PLC在自动焊接技术中的发展及应用研究

孙云翔 陈月峰 王树昂 张钊 陈金强

【摘 要】随着现代工业的不断发展与进步，自动焊接技术正在逐步代替传统手工焊接，因为它具有工作效率高、成型质量好、劳动强度低的优点，所以在焊接领域被不断地推广和使用。PLC作为一种可靠性高、功能性强的硬件控制器，在自动焊接技术中具有很大的应用空间。文章综述了PLC控制系统在自动焊领域的应用优势及应用现状，展望了该控制器未来的发展前景。

【关键词】PLC;人机界面;工业控制;自动焊接

【中图分类号】TG456 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）01-0085-03

0 前言

PLC又称为可编程逻辑控制器，是一种用于自动控制的数字化集成控制系统，可以通过数字量或模拟量的输入输出控制各种类型的机械结构及电器。现代工业使用的PLC已经接近于一台紧凑型的PC主机，因其在扩展性和可靠性方面的优势而被广泛应用于各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统或者集中分散式控制系统DCS，还是现场总线控制系统FCS中，总能看见各种类型的PLC被广泛使用。随着自动焊接技术逐步向智能化方向发展，PLC也发挥着至关重要的作用。PLC在自动焊接技术中的运用提高了控制系统的精度和集成度，提升了焊接效率及焊接成型质量，降低了操作者的使用难度。

1 PLC功能分析

PLC的硬件结构复杂，由电源、CPU、存储器、输入输出I/O接口等单元组成，可以通过编程软件将程序指令写入存储器，进行程序的存储和执行。通过编写控制程序，PLC可以进行逻辑运算、定时、计数、运动控制、总线通信等多种控制功能，从而实现对机械结构的控制及与其他设备之间交换数据。

根据组成形式，PLC可分为一体式和模块式两种类型。一体式PLC是将PLC的各个硬件组成单元整合，形成统一整体，这种PLC的体积较大，功能单一，控制规模较小。模块式PLC是由不同功能的模块拼装组合而成的，模块类型包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通信模块等，可以根据实际需要对模块进行选择，从而控制整体硬件结构的体积，而且模块式PLC的运算速度、控制功能相较于一体式PLC更加强大，因此现代工业控制中多采用模块式PLC。

2 PLC在自动焊接技术中的优势

2.1 稳定性高、抗干扰能力强

PLC采用大规模集成电路，内部电路采用抗干扰技术，具备电路保护功能，在环境恶劣、干扰信号较多的工业现场中能长时间无故障运行。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，当出现故障时，PLC表面的指示灯可以发出报警信号，使用者可以在编程软件中了解具体的故障信息，与传统的继电器控制系统相比，大大降低了故障发生的概率。

2.2 运算功能强大、实时性好

PLC的扫描周期是毫秒级别的，一般的时间长度在几毫秒到几十毫秒，因此其程序响应迅速，实时性好，基本可以做到程序运行和结构动作的同步发生。此外，PLC具有模拟量测量、PID运算、高速脉冲计数等多种高级运算功能，可以满足复杂的数据运算需求。

2.3 支持多种通信协议

一般的PLC自带以太网接口，支持TCP/IP协议，通过网线就可以与HMI或PC等上位机进行通信，并具备RS485通信模块，支持Modbus-RTU总线协议，还可以通过增加网关的方法进行协议转换，将TCP/IP协议转换成DeviceNet、Canopen等其他多种总线协议，与不同品牌的焊机等焊接电源设备进行通信。部分高端PLC自带不同类型总线协议通信模块，通过增加硬件模块，就可以实现多种协议通信的功能。

2.4 上位机的可选择范围广

PLC的上位机可选择范围广，如HMI、PC、工控机等均可以作为上位机。此外，人机界面的搭建方式也比较丰富，可以使用PLC自带的触摸屏编程软件，如“西门子”品牌的博图系列，也可以使用图形化语言或高级语言，如Labview、C#等。由于搭建方式具有多样性，因此人机界面的可塑性更强，美观度更高，更加贴近工业焊接的使用环境。

