埋弧焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)

曹登場(chǎng)，施幫利

（1.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德067000；2.重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

埋弧焊機(jī)PLC控制系統(tǒng)

曹登場(chǎng)1，施幫利2

（1.承德石油高等專科學(xué)校，河北承德067000；2.重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

以西門子S7-200系列PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)基于焊接電壓反饋的PID閉環(huán)控制，精確調(diào)節(jié)焊接電壓以獲得良好的焊接質(zhì)量。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件并完成選型；闡述焊接控制邏輯并給出PLC控制流程圖，以常規(guī)PID算法為控制策略，確定了控制邏輯，并給出變量的控制結(jié)構(gòu)框圖，保證了自動(dòng)埋弧焊機(jī)在焊接過程中電弧電壓的穩(wěn)定性。

埋弧焊；PLC；PID控制

0　前言

自動(dòng)埋弧焊具有焊接電流大、焊縫質(zhì)量高、適用范圍廣等特點(diǎn)[1]。埋弧焊焊接質(zhì)量不僅與焊接設(shè)備中整流電源和焊接工藝有關(guān)，焊接過程的控制系統(tǒng)對(duì)最終的焊縫質(zhì)量形成也起到至關(guān)重要的作用。焊接過程的自動(dòng)控制是焊件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要保障，更是焊接技術(shù)的發(fā)展方向。本研究針對(duì)大型磨輥的埋弧自動(dòng)焊機(jī)，在分析埋弧焊機(jī)工作原理和焊接工藝過程的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了基于電弧電壓閉環(huán)控制的埋弧焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)。

1　自動(dòng)埋弧焊工藝過程

自動(dòng)埋弧焊以連續(xù)送進(jìn)的焊絲和焊件作為兩個(gè)電極，焊絲和部分焊件熔化后作為金屬溶劑填充到焊接熔池中。連續(xù)焊接時(shí)，焊劑作為隔絕空氣的保護(hù)層，覆蓋在整個(gè)熔池上方，電弧在焊絲和局部母材在電弧持續(xù)加熱情況下熔化形成熔池，當(dāng)電弧進(jìn)入下一焊點(diǎn)時(shí)，前面的熔池因逐漸遠(yuǎn)離熱源而冷卻凝固后形成埋弧焊焊縫[2]。自動(dòng)埋弧焊機(jī)械結(jié)構(gòu)分為送絲機(jī)構(gòu)、電弧系統(tǒng)、排渣機(jī)構(gòu)和焊接移動(dòng)小車四大部分，由送絲電機(jī)拖動(dòng)的送絲輥道驅(qū)動(dòng)焊絲由焊絲盤經(jīng)導(dǎo)電嘴送入焊接區(qū)，焊接小車移動(dòng)帶動(dòng)電弧以及焊機(jī)漏斗移動(dòng)，漏斗將顆粒狀焊劑從軟管均勻地堆敷在焊縫接口區(qū)；焊接小車移動(dòng)直至工件全部焊縫焊接完成。

自動(dòng)埋弧焊焊接過程如圖1所示，焊接電源通電后，送絲機(jī)構(gòu)送進(jìn)的焊絲在排渣機(jī)構(gòu)排出的狀焊劑保護(hù)下與金屬級(jí)接觸引燃電弧。連續(xù)電弧加熱使焊絲、局部母材和焊劑熔化形成一個(gè)與隔絕空氣的金屬熔池容腔。在熔渣和焊劑蒸氣的保護(hù)下，熔池中的金屬與外層的空氣隔絕，防止與空氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。隨著焊接小車帶動(dòng)電弧系統(tǒng)沿著焊接軌道向前移動(dòng)，熔池中的金屬液逐漸遠(yuǎn)離電弧熱源冷卻凝固最終形成焊縫，焊縫表面覆蓋一層熔渣凝固而成的渣殼，待焊接全部完成焊縫冷卻成形后，去掉焊縫渣殼即可得到平整焊縫。持續(xù)焊接時(shí)焊絲在電弧熱的作用下不斷地熔化并往前送進(jìn)，焊絲送進(jìn)速度在控制系統(tǒng)的控制下與和金屬熔化速度相適應(yīng)，保持焊接過程的穩(wěn)定性。

