真空焊箱自動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

趙輝+李楠+常領

摘 要：DP主站和DP從站之間通過DP通訊模式進行數(shù)據(jù)之間的交換（見圖2），DP主站和DP從站用專用的DP通訊電纜連接，每個DP從站在西門子STEP75.5里有專用的GSD文件相對應。

關鍵詞：現(xiàn)場總線；PFOFIBUS-DP；分布式；PLC；自動控制

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0121-02

現(xiàn)場總線是當前國際上自動化控制現(xiàn)場中最常用的控制方式，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)帶給了工業(yè)自動化控制領域的又一次革命。以分布式控制為基礎的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）將逐步取代傳統(tǒng)的智能儀表控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）。

現(xiàn)場總線目前是國際上具有較大影響的總線標準之一，它在1989年成為德國現(xiàn)場總線國家標準DIN19245，隨后不久又成為歐洲現(xiàn)場總線標準EN50170，市場份額占歐洲首位。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（PROFIBUS-DP）是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)數(shù)字信息化、控制系統(tǒng)集散性、開放性高、交互性強的新一代工業(yè)現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)模式，是現(xiàn)場信息的數(shù)字化、控制過程的智能化、現(xiàn)場的網(wǎng)絡化?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)工業(yè)由于集中控制造成的成本高昂、現(xiàn)場線纜復雜數(shù)量大的缺點，優(yōu)化了控制，精簡了現(xiàn)場大量的線纜，分散的控制模式，使得每一個控制單元獨立形成各自分布控制，每個單元出現(xiàn)問題不影響整個設備的正常運行，提高了生產(chǎn)效率，方便了設備后期維護，減少了現(xiàn)場工程師的工作量。采用現(xiàn)場總線的通訊模式，提高了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸精度和抗干擾能力，從而使得到的數(shù)據(jù)更準確、直觀、實時性強，對工藝人員了解工藝情況，改進配方，提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

真空等離子焊箱的主要工作原理：首先要對爐室抽真空，爐室壓力小于10Pa時，充入氬氣，控制爐室壓力上升到4000～7000Pa，在焊槍中通入氬氣，控制焊槍自身高頻起弧，起弧后焊槍周圍的氬氣被電離，形成等離子體，此時邏輯控制將焊接電源切換以焊槍為負極，夾具和夾持在夾具上的電極塊為正極，電極塊在等離子弧的加熱下被熔化焊接。通過夾具的旋轉(zhuǎn)和平移，使不同電極塊之間的焊縫牢固的焊接在一起，形成真空自耗電弧爐用的自耗電極。

1 真空等離子焊箱自動控制系統(tǒng)設計方案

1.1 真空等離子焊箱自動控制系統(tǒng)的功能要求

真空等離子焊箱自動控制系統(tǒng)的控制對象包括各級真空泵、真空閥門、水泵、用于控制焊槍上下移動的全數(shù)字交流伺服裝置、用于工件平移和旋轉(zhuǎn)的全數(shù)字交流伺服裝置、充氬閥門、焊接電源、各類檢測信號等。根據(jù)控制系統(tǒng)被控對象的需要，整個自動化控制系統(tǒng)應具備以下各條表述功能：

（1）控制數(shù)據(jù)的采集和處理功能；

（2）運行監(jiān)控與報警記錄功能；

（3）生產(chǎn)過程中的安全控制功能；

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計記錄和運行數(shù)據(jù)生成報表的打印功能；

（5）過程數(shù)據(jù)連鎖報警功能；

（6）控制系統(tǒng)的擴展功能，具有網(wǎng)絡通信接口。

1.2 硬件構(gòu)成

根據(jù)真空等離子焊箱自動控制系統(tǒng)的特點和要求，下面對各組成部分作具體說明。

DP主站和DP從站之間通過DP通訊模式進行數(shù)據(jù)之間的交換（見圖2），DP主站和DP從站用專用的DP通訊電纜連接，每個DP從站在西門子STEP75.5里有專用的GSD文件相對應。

（1）主站

一級控制主站采用西門子公司S7-300系列的CPU 315-2DP PLC作為中央控制單元，由其采集、運行、處理整個控制程序，且實現(xiàn)和其他各個分站間的信息交換。

二級主站組態(tài)系統(tǒng)由HP工作站來實現(xiàn)人機界面，通過以太網(wǎng)與S7-300 PLC的以太網(wǎng)控制模塊CP343 TCP/IP網(wǎng)口連接，現(xiàn)場調(diào)試工程師通過STEP7 5.5編程軟件對整個控制系統(tǒng)進行組態(tài)、編程；工廠操作人員只能對整個組態(tài)系統(tǒng)進行操作和監(jiān)控，但不能修改控制組態(tài)數(shù)據(jù)和STEP7系統(tǒng)程序。

（2）從站

從站（配置見圖3）1、2、4、5為西門子ET200M總線模塊；從站6為伺服電機總線模塊；從站8為旋轉(zhuǎn)伺服模塊；從站9為焊接電源總線模塊。它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機的時間、系統(tǒng)內(nèi)存較少，減少了PLC的掃描頻率和周期。

