DeviceNet现场总线技术在大型横缝焊接设备中的应用

杨保海，文秀海，卞金玉

（河南工学院，河南新乡453003）

DeviceNet现场总线技术在大型横缝焊接设备中的应用

杨保海，文秀海，卞金玉

（河南工学院，河南新乡453003）

介绍一种基于DeviceNet现场总线技术的焊接设备。该设备通过控制室以及焊接系统、控制系统上的I/O终端，利用DeviceNet现场总线技术在其之间进行远程通讯和控制，简化了配线数量，降低了硬接线成本和接点故障率。人机对话界面可以将焊接数据实时传回并进行监控，实现焊接过程控制，提高自动化程度和焊接质量。控制室远离焊接施工现场，避免了焊接烟尘和弧光对操作人员的危害。

横缝焊接；现场总线技术；过程控制

0 前言

从目前我国石油及化工企业的发展趋势看，储罐的发展向大容积、国产化、自动化（包括大型储罐的自动化焊接）方向发展已成定局。在大型储罐焊接方面，埋弧自动横焊技术已取得了突破性进展，但不论是储罐的容积、数量，还是生产自动化水平，均处于初级阶段。先进的大型横缝焊接设备是储罐建设的关键因素，先进的焊接设备不仅能生产出大容量、高质量的大型储罐，同时对打破国外技术垄断、降低储罐生产成本、提高储罐焊接质量也至关重要。

河南工学院研发的MZHF-Net埋弧自动横缝焊接机（以下简称横焊机）将DeviceNet现场总线技术应用到大型横缝焊接设备中，是横缝焊接专用机床电气控制模式上的突破，对逻辑控制系统、焊接系统、焊剂回收系统以及机械部分等进行了大量的改进。其自动化程度大幅提高，性能稳定，功能完善，可以远程操控，为横缝焊接设备向高精密、多兼容、低成本、全自动的方向发展创造了条件[1]。

1 MZHF-Net型横缝焊接设备的整体系统设计

常规埋弧自动横缝焊接机（如MZHF-Ⅰ、MZHF-Ⅱ型埋弧自动横缝焊接机）系统包括主控系统、焊接系统（焊接电源和埋弧焊接机头）、行走系统、焊剂循环回收系统、焊剂托持装置以及其他配套设备。系统的电气控制靠常规的多芯控制线连接，连线繁杂，故障隐患较多。横缝焊接设备工作时具有功率较大、移动频繁、工作环境恶劣等特点，这些特点使

得电气连接系统极易磨损、断路，造成焊接故障（控制线断路造成的故障占总故障的70％），且由于系统控制的复杂性使得简单的断路往往被误诊为控制板、焊接电源等的故障，求助于焊接设备生产厂家，造成经济、人力和时间的浪费。研制的MZHF-Net埋弧自动横缝焊接机采用现场总线技术，简化了系统连接，最大程度地减少了故障的发生。

MZHF-Net埋弧自动横缝焊接机在保留系统功能的基础上，增加“焊剂输送检测系统”（压力通断检测装置）和“行走检测系统”（增量型光电编码器E6B2-CWZ6C）。采用DeviceNet现场总线技术作为系统控制总线。DeviceNet是基于现场总线技术CAN的低成本网络，其数据包大小被限制在8 B以内，可进行快速、高效的数据传送。该系统还具有ADR（自动设备更换）功能：系统的设备既定参数被存储起来，一旦设备出现问题，只需更换此设备，设备参数会自动下载到新更换的设备中。该功能可使系统快速恢复正常，满足设备即插即用要求。DeviceNet技术的应用减少了硬线接入/接出点，降低了故障率。系统工作时，通过I/O模块采集“焊剂输送”“设备行走”“焊接”等检测信号，并通过DeviceNet现场总线传输到远程控制室，主控PLC处理、运算各输入信号，并将结果通过DeviceNet现场总线返回到I/O模块输出，从而实现远程控制执行机构的动作。远程控制可以使操作人员远离烟尘和弧光，防避炎热、严寒等恶劣气候，系统实现自动化的同时体现了健康、环保、高端和人性化的特点。系统组成结构示意如图1所示[2]。

图1 MZHF-Net型横焊机系统结构示意

2 远程控制台的设计

MZHF-Net型自动横焊机的主控制台位于远端控制室内，远程控制台将触摸屏（MT4414TE-CAN）作为人机对话主界面，界面窗口设定为“主监控”窗口，“参数设置”窗口等。通过窗口上“参数设置”按钮，进入“参数设置”页面设置焊接参数，焊接电流、焊接电压、焊接速度、行走方向、焊剂回收等参数都可通过远程操作台设置。待各个参数设置完成后，返回“主监控窗口”。“主监控窗口”用于在系统正常焊接情况下监控焊接速度、焊接电流、焊接电压、焊剂输送等工作状态，保证焊接的正常进行。其中，行走系统通过增量型光电编码器E6B2-CWZ6C采集信号，速度设定后，如果出现长时间波动（超过5 s），行走系统报警；焊剂输送系统通过在焊剂出口处的“压力通断检测装置”判断焊剂的有无，如果焊剂断流超过一定时间（5～20 s），则焊剂输送系统报警；焊接系统通过直接采集焊接电源的电流、电压信号来进行监控。主监控窗口和系统调试窗口如图2所示。