1—焊劑漏斗；2—軟管；3—坡口；4—母材；5—焊劑；6—導(dǎo)電嘴；7—送絲機(jī)構(gòu)；8—絲盤；9—電源。圖1　自動(dòng)埋弧焊過程示意

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)埋弧焊機(jī)按功能可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)主體、焊接電源、電氣控制系統(tǒng)三大部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)主體部分主要包括焊接小車、送絲機(jī)構(gòu)、排渣機(jī)構(gòu)和焊接軌道。焊接電源系統(tǒng)采用美國林肯公司生產(chǎn)的DC600電源，機(jī)械系統(tǒng)和焊接電源性能良好，本研究只重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，以提高焊機(jī)的控制精度。

埋弧焊硬件系統(tǒng)主要由PLC控制器、焊接電源、直流伺服送絲電機(jī)、焊接小車步進(jìn)電機(jī)、操作面板、文本顯示器等組成?？刂葡到y(tǒng)的控制器選用西門子S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)埋弧焊過程控制，200系列PLC為整體式結(jié)構(gòu)，自帶I/O結(jié)構(gòu)模塊，可選配擴(kuò)展模塊，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，完全滿足小型埋弧焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)的要求。具體型號(hào)選用西門子CPU226晶體管輸出型PLC，最大脈沖輸出頻率20 kHz，脈沖輸出電壓5 VDC，以滿足送絲伺服電機(jī)的需求[3]。PLC選用脈沖串輸（PTO）脈沖發(fā)生模式控制脈沖的周期和個(gè)數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)送絲伺服電機(jī)和焊接小車電機(jī)的精確調(diào)節(jié)，PLC高速計(jì)數(shù)器HSC指令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和定位，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程由PLC執(zhí)行中斷程序控制。埋弧焊控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2　埋弧焊控制系統(tǒng)硬件框圖

控制系統(tǒng)主令操作按鈕都安裝在操作面板上，完成對(duì)焊機(jī)電源的啟停、手動(dòng)模式下的操作等。焊接過程中針對(duì)不同焊接材料的焊接參數(shù)由文本顯示器設(shè)定，如焊接電流、焊接電壓、送絲速度、小車移動(dòng)速度和定位，同時(shí)利用PLC的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能采樣焊接電流、送絲速度等模擬量并反饋給控制器以實(shí)現(xiàn)實(shí)際值和設(shè)定值的顯示和物理量的閉環(huán)控制。由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的送絲速度由電弧電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)電弧弧長和電壓的穩(wěn)定性。焊接小車移動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)形成開環(huán)控制，小車移動(dòng)速度只采樣顯示。顯示器選用TD400文本顯示器和MCS-51單片機(jī)組成的操作面板，完成焊接參數(shù)的設(shè)置和設(shè)定值和實(shí)測(cè)值的顯示等。TD400文本顯示器通過RS485通信協(xié)議與PLC建立通訊[4]。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

埋弧焊接過程主要包括焊接參數(shù)設(shè)定、引弧、送絲及焊接、滅弧焊接結(jié)束四個(gè)過程，其中送絲及焊接過程是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重點(diǎn)。對(duì)電弧電壓進(jìn)行PID閉環(huán)控制，采用送絲伺服直流電機(jī)對(duì)送絲的速度實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，保證電弧電壓在設(shè)定值范圍內(nèi)，保證焊接過程連續(xù)進(jìn)行。

（1）焊接參數(shù)設(shè)定。通過TD400的數(shù)據(jù)輸入按鍵，將焊接參數(shù)如焊接電流、送絲速度、焊接電壓和小車移動(dòng)速度等輸入到文本顯示器中，按下數(shù)據(jù)確認(rèn)鍵，數(shù)據(jù)通過RS484通信協(xié)議傳輸至PLC存儲(chǔ)器中，在焊接開始后對(duì)其完成數(shù)據(jù)的賦值。

