膜式拼排焊机电气控制系统的设计

刘茵茵

（上海市环境学校，上海 200135）

1 设备概述

1.1 设备简介

膜式壁是大型电站锅炉的重要部件，膜式拼排焊机是制造膜式管排的关键设备。膜式拼排焊机采用埋弧焊接工艺，通过选择连续或不连续的焊接方式将精整过的扁钢和除锈处理后的管子焊接成膜式管排。

膜式拼排焊机主要由机械系统、电气控制系统和焊接系统三部分组成。机械系统包括设备床身、管排上压轮、侧压轮、下部托轮、辅助送丝机构、药粉补给和回收机构及焊枪等；电气控制系统包括电气控制柜、驱动系统、电磁气阀、触摸屏、操作按钮站和现场传感器等；焊接系统包括焊接电源和送丝机构等。

如图1所示，驱动辊道由同一台电机驱动实现各组辊道同步运动。上压轮将管子压紧在驱动辊道上，驱动辊道转动时将管子向前传送。上压轮和托轮配合使用可使扁钢在垂直方向保持在管子中心高度，侧压轮用于使管子和扁钢在水平方向保持紧密接触，防止其产生偏移，从而影响焊接质量。上压轮和托轮可由电机驱动在水平方向

移动，可调整到不同的位置，以适应不同工况的焊接。当管子和扁钢在水平及垂直方向位置被固定之后，在图中A点进行焊接。随着管子和扁钢的前进，管子和扁钢被焊接在一起。设备共有4把焊枪，最多可同时进行4条焊缝的焊接。焊枪可在水平方向移动，以方便调整到合适的焊缝位置，焊枪也可手动控制升降。为保证焊丝的可靠传送，配置了辅助送丝装置，以增大送丝驱动力，配合焊机正常送丝。

1.2 控制系统功能要求

本拼排焊机控制系统要求能够实现的主要控制功能有：所有的设备动作都需要相关的操作开关，以方便操作调整。焊接电流、焊接电压可通过自复位旋钮实现焊接实时调整；焊接参数的设置、当前实际焊接电压电流显示及设备状态显示均可通过人机界面实现；最多记录2年焊接电压和焊接电流数据，并具备查询历史焊接电压、电流数据的功能；可测量并记录每把焊枪的焊接长度，并提供查询功能；可根据管排焊接长度和非焊接长度的工艺要求，实现给定长度的逐段自动焊接；系统可自动测量托轮、压轮的当前位置，并实现给定位置的自动定位；焊接辊道速度可无级调速，辊道电机驱动系统应保证焊接速度平稳和较高的速度控制精度。

2 控制系统硬件构成

根据上述功能要求，结合考虑到设备使用场合较差的工况条件，故该拼排焊机的控制系统采用以PLC为控制核心，触摸屏为人机界面的系统构成。这种控制方案最为实用，系统可靠性高，维护方便。

下页图2是该设备电气控制系统的硬件构成框图。整个控制系统以西门子S7-1215C型PLC为控制核心，其扩展通讯模块配置有DP接口，能够便捷的进行现场总线网络的构建与通信，实现对焊接电源动作及焊接参数的控制。

伺服系统具有较高的调速精度及良好的动态响应，故该控制系统采用了伺服驱动系统来实现对焊机焊接速度的较高精度的平稳控制。该控制脉冲编码器用于焊接长度的检测，直线尺用于上压轮、托轮位置的检测。为便于人机交互，本控制系统采用触摸屏作为人机界面，实现了系统相关数据的设定、调节、显示和存储。

3 关键技术

3.1 焊接电源及焊接参数控制

如图3所示，本项目采用的伊莎焊接电源支持Profibus总线协议，PLC通过扩展通信模块与4个焊接电源控制板构成一个总线网络。PLC通过Profibus总线与焊接电源控制板PAB进行通信，将控制信号及焊接参数写入控制板Profibus总线通信协议指定的控制字中；控制板则依据控制字定义的功能对焊接电源进行控制，实现对焊接启停、送丝方向、送丝速度、焊接电压及焊接电流的控制。

在焊接电源控制板的Profibus总线通信协议中，控制板控制焊接电源的控制字为16个字，共32个字节。其中0号字节用于焊接启动、停止及送丝方向的控制，8号和9号字节用于焊接电压的控制，10号和11号字节用于送丝速度的控制，12号和13号字节用于焊接电流的控制。

焊接电源的状态也可通过控制板总线通信协议规定的状态字进行反馈，PLC可通过Profibus总线与焊接电源控制板进行通信，读取焊接电源的状态数据，通过人机界面进行监视和查看。

