真空焊箱自动控制系统的设计与实现

赵辉+李楠+常领

摘 要：DP主站和DP从站之间通过DP通讯模式进行数据之间的交换（见图2），DP主站和DP从站用专用的DP通讯电缆连接，每个DP从站在西门子STEP75.5里有专用的GSD文件相对应。

关键词：现场总线；PFOFIBUS-DP；分布式；PLC；自动控制

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0121-02

现场总线是当前国际上自动化控制现场中最常用的控制方式，现场总线的出现带给了工业自动化控制领域的又一次革命。以分布式控制为基础的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）将逐步取代传统的智能仪表控制系统DCS（Distributed Control System）。

现场总线目前是国际上具有较大影响的总线标准之一，它在1989年成为德国现场总线国家标准DIN19245，随后不久又成为欧洲现场总线标准EN50170，市场份额占欧洲首位。

现场总线控制系统（PROFIBUS-DP）是工业自动化控制系统数字信息化、控制系统集散性、开放性高、交互性强的新一代工业现场自动化控制系统模式，是现场信息的数字化、控制过程的智能化、现场的网络化。现场总线的出现改变了传统工业由于集中控制造成的成本高昂、现场线缆复杂数量大的缺点，优化了控制，精简了现场大量的线缆，分散的控制模式，使得每一个控制单元独立形成各自分布控制，每个单元出现问题不影响整个设备的正常运行，提高了生产效率，方便了设备后期维护，减少了现场工程师的工作量。采用现场总线的通讯模式，提高了现场数据的传输精度和抗干扰能力，从而使得到的数据更准确、直观、实时性强，对工艺人员了解工艺情况，改进配方，提供了可靠的数据支持。

真空等离子焊箱的主要工作原理：首先要对炉室抽真空，炉室压力小于10Pa时，充入氩气，控制炉室压力上升到4000～7000Pa，在焊枪中通入氩气，控制焊枪自身高频起弧，起弧后焊枪周围的氩气被电离，形成等离子体，此时逻辑控制将焊接电源切换以焊枪为负极，夹具和夹持在夹具上的电极块为正极，电极块在等离子弧的加热下被熔化焊接。通过夹具的旋转和平移，使不同电极块之间的焊缝牢固的焊接在一起，形成真空自耗电弧炉用的自耗电极。

1 真空等离子焊箱自动控制系统设计方案

1.1 真空等离子焊箱自动控制系统的功能要求

真空等離子焊箱自动控制系统的控制对象包括各级真空泵、真空阀门、水泵、用于控制焊枪上下移动的全数字交流伺服装置、用于工件平移和旋转的全数字交流伺服装置、充氩阀门、焊接电源、各类检测信号等。根据控制系统被控对象的需要，整个自动化控制系统应具备以下各条表述功能：

（1）控制数据的采集和处理功能；

（2）运行监控与报警记录功能；

（3）生产过程中的安全控制功能；

（4）数据统计记录和运行数据生成报表的打印功能；

（5）过程数据连锁报警功能；

（6）控制系统的扩展功能，具有网络通信接口。

1.2 硬件构成

根据真空等离子焊箱自动控制系统的特点和要求，下面对各组成部分作具体说明。

DP主站和DP从站之间通过DP通讯模式进行数据之间的交换（见图2），DP主站和DP从站用专用的DP通讯电缆连接，每个DP从站在西门子STEP75.5里有专用的GSD文件相对应。

（1）主站

一级控制主站采用西门子公司S7-300系列的CPU 315-2DP PLC作为中央控制单元，由其采集、运行、处理整个控制程序，且实现和其他各个分站间的信息交换。

二级主站组态系统由HP工作站来实现人机界面，通过以太网与S7-300 PLC的以太网控制模块CP343 TCP/IP网口连接，现场调试工程师通过STEP7 5.5编程软件对整个控制系统进行组态、编程；工厂操作人员只能对整个组态系统进行操作和监控，但不能修改控制组态数据和STEP7系统程序。

（2）从站

从站（配置见图3）1、2、4、5为西门子ET200M总线模块；从站6为伺服电机总线模块；从站8为旋转伺服模块；从站9为焊接电源总线模块。它们的CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机的时间、系统内存较少，减少了PLC的扫描频率和周期。

