基于現場總線的埋弧焊接控制系統設計

　　1 軋輥埋弧焊接控制概述

　　埋弧焊是一種重要的焊接方法，其優點是焊接時將弧光埋起來，對人及環境的影響非常小。

　　埋弧焊施焊有三個基本環節：在焊件待焊接縫處均勻堆敷足夠顆粒狀焊劑;導電嘴和焊件分別接通焊接電源兩極以產生焊接電弧;自動送進焊絲并移動電弧和焊件實施焊接。埋弧焊自動控制技術包括兩個方面：對自動焊過程的順序控制，實現三個基本環節控制;對弧焊設備和焊接過程的自動控制，包括弧焊機輸出特性的控制，焊接過程自動跟蹤及焊接過程的自適應控制等。

　　2 現場總線概述

　　現場總線是在智能現場設備和自動化系統間提供一個全數字化的、分散的、雙向的、多點的通信鏈接的一種工業數據總線。現場總線技術及標準是全開放式的，從總線標準、產品檢驗到信息發布都是公開的，面向所有的產品制造商和用戶。

　　智能化、數字化、信息化、網絡化、微型化、分散化代表著當今自控技術發展的主流方向，而現場總線正是促使控制系統順應這一發展方向的重要技術。FCS是繼DCS之后的新一代控制系統，也是現在工業自動化的開發熱點之一。其突出特點在于克服了DCS中通信由封閉的專用網絡系統實現中所產生的缺陷，同時把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身實現基本控制功能。現場總線控制系統是應用現場總線技術對傳統的集散控制系統進行改造，實現了數字化的信息傳輸，通信質量和連線方式上都有較大突破。

　　軋輥焊接設備FCS廢除了DCS中采用的“操作站-控制站-現場設備”3層主從結構的模式，把輸入/輸出單元、控制站的功能分散到智能型現場單元中去，任何一個單元出現故障只影響本身而不會危及全局，這種徹底的分散型控制體系使系統更加可靠。軋輥焊接設備FCS可采用多種網絡拓撲結構，給自動化系統的施工帶來極大的方便，布線較DCS節省經費。基于以上FCS的優點，本設計應用現場總線技術組成現場總線控制系統，實現焊接設備的自動化控制。

　　3 軋輥焊接控制系統硬件設計

　　3.1 現場總線選型

　　PROFIBUS現場總線是西門子公司開發制定的一種現場總線標準，是在國際上比較流行的一種現場總線。PROFIBUS的網絡協議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，對第三層到第六層進行簡化，他的標準適應性強。PROFIBUS現場總線基于令牌協議與主從輪詢相結合的存取控制方式，主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協議決定總線控制權。由于PROFI-BUS現場總線技術上的成熟性和開放性，以及實際應用中的成本優勢，軋輥焊接設備控制系統中采用PROFIBUS現場總線。

　　3.2 現場總線控制系統組成

　　PROFIBUS-DP的特點更適用于單臺生產機械的組網，設計中采用PROFIBUS-DP現場總線技術來進行組網。軋輥焊接設備主站和從站均選擇PLC，PROFIBUS-DP用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通信，特別適合于PLC與現場設備間通信。PROFIBUS-DP掃描1 000個I/O點的時間少于1 ms，支持9.6 k～12 M的通信速率和中繼器的擴展功能。軋輥焊接設備FCS網絡采用總線型網絡拓撲結構，網絡介質使用RS-485標準屏蔽雙絞線。PROFIBUS-DP是制造業自動化主要應用的協議內容，是一種高速低成本通信方案，能夠滿足在長軋輥焊接過程中要求的快速性和實時性。

　　軋輥焊接設備FCS配置相當靈活，組網形式多種多樣。軋輥焊接設備現場總線控制系統如圖1所示。PRO-FIBUS網絡的實現主要由帶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。本系統為多主多從、單生產廠商設備的DP混合系統。FCS包括2個主站和2個從站。一類主站主要進行協調控制從站，二類主站進行監視，從站主要進行焊接運動控制。從站為外圍設備，沒有總線控制權，僅當接受到的信息給予確認或當主站發出請求時向他發送信息。

　　應用西門子S7-300和S7-200系列的PLC，組成FCS中的基本現場控制單元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之間的通信協議為PROFIBUS現場總線協議。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現場總線專用模塊。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組成相同，能夠實現分別加工2根短軋輥和共同加工1根長軋輥。

　　4 軋輥焊接控制系統軟件設計

　　在主一從系統中，主站與從站采用主-從程序實現通信。主-從系統允許主站當前有權發送、存取指定給他的從站設備，這些從站是被動節點，主站可以發送信息給從站或從從站獲取信息。S7-300 PLC程序主要進行組織、監視和協調等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中斷程序和各種功能子程序，主要進行具體的運動控制、通信等操作。

　　4.1 一類主站CPU315-2DP軟件設計

　　S7-300 PLC程序包括系統組態，數據計算與處理程序，上位機與下位機通信程序等。對硬件進行組態是建立現場總線控制系統網絡的關鍵環節，把網絡中所有的硬件通過這一環節聯成有機的網絡。此過程不是簡單的線路上的連接，而是要建立基于PROFIBUS現場總線通信協議的網絡。應用軟件MICROWIN STEP-7 V5.0可實現硬件組態功能和控制軟件編輯功能。

　　CPU315-2DP控制程序主要是進行監視從站工作狀態和長軋輥焊接時進行兩臺CPU224XP的協調控制。焊接長軋輥時兩臺從站CPU224XP協調控制在此處是個難點，首先要由CPU315-2DP向兩臺CPU224XP從站發時鐘信號，利用現場總線即可實現，通信協議是PROFIBUS現場總線通信協議。然后設置好兩臺CPU224XP的實時時鐘，這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。

　　4.2 二類主站TP170A軟件設計

　　TP170A的組態軟件為SIMATIC ProTool，通過其進行參數選擇與設置，設計焊接操作界面，最后將程序塊存入CPU315-2DP存儲器中。操作界面可進行焊接方式選擇和焊接參數設置等操作。操作界面功能選擇頁如圖2所示。

　　4.3 從站CPU224XP軟件設計

　　PLC系統軟件一般采用模塊化程序設計，整個程序由若干個功能相對獨立的模塊組成。PLC強大的數學功能指令使復雜的數學計算變得容易實現。S7-200PLC控制程序從結構上劃為主程序和功能子程序，主程序主要完成參數的初始化等操作;功能子程序包括焊機組合變位控制子程序、機頭行走子程序、送絲控制子程序、絲極擺動控制子程序、電流控制子程序、雙機長軋輥加工子程序、手動操作臺信號處理子程序等。實際控制時要求這些程序控制的動作協調統一，不單純依靠主程序或某一子程序控制。

　　加工長軋輥時兩臺從站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP發出的時鐘信息，然后設置好實時時鐘。接下來通過比較判斷兩臺從站時鐘是否一致，如不一致，向CPU315-2DP發出錯信息，CPU315-2DP重新發送時鐘信息。這樣在焊接長軋輥時利用兩臺從機的時鐘，按一定時序進行加工，可保證焊接正常有序進行。雙機焊接長軋輥子程序控制流程圖如圖3所示。

　　5 結 語

　　軋輥埋弧焊接專用設備控制系統設計方案采用基于PLC的PROFIBUS現場總線控制系統。應用現場總線技術的軋輥埋弧焊接控制系統可以使傳統的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的監視、控制等操作變得更加容易，有利于提高勞動生產率。