3.2 焊接速度的精准控制

为保证焊接质量，要求焊接速度平稳且应有较高的调速精度。因伺服系统的速度控制稳定性较好、调速精度较高且具有良好的动态响应性，故在该案中使用伺服系统进行焊接速度的控制。

如图4所示，利用西门子S7-1215C型PLC、台达ASDA-A2伺服驱动器和伺服电机构成的伺服系统，通过PLC的模拟量输出信号将0-10V的速度命令送至伺服驱动器，控制伺服电机的转速及辊道运行速度，实现焊接速度的精准控制。

3.3 焊接长度的检测

为满足生产管理要求，便于计算工人产量，系统要求能够自动检测焊接长度。

如图5所示，脉冲编码器与计数轮同轴安装；计数轮通过气缸紧压在管子上，当管子前进时，带动计数轮及脉冲编码器同步转动。因计数轮轮面上有直条纹，故不会打滑，脉冲编码器能较为准确地测量管子焊接长度。本案选用编码器分辨率为2 000 P/R，计数轮每转一圈，编码器产生2 000个脉冲；计数轮周长为250 mm，即编码器的2 000个脉冲对应的焊接长度为250 mm，则测量分辨率为250/2 000=0.125 mm/P。如果PLC的计数方式选择4倍频计数，则分辨率可达0.03 mm，完全能够满足系统对焊接长度的计量需求。

编码器的输出接口为PNP型集电极开路输出形式，以与PLC的输入接口相匹配。编码器输出的A、B相计数脉冲通过PLC的I0.0、I0.1端口输入，由PLC提供的高数计数器进行计数；PLC将测量得到的计数值通过数学运算换算成对应的测量长度。

3.4 焊接位置控制

为保证焊接质量，需对焊接位置进行准确的检测和定位控制。直线尺结构简单，使用方便，能够检测压轮、托轮及侧压轮的绝对位置，实现对焊接位置的定位控制。见图6。

直线尺内部是一个直线电位器，外部测量点连接于该电位器的中间位置。如上图所示，当压轮、托轮等相关部件运动时，直线尺分段电阻值产生了与位移量成线性关系的变化。该分段电阻值通过转换模块转换成与之对应的电信号，然后通过PLC的模拟量输入接口将电信号转换为相应的位置数字量，用于这些运动部件的位置记忆和定位控制。

由于电流信号较电压信号具有较好的抗干扰能力，所以在本案中直线尺采用了4~20mA的电流输出信号。

4 软件编制

根据系统的功能要求和硬件配置，编制相应的控制软件。整个控制系统的软件主要包括焊接参数控制和辊道控制、焊接位置控制、焊接长度测量与计算、间断焊接控制四部分功能，见图7。

4.1 焊接参数及辊道控制

在该部分的控制程序中，主要是对焊接电源及焊接参数以及焊接速度的控制。

4.1.1 焊接电源及焊接参数控制

焊接电源控制板根据Profibus总线通信协议的规定的16个控制字定义的功能对焊接电源启停、焊接电压、焊接电流、送丝方向及送丝速度进行控制。四个焊接电源控制板由网络组态得到对应的通信输入地址范围。如A号焊接电源控制板的通信输入地址范围为QB200至QB231，则按照焊接电源控制板Profibus总线通信协议的控制字的规定，QB200.0用于焊接启动控制，QB200.1用于焊接停止控制，QB200.4和QB200.5用于送丝方向的控制，QB208和QB209分别为焊接电压的低字节和高字节数据，QB212和QB213分别为焊接电流的低字节和高字节数据。PLC则通过总线与控制板进行通信，将焊接控制信号和焊接参数写入焊机电源控制板指定的控制字中，实现对该焊接电源和焊接参数的控制，并按一定周期对焊接电压、焊接电流进行周期性数据刷新。

对于焊接的启弧电压、启弧电流、收弧电压、弧坑时间等非周期性刷新数据，可根据需要使用焊接电源控制板通讯协议的对应控制字进行单独设定。如根据伊莎焊机Profibus总线通信协议的定义，弧坑时间的数据设置功能号为29号，Profibus总线组态得到的焊接电源控制板的硬件标识符为283，我们使用WRREC指令根据上述参数进行弧坑时间的设置。

4.1.2 焊接速度控制

伺服驱动器的速度命令为-10~+10 V，可设定辊道电机转速范围为-3 000~+3 000 r/min。当伺服驱动器的SON端为ON时，伺服回路启动，通过程序设定PLC输出的模拟电压数值，将此速度命令送至伺服驱动器的V-REF端，控制伺服电机的转速，即可实现辊道运行速度的控制。