（2）引弧。在調(diào)整好焊接機(jī)頭的位置和焊絲的伸出長度后，按下焊接啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)完成初始化并將焊接參數(shù)賦值后，焊機(jī)電源啟動(dòng)，焊絲與工件之間由瞬時(shí)電勢(shì)差引燃電弧后短路，短路電流被電流傳感器檢測(cè)到后與設(shè)定的引弧電流閾值相比較計(jì)算，若短路電流值大于閾值，則系統(tǒng)認(rèn)為引弧成功。同時(shí)PLC輸出PTO脈沖給送絲伺服電機(jī)，焊絲以設(shè)定速度被送進(jìn)至焊接區(qū)域以維持電弧連續(xù)。

（3）焊接。引弧成功后，進(jìn)入焊接階段，系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用自動(dòng)焊接子程序，通過電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電壓，在一定條件下，電弧電壓與電弧的長度成正比，當(dāng)焊接電壓增大時(shí)應(yīng)縮短電弧長即增加送絲速度，當(dāng)焊接電壓小于設(shè)定值上，應(yīng)減小送絲速度使電弧電壓增大到設(shè)定值范圍內(nèi)。PID調(diào)節(jié)器基于前面的控制邏輯不斷調(diào)節(jié)送絲速度以實(shí)現(xiàn)焊接電壓的穩(wěn)定，PLC根據(jù)PID控制子程序的運(yùn)算結(jié)果輸出PTO脈沖只直流伺服電機(jī)，精確調(diào)節(jié)焊絲的送進(jìn)速度。

（4）熄弧、焊接結(jié)束。當(dāng)焊接小車沿焊接軌道移動(dòng)至終點(diǎn)觸發(fā)行程開關(guān)，電信號(hào)傳輸給PLC輸入模塊，送絲電機(jī)和小車移動(dòng)電機(jī)停止工作，此時(shí)焊絲與工件有粘連，焊接電源延遲1 s后斷電，焊絲在此延遲時(shí)間里熔化脫離開工件表面，焊接完成。當(dāng)焊接過程中需要手動(dòng)停止時(shí)，只需按下急停按鈕，焊接結(jié)束。PLC程序流程框圖如圖3所示。

圖3　PLC控制流程

4　焊接電壓閉環(huán)控制

PID控制器作為常用的控制算法，通常由比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合對(duì)設(shè)定值和實(shí)際值之間的誤差（或偏差）進(jìn)行快速響應(yīng)的控制算法，保證被控制對(duì)象模擬量實(shí)時(shí)校正和控制在設(shè)定值偏差范圍內(nèi)水平[5]。本研究PID控制器的控制對(duì)象是焊接電壓，電壓傳感器測(cè)量焊接過程電弧電壓實(shí)際值發(fā)送給PLC模擬數(shù)字模塊，PID控制器計(jì)算焊接電壓實(shí)際值和設(shè)定值之間的偏差（誤差），并將計(jì)算結(jié)果PTO脈沖信號(hào)輸出給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整電弧長度來保證焊接電壓在設(shè)定值誤差范圍內(nèi)。焊接電壓PID閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

送絲伺服電機(jī)控制送絲速度的同時(shí)，焊接電壓傳感器檢測(cè)電弧電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送給PLC的PID控制中斷子程序，控制器將焊接電壓的實(shí)際值與初始設(shè)定的焊接電壓值進(jìn)行比較，兩者的偏差信號(hào)作為PID控制器的輸入，

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Research on the system of submerged arc welding machine based on PLC control

CAO Dengchang1，SHI Bangli2
（1.ChengdePetroleumCollege，Chengdei 067000，China；2.CollegeofElectronicInformationand Automation，Chongqing UniversityofTechnology，Chongqing400054，China）

Based on the automatic submerged arc welding machine,the welding control system is redesigned.The Siemens S7-200 series PLC is taken as control core to achieve PID closed-loop control based on the welding voltage feedback，and the welding voltage is precisely adjusted to obtain a good welding quality.The control system hardware is designed and the model is selected;the welding control logic is described and PLC control flow chart is provided.The conventional PID algorithm is used as control policy to determine the control logic and give the control structure diagram of variables，thus ensure the stability of arc voltage in the welding process of automatic submerged welding machine.

submerged arc welding；PLC；PID control

TG434.4

A

1001－2303（2015）11－0058-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.12

2015-07-05

曹登場(chǎng)（1974—），男，河北饒陽人，講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化控制的研究工作。