3 PLC在自动焊接技术中的应用

3.1 焊接参数调节及应用

由于PLC支持多种总线协议，因此可以和绝大多数的焊机进行实时通信，从而在人机界面端就可以修改焊接参数，例如焊接模式的选择、焊接电流电压的调整等。不仅如此，PLC还可以通过内部程序编写的方式，实现焊接参数按规律地自动分段调整，从而满足特殊焊接工艺要求。梁涛等人设计了一种以PLC为控制器的焊接控制系统，通过软件编程及硬件搭建，实现了对焊机电源参数的监测和调节。实验结果表明，该套控制系统对提升焊接稳定性和安全性具有很大的帮助[1]。此外，PLC可以对焊接参数进行监测和反馈调节，在焊接过程中，如焊接电流等某种参数由于误操作或其他外界因素超出规定使用范围时，控制系统可以发出报警信息，并及时对焊接参数进行调节，使其保持在安全可控的使用范围内，保证了焊接过程的正常、平稳。Shu Yufeng等人利用PLC对激光焊接工艺参数进行监控和调节，对异质高强度钢的焊接性能进行了探索，研究发现通过控制系统对焊接参数进行优化后，激光功率对焊接成型质量影响最大，焊接过程更加安全稳定[2]。

3.2 在弧压跟踪控制中的應用

弧压跟踪功能简称AVC。在焊接过程中，由于焊枪的不规则运动及焊件表面的凹凸不平，造成弧长波动，弧压变化，焊接参数改变，从而导致焊接质量的不可控。针对这种现象，PLC控制系统需要根据弧压变化对焊枪高度进行自动调节，如弧压变大时，需要使焊枪向下运动，使弧长变短，弧压变小;弧压变小时，需要使焊枪向上运动，使弧长变长，弧压变大，进而保持弧压稳定，提高焊接质量，这种控制功能称为弧压跟踪。从自动反馈调节的角度来看，这是一种以焊枪高度为被调量，弧压为操作量的闭环控制系统。付云平论述了在FECS系统原有主控单元的基础上利用PLC控制器完成弧压跟踪的运算、逻辑处理和控制功能，并以湖南湘潭电厂600 MW机组工程为例，具体介绍了以PLC为基础实现弧压跟踪功能的过程。工程实际运行情况表明，该方案能够实现湘潭电厂的自动弧压跟踪功能且效果理想[3]。

在焊接过程中，利用PLC模拟量模块对焊接弧压进行测量，通过编写控制程序进行标准化、比例缩放，将模拟量转换成数字量，从而对焊接弧压进行实时监测，再将弧压监测程序与焊枪运动程序关联，当弧压变大时，使焊枪向下;当弧压变小时，使焊枪向上，周而复始，实现弧压跟踪功能。此外，设计者需要在人机界面设计弧压跟踪的启动开关，这样可以根据焊接实际需要选择是否开启弧压跟踪功能。付伟以“西门子”S7-1200PLC为核心，设计了一套自动立缝弧焊专机控制系统，该控制系统可以根据弧压与弧长的关系，利用自动调节弧压跟踪控制算法和启动开关，进行弧压跟踪，实现了LNG储罐用9%Ni钢自动立缝焊接系统在焊接工艺过程的数字化、自动化控制[4]。

3.3 焊枪运动轨迹调节及运动参数控制

由于实际焊接过程中，焊件的形状不断变化，焊口形式复杂多样，因此对焊枪的运动轨迹及运动参数控制要求较高。单根立等人将工业PC和PLC相结合，设计了一套圆形电连接器和多芯电缆自动焊接设备，利用机械结构和气动系统对焊枪进行精准控制，完成复杂焊件、焊口的焊接[5]。

PLC控制系统可以满足焊枪在X、Y、Z三维空间内的自由运动，保证焊枪可以在不同位置、不同角度进行焊接，需要根据实际焊接状况，对焊枪进行分区段运动参数设定，使得焊枪以不同的运动参数完成不同的运动轨迹，实现真正意义的全方位自动焊接功能。例如，研究者以“西门子”S7-1500 PLC作为控制器，使用顺序功能图对焊接工序进行分析，通过博图软件进行程序设计，搭建了一套焊接机器人工作站系统，进行全方位自动焊接[6]。

3.4 数据、图像采集与分析

为了更好地观察焊接状态，在自动焊过程中，焊接操作者需要监测焊接数据，如焊接电流、焊接电压、焊接速度等，甚至包括焊接熔池的实时监控。主要方法为PLC控制系统通过连接外部传感器，输入模拟量信号将焊接参数显示在人机界面，并且通过上位机与摄像头的通信连接，呈现熔池图像。例如，索鑫宇提出以Labview为上位机开发软件，采用罗克韦尔RSLogix5000系列PLC控制气缸与伺服电机为控制方式，实现图像处理和数据存储的功能，解决了核电现场装料过程中核燃料棒的类型分析与姿态调整任务[7]。