4.2 焊接位置控制（见图8）

该设备对焊接位置的控制精度要求不高，位置误差范围在2 mm内即可。

当压轮、托轮等相关焊接位置控制部件运动时，直线尺检测得到当前位移量，通过转换模块将位移量对应的电阻值转换为电流信号，通过PLC的模拟量输入模块将该电流信号转换为当前位置值。控制程序将当前位置值与设定的目标位置值进行比较，若位置误差Δ＞2 mm，则通过程序控制压轮或托轮电机正向转动，若位置误差Δ＜-2 mm，则控制压轮或托轮电机反向转动，当位置误差-2 mm≤Δ≤2 mm时，电机停转，完成焊接位置的定位控制，同时，相关位置数据需进行记忆存储，便于后续对焊接位置的再次定位。

4.3 焊接长度测量与计算（见下页图9）

在焊接启动之前，先进行焊接长度数据的清零，之后使用PLC的高速计数器指令统计焊接过程中编码器产生的脉冲个数，将其换算为焊接长度，换算公式为：

式中：L为焊接长度；L0为计数轮的周长；nz为测量中编码器产生的总脉冲个数；na为计数轮每转一圈编码器产生的脉冲个数；s为选择的计数倍频。

为便于计算工人产量，需在每班、每日焊接工作结束时对每日焊接长度、当班焊接长度和焊接总长度数据进行记忆存储。

4.4 历史数据存储与查询（见图10）

系统要求可最多记录2年的焊接电压和焊接电流的数值，并可提供查询历史焊接电压、电流值的功能。

如设置每2 min存储一次数据，每次需存储各焊接电源的焊接电压、电流和速度共9个数据，每天需存储6 480个数据，两年共需存储4 730 400个数据，如此庞大的数据量，使用PLC进行存储不能满足需求，本项目采用了触摸屏扩展U盘进行历史数据的存储。

如图11所示，进行数据记录时，先读取当前时刻的焊接电流、电压和速度值，并将当前日期、时间值换算成地址值Adr，之后使用SETDATA指令将读取的焊接数据存入EM文件中的Adr位置。间隔2分钟后，再次读取焊接电流、电压和焊接速度值，此时，日期及时间值对应的地址值经变址后为Adr=Adr+10，之后将读取到的数据存入变址后的Adr位置。以此类推，每隔2 min即进行一次焊接数据的读取、日期及时间值换算地址值的变址及数据存储。

触摸屏EM文件共有EM0~EM9十个文件，每个EM文件地址范围均为0~1 073 741 823，可提供的数据存储地址总数为10 737 418 230个，数据存储容量足够满足该系统两年4 730 400个历史数据的存储需求。

进行数据查询时，先将读取查询日期换算成该日期的起始存储地址Adr0，然后使用GETDATA指令将EM文件中Adr0起始的720组数据读出，之后利用触摸屏曲线显示元件将上述数据以图形曲线形式进行显示即可。

5 人机界面

人机界面采用的是威纶MT8121iE型触摸屏，用于设备相关数据的设定、调节、显示和存储。该型触摸屏无论是屏幕尺寸、性价比、经济性及维护的便利性，均能够较好的满足设备使用需求。

共设计制作了五个画面：主画面、历史数据查询画面、焊接程序设置画面、焊接位置显示与设置画面及焊接辅助设置画面。见下页图12。

主画面用于基本焊接参数如焊接电压、焊接电流、焊接速度的设定及显示，同时也可显示焊接设备状态数据，如焊接位置、焊接长度、非焊接长度等。

如下页图13所示，历史数据查询画面用于查询四只焊枪的焊接电压、焊接电流、焊接速度及焊接长度的历史数据。可最多记录、显示2年的焊接电压和焊接电流值。

如下页图14所示，焊接程序设置画面用于自定义设置分段焊接参数，如管排焊接长度、管排非焊接长度，实现给定长度的逐段焊接。

如图15所示，焊接位置显示与设置画面用于压轮、托轮、侧压轮位置的设置、显示和定位控制。

6 结语

本设备的控制系统设计中，使用西门子S7-1200 PLC通过PROFIBUS总线通讯实现了对焊机电源及焊接参数的控制。另外，使用伺服系统使焊接速度的控制有较高的精度和较好的稳定性，保证了焊接质量。编码器、直线尺的使用，有效实现了对焊接位置及焊接长度的检测和控制。控制系统使用了“PLC+功能模块+触摸屏”这种简洁实用的控制模式，系统的可靠性高，维护方便，设备运行稳定可靠。