1.3 软件方案

软件部分包括：下位控制程序STEP75.5编程软件和上位SIMATIC WinCCV7.2监控软件。

1.3.1 组态编程软件

程序编制采用西门子SIMATIC S7-300的配套软件包SETP7 V5.5完成工程的硬件组态、硬件系统的参数设置、控制系统PLC程序编制、现场测试调试等。西门子公司的程序编制软件SETP7运行于Windows环境下，操作界面友好，组态编程非常方便，在线控制、调试直观、便捷，有控制梯形图（LAD）、状态语句表（STL）和功能图（FBD）、超文本编辑语言（SCL）四种编程方式可随意切换和组合使用。硬件组态完成后，首先安装从站厂家提供的硬件GSD驱动软件，进行硬件和网络配置，然后再编制PLC程序。程序由组织块（OB），功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。控制系统用OB块见图4。

1.3.2 监控软件

为了提高系统的安全性、稳定性，故操作系统为Windows7专业版，监控软件采用SIMATIC WinCCV7.2。操作人员可在控制室实现集中控制，留有上位监控接口。焊接过程通常采用计算机自动控制，具有自动触底、自动提升、自动给定电流、电压参数、自动起弧、起弧后的弧压自动控制、运行后的弧压自动跟踪、自动启动、停止真空泵组、自动检测运行数据、记录反馈参数、打印工艺参数等功能，程序、组态系统设有冷却水压力、流量、温度、压缩空气压力、焊接电压、电流、焊接真空度等工作报警及必要的程序联锁保护功能。endprint

人机界面采用中文显示，主要包括以下窗口内容：

（1）主画面：显示系统状况，条目包括电源、真空系统以及关键的工艺参数变量（如电流、电压、真空、电极杆位置、电极杆速度等）。

（2）真空画面：包括部件状态和用于抽空降压初始阶段的报警条件指示、开阀的顺序，以及建立焊接所需的真空条件。

（3）冷却画面：显示水冷却系统的状况，实时显示水流量值和测量的温度值，以及安全装置状态，如流量和温度开关、水泵等。

（4）辅助冷却系统画面：（与上述c相似，显示每个辅助水冷却回路的温度/流量报警状态。）

（5）电源冷却画面：（与上述c相似，显示电源柜闭环水系统回路的温度、流量报警状态。）

（6）气动、液压系统画面：显示熔炼炉气动系统和液压系统的情况。

（7）报警窗口：提供所有激活着的报警信息。

安全报警系统包括电源断路器合闸、分闸状态、运行电机、泵组的供电状态、接触器的合分的操作条件、供辅设备的操作条件和故障条件；设备回路中的冷却水的温度、压力、水流量异常；系统的真空度连锁条件、电极杆上升、下降的限制条件、炉门的关合条件；设备所有氩气的流量、压力数据。

综上所述条件，在焊接过程中出现下列情况下直接自动采取切断熔炼电源的措施：

（1）真空炉体内的真空度未达到工艺设定值。

（2）冷却循环水出口处水温温度过高、水压、流量低于設定值。

（3）供电系统冷却水回路中的水温度过高、压力过低。

（4）电源柜个支路故障。

（5）达到预先设定的工艺菜单要求切断熔炼电源。

（6）电极杆到达下限位。

2 结束语

整个系统采用现场总线的集散、分布式控制模式后，前期设计简化了图纸数量，降低了中期电控系统的制作费用，大大缩短了后期现场安装、调试时间，减少了现场工程师的工作强度，提高了后期生产效率。由于采用分布式、集散控制，每个单元作为独立控制，相对于之前的统一控制，提高了稳定性，其中若有单一单元出故障，也不会影响整个设备的正常运行，统一控制，如有一处出现问题，整个控制系统就会停止工作，严重影响了生产和使用。

随着现场总线技术在我国工业控制领域的普及和发展，各工业行业必然会逐步采用PROFIBUS现场总线技术，而将来现场总线技术也必将为我国的工业控制做出巨大的贡献。

参考文献：

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2002.endprint