MZHF-Net型自动横焊机的工作台架上设置有“照明”“抛光”“卷扬机”“进丝”“退丝”“前行”“后退”“远-近控转换”“焊接电流”“焊接电压”“焊接速度”“焊接方向”等功能的控制面板，以方便系统的现场调整[3]。

3 焊接工艺流程

MZHF-Net型自动横焊机的焊接系统采用MZ-N-1000型焊接电源和MZS-Net型自动埋弧送丝

机，此电源和送丝机都采用DeviceNet现场总线技术作为系统控制总线。焊接电源具有恒电压和恒电流两种焊接特性，既可作为埋弧焊焊接电源，也可作为焊条电弧焊和碳弧气刨使用，一机多用。送丝机具有“回抽引弧”和“滑擦引弧”两种引弧功能，且能根据焊丝和工件的实际接触情况自行选择引弧方式，引弧成功率在99％以上。即便在工作过程中出现意外“断弧”(如波动、停电等引起的焊接停止)，无需清理焊剂、焊渣，而直接按下“启动”按键，系统即可引弧焊接。焊接系统程序控制流程如图3所示。

图2 触摸屏主监视窗口和调试窗口

图3 MZHF-Net型横焊机系统程序控制流程

系统开始焊接之前，需要将配套系统准备完毕：将电源选择“恒流”特性，送丝机拨至“焊接”档位，打开焊剂输送开关，使焊剂输送到焊接部位，打开吸尘器等。系统准备完毕后，控制台触摸屏调到“主监控窗口”，按动“启动”按键，行走系统启动，焊接电源启动，送丝机选择引弧方式引弧（以此时焊丝是否接触工件为判断标准），引弧成功后，通过触摸屏监控系统的工作进程。焊接结束时，按动“停止”按键，首先行走系统和送丝系统停止，但MZ-N-1000型焊接电源依然开通，焊丝仍在熔化（完成“填弧坑”功能）。随着焊丝的熔化缩短，弧压越来越高，当达到设定弧压值（54～59 V）时，系统逻辑电路控制焊接电源断电，一个焊接周期完成[4]。

4 结论

（1）MZHF-Net型自动横焊机系统采用DeviceNet现场总线技术，避免了采用多芯控制线时频繁的线路故障，设备维修率降低60％。

（2）采用DeviceNet现场总线技术，工作人员可以远离烟尘和弧光，躲避炎热和寒风，体现了健康、绿色和以人为本的特点。

（3）采用DeviceNet现场总线技术和用触摸屏作为人机对话窗口，使得操作更加直观、简便，提高了焊接质量和焊接效率。

（4）DeviceNet现场总线技术具有“ADR”（自动设备更换）功能，元器件更换简单，随换随用，能够实现一机多用。

MZHF-Net型自动横缝焊接机是大型横缝焊接专用设备中科技水平较高的产品，从模式上对系统进行了突破，为大型横缝焊接设备的发展开辟了新的方向，具有较高的应用和推广价值。

[1]杨立军．材料连接设备及工艺[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]孙鹤旭．现场总线控制系统的设计与开发[M].北京：国防工业出版社，2007.

[3]廖常初．西门子人机界面[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]韩国民．焊接工艺理论与技术[M]．北京：机械工业出版社，2007.

Applications of deviceNet field-bus technology in the large horizontal seam welding equipment

YANG Baohai，WEN Xiuhai，BIAN Jinyu
（He′nan Institute of Technology，Xinxiang 453003，China）

This article presents a kind ofweldingequipment based on deviceNet field-bus technology.The weldingequipment which uses DeviceNet field-bus technologyfor remote communication and control though the I/Oterminals connected tothe control room，the welding systemand the control systemcan greatlysimplifythe amount ofwiringand reduce the cost ofhardwiringand the contact failure rate.The HMI can real-time return and monitor weldingdata，which achieves the process control ofweldingand improves the degree ofautomation and weldingquality.Thecontrolroomisdesigned awayfromtheweldingconstruction sitetoavoid harmtooperatorsfromweld fumeand arc.

horizontal seam welding；fieldbus technology；process monitoring

TG409

B

1001－2303（2016）09－0042-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.10

2016-05-11；

2016-08-29

杨保海（1977—），男，河南新乡人，工程师，学士，主要从事焊接设备的研究、设计和教学工作。