括弧焊機輸出特性的控制，焊接過(guò)程自動(dòng)跟蹤及焊接過(guò)程的自適應控制等。

2 現場(chǎng)總線(xiàn)概述

現場(chǎng)總線(xiàn)是在智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統間提供一個(gè)全數字化的、分散的、雙向的、多點(diǎn)的通訊鏈接的一種產(chǎn)業(yè)數據總線(xiàn)?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及標準是全開(kāi)放式的，從總線(xiàn)標準、產(chǎn)品檢驗到信息發(fā)布都是公然的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶(hù)。

智能化、數字化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化、微型化、分散化代表著(zhù)當今自控技術(shù)發(fā)展的主流方向，而現場(chǎng)總線(xiàn)正是促使控制系統順應這一發(fā)展方向的重要技術(shù)。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統，也是現在產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的開(kāi)發(fā)熱門(mén)之一。其突出特點(diǎn)在于克服了DCS中通訊由封閉的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現中所產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)，依靠現場(chǎng)智能設備本身實(shí)現基本控制功能?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)對傳統的集散控制系統進(jìn)行改造，實(shí)現了數字化的信息傳輸，通訊質(zhì)量和連線(xiàn)方式上都有較大突破。

軋輥焊接設備FCS廢除了DCS中采用的“操縱站-控制站-現場(chǎng)設備”3層主從結構的模式，把輸進(jìn)/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現場(chǎng)單元中往，任何一個(gè)單元出現故障只影響本身而不會(huì )危及全局，這種徹底的分散型控制體系使系統更加可靠。軋輥焊接設備FCS可采用多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，給自動(dòng)化系統的施工帶來(lái)極大的方便，布線(xiàn)較DCS節省經(jīng)費?；谝陨螰CS的優(yōu)點(diǎn)，本設計應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)組成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，實(shí)現焊接設備的自動(dòng)化控制。

3 軋輥焊接控制系統硬件設計

3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)選型

PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)制定的一種現場(chǎng)總線(xiàn)標準，是在國際上比較流行的一種現場(chǎng)總線(xiàn)。PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行簡(jiǎn)化，他的標準適應性強。PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)基于令牌協(xié)議與主從輪詢(xún)相結合的存取控制方式，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(xiàn)控制權。由于PROFI-BUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)上的成熟性和開(kāi)放性，以及實(shí)際應用中的本錢(qián)上風(fēng)，軋輥焊接設備控制系統中采用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)。

3.2 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統組成

PROFIBUS-DP的特點(diǎn)更適用于單臺生產(chǎn)機械的組網(wǎng)，設計中采用PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)來(lái)進(jìn)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(dòng)化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通訊，特別適合于PLC與現場(chǎng)設備間通訊。PROFIBUS-DP掃描1 000個(gè)I/O點(diǎn)的時(shí)間少于1 ms，支持9.6 k～12 M的通訊速率和中繼器的擴展功能。軋輥焊接設備FCS網(wǎng)絡(luò )采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)使用RS-485標準屏蔽雙絞線(xiàn)。PROFIBUS-DP是制造業(yè)自動(dòng)化主要應用的協(xié)議內容，是一種高速低本錢(qián)通訊方案，能夠滿(mǎn)足在長(cháng)軋輥焊接過(guò)程中要求的快速性和實(shí)時(shí)性。

軋輥焊接設備FCS配置相當靈活，組網(wǎng)形式多種多樣。軋輥焊接設備現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統如圖1所示。PRO-FIBUS網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現主要由帶PROFIBUS通訊接口的中心處理器或通訊模塊完成，通訊模塊有DP主站和DP從站等。本系統為多主多從、單生產(chǎn)廠(chǎng)商設備的DP混合系統。FCS包括2個(gè)主站和2個(gè)從站。一類(lèi)主站主要進(jìn)行協(xié)調控制從站，二類(lèi)主站進(jìn)行監視，從站主要進(jìn)行焊接運動(dòng)控制。從站為外圍設備，沒(méi)有總線(xiàn)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(shí)向他發(fā)送信息。