此外，根据焊接工艺开发需要，操作人员往往需要对焊接过程中的焊接数据、熔池图像及焊接后焊件的成型质量进行比对分析，这就需要控制系统可以实现焊接过程中的数据、图像采集。通过程序编写，PLC控制系统可以将焊接数据和图像进行记录并存储到PC、工控机等上位机内，方便操作者的后续比对和查看。陆建利用计算机和PLC建立了一套表面贴装晶片及引脚框架的视觉检测系统，通过CCD摄像机和图像采集卡将图像信息采集到计算机并进行图像分析和处理，实现了对晶片的检测和定位[8]。

3.5 焊接环境数据检测

焊接过程中，焊接环境也是影响焊接质量的一个重要因素，如焊接空气中含氧量较高会造成不锈钢焊缝力学性能下降、焊接时飞溅严重、易形成气孔、夹渣;焊接温度较高会造成成型件的韧性及塑性下降。PLC控制系统通过增加外部测量元件，可以对焊接环境中如氧气、氩气含量，空气温度等多种信息进行检测，并进行数据显示，使操作者可以更加直观地了解焊接环境，进而确保焊接质量。研究者通过对PLC、SCADA、DCS 3种控制系统的研究和对自动化发展方向的归纳，参考PAC控制系统提出总体方案，对空气成分等环境结构进行分析和检测[9]。刘亮等人根据铝合焊接熔透状态识别需求，对焊接过程中的间隙和错边量通过使用HTTP协议获取工艺参数接口数据，通过数据输入输出模块获取机器人控制器设定的送丝和电流参数，进而改善焊接质量[10]。

由此可见，PLC在自动焊领域已被广泛应用，无论是参数调节还是质量控制，它都起着至关重要的作用，并不断推动着焊接技术向自动化、智能化、信息化、数字化的方向发展。

4 结语

PLC的可靠性高、稳定性强、应用灵活、维护方便，在工业控制领域被广泛使用。在自动焊接过程中，PLC的应用可以提升焊接效率、提高焊接成型质量、实现多种焊接功能、跟踪焊接数据、降低工人的劳动强度，从而实现对自动焊接技术的全方位优化。随着科技的不断进步与发展，PLC在自动焊接技术中的应用也必将更加深入，未来的主要发展方向如下。

（1）硬件体积向小型化发展，具有更高的系统集成度，方便焊接操作者的携带和使用。

（2）具有更高的数据运算精度及速度，可以更加迅速地处理一些复杂的焊接运算数据。

（3）具有更加强大的数据存储功能，数据存储方面向PC机靠拢，对于大型数据可以直接存储在PLC内部，而不是通过上位机实现。

（4）編程语言更加统一，各个PLC品牌的汇编语言更加一体化，实现统一，减轻操作人员和设计人员的负担。

（5）模块功能更加强大，在现有模块功能基础上，产生更多可以实现焊接和工业现场不同需求功能的模块。

参 考 文 献

[1]梁涛，刘锋，王睿，等.基于PLC的多通信方式焊机测试系统[J].热加工工艺，2020（7）：11-13.

[2]Shu Yufeng，Fan Sili，Xiong Changwei.Optimizationof welding process of heterogeneous high strength steel based on PLC control[J].Results in Physics，2018（11）：20-23.

[3]付云平.发电厂分布式电气控制系统中自动电压控制的研究[D].北京：华北电力大学，2007.

[4]付伟.LNG储罐用9%Ni钢自动立缝焊接系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2016.

[5]单根立，董沛森.基于工业PC和PLC的圆形电连接器与多芯电缆自动焊接设备设计[J].机床与液压，2020，48（2）：94-97.

[6]夏楠，栾义忠，李克奇，等.基于S7-1500的焊接机器人工作站控制系统设计[J].现代制造技术与装备，2019（10）：187-189.

[7]索鑫宇.基于LabVIEW与PLC的核燃料棒视觉识别与定位系统的开发与应用[D].长沙：湖南大学，2018.

[8]陆健.基于机器视觉的表面贴装晶片检测与定位技术研究[D].长春：长春理工大学，2009.

[9]盛文剑.基于VPN的PAC控制系统在空气质量检测中的应用[D].武汉：华中科技大学，2009.

[10]刘亮，杨长祺，倪加明，等.2219铝合金变极性TIG焊熔透状态识别方法[J].上海交通大学学报，2016，50（S1）：71-74.