基于現(xiàn)場(chǎng)總線的埋弧焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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，對(duì)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(jié)：在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠顆粒狀焊劑;導(dǎo)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(duì)自動(dòng)焊過程的順序控制，實(shí)現(xiàn)三個(gè)基本環(huán)節(jié)控制;對(duì)弧焊設(shè)備和焊接過程的自動(dòng)控制，包括弧焊機(jī)輸出特性的控制，焊接過程自動(dòng)跟蹤及焊接過程的自適應(yīng)控制等。

　　2 現(xiàn)場(chǎng)總線概述

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)間提供一個(gè)全數(shù)字化的、分散的、雙向的、多點(diǎn)的通信鏈接的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)是全開放式的，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布都是公開的，面向所有的產(chǎn)品制造商和用戶。

　　智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、分散化代表著當(dāng)今自控技術(shù)發(fā)展的主流方向，而現(xiàn)場(chǎng)總線正是促使控制系統(tǒng)順應(yīng)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(tǒng)，也是現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的開發(fā)熱點(diǎn)之一。其突出特點(diǎn)在于克服了DCS中通信由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的信息傳輸，通信質(zhì)量和連線方式上都有較大突破。

　　軋輥焊接設(shè)備FCS廢除了DCS中采用的“操作站-控制站-現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備”3層主從結(jié)構(gòu)的模式，把輸入/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場(chǎng)單元中去，任何一個(gè)單元出現(xiàn)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(tǒng)更加可靠。軋輥焊接設(shè)備FCS可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給自動(dòng)化系統(tǒng)的施工帶來極大的方便，布線較DCS節(jié)省經(jīng)費(fèi)?；谝陨螰CS的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的自動(dòng)化控制。

　　3 軋輥焊接控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線選型

　　PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是西門子公司開發(fā)制定的一種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是在國(guó)際上比較流行的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。PROFIBUS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，他的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性強(qiáng)。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線基于令牌協(xié)議與主從輪詢相結(jié)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)議決定總線控制權(quán)。由于PROFI-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的成熟性和開放性，以及實(shí)際應(yīng)用中的成本優(yōu)勢(shì)，軋輥焊接設(shè)備控制系統(tǒng)中采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)組成

　　PROFIBUS-DP的特點(diǎn)更適用于單臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械的組網(wǎng)，設(shè)計(jì)中采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)來進(jìn)行組網(wǎng)。軋輥焊接設(shè)備主站和從站均選擇PLC，PROFIBUS-DP用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)控制設(shè)備與分布式I/O的通信，特別適合于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間通信。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的通信速率和中繼器的擴(kuò)展功能。軋輥焊接設(shè)備FCS網(wǎng)絡(luò)采用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)屏蔽雙絞線。PROFIBUS-DP是制造業(yè)自動(dòng)化主要應(yīng)用的協(xié)議內(nèi)容，是一種高速低成本通信方案，能夠滿足在長(zhǎng)軋輥焊接過程中要求的快速性和實(shí)時(shí)性。

　　軋輥焊接設(shè)備FCS配置相當(dāng)靈活，組網(wǎng)形式多種多樣。軋輥焊接設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)如圖1所示。PRO-FIBUS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)主要由帶PROFIBUS通信接口的中央處理器或通信模塊完成，通信模塊有DP主站和DP從站等。本系統(tǒng)為多主多從、單生產(chǎn)廠商設(shè)備的DP混合系統(tǒng)。FCS包括2個(gè)主站和2個(gè)從站。一類主站主要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制從站，二類主站進(jìn)行監(jiān)視，從站主要進(jìn)行焊接運(yùn)動(dòng)控制。從站為外圍設(shè)備，沒有總線控制權(quán)，僅當(dāng)接受到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向他發(fā)送信息。