應用西門(mén)子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現場(chǎng)控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通訊協(xié)議為PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。CPU315-2DP PLC作一類(lèi)主站，觸摸屏TP170作為二類(lèi)主站，CPU224XP是從站。EM277可作為CPU224XP接進(jìn)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)用模塊。主站之間的通訊為令牌方式，主站與從站之間的通訊為主從方式。圖中兩部分從站系統組成相同，能夠實(shí)現分別加工2根短軋輥和共同加工1根長(cháng)軋輥。

4 軋輥焊接控制系統軟件設計

在主一從系統中，主站與從站采用主-從程序實(shí)現通訊。主-從系統答應主站當前有權發(fā)送、存取指定給他的從站設備，這些從站是被動(dòng)節點(diǎn)，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(jìn)行組織、監視和協(xié)調等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中斷程序和各種功能子程序，主要進(jìn)行具體的運動(dòng)控制、通訊等操縱。

4.1 一類(lèi)主站CPU315-2DP軟件設計

S7-300 PLC程序包括系統組態(tài)，數據計算與處理程序，上位機與下位機通訊程序等。對硬件進(jìn)行組態(tài)是建立現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵環(huán)節，把網(wǎng)絡(luò )中所有的硬件通過(guò)這一環(huán)節聯(lián)成有機的網(wǎng)絡(luò )。此過(guò)程不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )。應用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實(shí)現硬件組態(tài)功能和控制軟件編輯功能。

CPU315-2DP控制程序主要是進(jìn)行監視從站工作狀態(tài)和長(cháng)軋輥焊接時(shí)進(jìn)行兩臺CPU224XP的協(xié)調控制。焊接長(cháng)軋輥時(shí)兩臺從站CPU224XP協(xié)調控制在此處是個(gè)難點(diǎn)，首先要由CPU315-2DP向兩臺CPU224XP從站發(fā)時(shí)鐘信號，利用現場(chǎng)總線(xiàn)即可實(shí)現，通訊協(xié)議是PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議。然后設置好兩臺CPU224XP的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，這樣在焊接長(cháng)軋輥時(shí)利用兩臺從機的時(shí)鐘，按一定時(shí)序進(jìn)行加工，可保證焊接正常有序進(jìn)行。

4.2 二類(lèi)主站TP170A軟件設計

TP170A的組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool，通過(guò)其進(jìn)行參數選擇與設置，設計焊接操縱界面，最后將程序塊存進(jìn)CPU315-2DP存儲器中。操縱界面可進(jìn)行焊接方式選擇和焊接參數設置等操縱。操縱界面功能選擇頁(yè)如圖2所示。

4.3 從站CPU224XP軟件設計

PLC系統軟件一般采用模塊化程序設計，整個(gè)程序由若干個(gè)功能相對獨立的模塊組成。PLC強大的數學(xué)功能指令使復雜的數學(xué)計算變得輕易實(shí)現。S7-200PLC控制程序從結構上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數的初始化等操縱;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(dòng)控制子程序、電流控制子程序、雙機長(cháng)軋輥加工子程序、手動(dòng)操縱臺信號處理子程序等。實(shí)際控制時(shí)要求這些程序控制的動(dòng)作協(xié)調同一，不單純依靠主程序或某一子程序控制。

加工長(cháng)軋輥時(shí)兩臺從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發(fā)出的時(shí)鐘信息，然后設置好實(shí)時(shí)時(shí)鐘。接下來(lái)通過(guò)比較判定兩臺從站時(shí)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(shí)鐘信息。這樣在焊接長(cháng)軋輥時(shí)利用兩臺從機的時(shí)鐘，按一定時(shí)序進(jìn)行加工，可保證焊接正常有序進(jìn)行。雙機焊接長(cháng)軋輥子程序控制流程圖如圖3所示。

5 結 語(yǔ)

軋輥埋弧焊接專(zhuān)用設備控制系統設計方案采用基于PLC的PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的軋輥埋弧焊接控制系統可以使傳統的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監視、控制等操縱變得更加輕易，有利于進(jìn)步勞動(dòng)生產(chǎn)率。