　　應(yīng)用西門子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現(xiàn)場(chǎng)控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通信協(xié)議為PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。CPU315-2DP PLC作一類主站，觸摸屏TP170作為二類主站，CPU224XP是從站。EM277可作為CPU224XP接入PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線專用模塊。主站之間的通信為令牌方式，主站與從站之間的通信為主從方式。圖中兩部分從站系統(tǒng)組成相同，能夠?qū)崿F(xiàn)分別加工2根短軋輥和共同加工1根長(zhǎng)軋輥。

　　4 軋輥焊接控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在主一從系統(tǒng)中，主站與從站采用主-從程序?qū)崿F(xiàn)通信。主-從系統(tǒng)允許主站當(dāng)前有權(quán)發(fā)送、存取指定給他的從站設(shè)備，這些從站是被動(dòng)節(jié)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(jiān)視和協(xié)調(diào)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(yùn)動(dòng)控制、通信等操作。

　　4.1 一類主站CPU315-2DP軟件設(shè)計(jì)

　　S7-300 PLC程序包括系統(tǒng)組態(tài)，數(shù)據(jù)計(jì)算與處理程序，上位機(jī)與下位機(jī)通信程序等。對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)是建立現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，把網(wǎng)絡(luò)中所有的硬件通過這一環(huán)節(jié)聯(lián)成有機(jī)的網(wǎng)絡(luò)。此過程不是簡(jiǎn)單的線路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實(shí)現(xiàn)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(jiān)視從站工作狀態(tài)和長(zhǎng)軋輥焊接時(shí)進(jìn)行兩臺(tái)CPU224XP的協(xié)調(diào)控制。焊接長(zhǎng)軋輥時(shí)兩臺(tái)從站CPU224XP協(xié)調(diào)控制在此處是個(gè)難點(diǎn)，首先要由CPU315-2DP向兩臺(tái)CPU224XP從站發(fā)時(shí)鐘信號(hào)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線即可實(shí)現(xiàn)，通信協(xié)議是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。然后設(shè)置好兩臺(tái)CPU224XP的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，這樣在焊接長(zhǎng)軋輥時(shí)利用兩臺(tái)從機(jī)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 二類主站TP170A軟件設(shè)計(jì)

　　TP170A的組態(tài)軟件為SIMATIC ProTool，通過其進(jìn)行參數(shù)選擇與設(shè)置，設(shè)計(jì)焊接操作界面，最后將程序塊存入CPU315-2DP存儲(chǔ)器中。操作界面可進(jìn)行焊接方式選擇和焊接參數(shù)設(shè)置等操作。操作界面功能選擇頁(yè)如圖2所示。

　　4.3 從站CPU224XP軟件設(shè)計(jì)

　　PLC系統(tǒng)軟件一般采用模塊化程序設(shè)計(jì)，整個(gè)程序由若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊組成。PLC強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功能指令使復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算變得容易實(shí)現(xiàn)。S7-200PLC控制程序從結(jié)構(gòu)上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數(shù)的初始化等操作;功能子程序包括焊機(jī)組合變位控制子程序、機(jī)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(jī)長(zhǎng)軋輥加工子程序、手動(dòng)操作臺(tái)信號(hào)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(diào)統(tǒng)一，不單純依靠主程序或某一子程序控制。

　　加工長(zhǎng)軋輥時(shí)兩臺(tái)從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發(fā)出的時(shí)鐘信息，然后設(shè)置好實(shí)時(shí)時(shí)鐘。接下來通過比較判斷兩臺(tái)從站時(shí)鐘是否一致，如不一致，向CPU315-2DP發(fā)出錯(cuò)信息，CPU315-2DP重新發(fā)送時(shí)鐘信息。這樣在焊接長(zhǎng)軋輥時(shí)利用兩臺(tái)從機(jī)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(jī)焊接長(zhǎng)軋輥?zhàn)映绦蚩刂屏鞒虉D如圖3所示。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　軋輥埋弧焊接專用設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用基于PLC的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的軋輥埋弧焊接控制系統(tǒng)可以使傳統(tǒng)的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監(jiān)視、控制等操作變得更加容易，有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。