1.3 軟件方案

軟件部分包括：下位控制程序STEP75.5編程軟件和上位SIMATIC WinCCV7.2監(jiān)控軟件。

1.3.1 組態(tài)編程軟件

程序編制采用西門子SIMATIC S7-300的配套軟件包SETP7 V5.5完成工程的硬件組態(tài)、硬件系統(tǒng)的參數(shù)設置、控制系統(tǒng)PLC程序編制、現(xiàn)場測試調(diào)試等。西門子公司的程序編制軟件SETP7運行于Windows環(huán)境下，操作界面友好，組態(tài)編程非常方便，在線控制、調(diào)試直觀、便捷，有控制梯形圖（LAD）、狀態(tài)語句表（STL）和功能圖（FBD）、超文本編輯語言（SCL）四種編程方式可隨意切換和組合使用。硬件組態(tài)完成后，首先安裝從站廠家提供的硬件GSD驅(qū)動軟件，進行硬件和網(wǎng)絡配置，然后再編制PLC程序。程序由組織塊（OB），功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。控制系統(tǒng)用OB塊見圖4。

1.3.2 監(jiān)控軟件

為了提高系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，故操作系統(tǒng)為Windows7專業(yè)版，監(jiān)控軟件采用SIMATIC WinCCV7.2。操作人員可在控制室實現(xiàn)集中控制，留有上位監(jiān)控接口。焊接過程通常采用計算機自動控制，具有自動觸底、自動提升、自動給定電流、電壓參數(shù)、自動起弧、起弧后的弧壓自動控制、運行后的弧壓自動跟蹤、自動啟動、停止真空泵組、自動檢測運行數(shù)據(jù)、記錄反饋參數(shù)、打印工藝參數(shù)等功能，程序、組態(tài)系統(tǒng)設有冷卻水壓力、流量、溫度、壓縮空氣壓力、焊接電壓、電流、焊接真空度等工作報警及必要的程序聯(lián)鎖保護功能。endprint

人機界面采用中文顯示，主要包括以下窗口內(nèi)容：

（1）主畫面：顯示系統(tǒng)狀況，條目包括電源、真空系統(tǒng)以及關鍵的工藝參數(shù)變量（如電流、電壓、真空、電極桿位置、電極桿速度等）。

（2）真空畫面：包括部件狀態(tài)和用于抽空降壓初始階段的報警條件指示、開閥的順序，以及建立焊接所需的真空條件。

（3）冷卻畫面：顯示水冷卻系統(tǒng)的狀況，實時顯示水流量值和測量的溫度值，以及安全裝置狀態(tài)，如流量和溫度開關、水泵等。

（4）輔助冷卻系統(tǒng)畫面：（與上述c相似，顯示每個輔助水冷卻回路的溫度/流量報警狀態(tài)。）

（5）電源冷卻畫面：（與上述c相似，顯示電源柜閉環(huán)水系統(tǒng)回路的溫度、流量報警狀態(tài)。）

（6）氣動、液壓系統(tǒng)畫面：顯示熔煉爐氣動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的情況。

（7）報警窗口：提供所有激活著的報警信息。

安全報警系統(tǒng)包括電源斷路器合閘、分閘狀態(tài)、運行電機、泵組的供電狀態(tài)、接觸器的合分的操作條件、供輔設備的操作條件和故障條件；設備回路中的冷卻水的溫度、壓力、水流量異常；系統(tǒng)的真空度連鎖條件、電極桿上升、下降的限制條件、爐門的關合條件；設備所有氬氣的流量、壓力數(shù)據(jù)。

綜上所述條件，在焊接過程中出現(xiàn)下列情況下直接自動采取切斷熔煉電源的措施：

（1）真空爐體內(nèi)的真空度未達到工藝設定值。

（2）冷卻循環(huán)水出口處水溫溫度過高、水壓、流量低于設定值。

（3）供電系統(tǒng)冷卻水回路中的水溫度過高、壓力過低。

（4）電源柜個支路故障。

（5）達到預先設定的工藝菜單要求切斷熔煉電源。

（6）電極桿到達下限位。

2 結(jié)束語

整個系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線的集散、分布式控制模式后，前期設計簡化了圖紙數(shù)量，降低了中期電控系統(tǒng)的制作費用，大大縮短了后期現(xiàn)場安裝、調(diào)試時間，減少了現(xiàn)場工程師的工作強度，提高了后期生產(chǎn)效率。由于采用分布式、集散控制，每個單元作為獨立控制，相對于之前的統(tǒng)一控制，提高了穩(wěn)定性，其中若有單一單元出故障，也不會影響整個設備的正常運行，統(tǒng)一控制，如有一處出現(xiàn)問題，整個控制系統(tǒng)就會停止工作，嚴重影響了生產(chǎn)和使用。

隨著現(xiàn)場總線技術在我國工業(yè)控制領域的普及和發(fā)展，各工業(yè)行業(yè)必然會逐步采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術，而將來現(xiàn)場總線技術也必將為我國的工業(yè)控制做出巨大的貢獻。

參考文獻：

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2002.endprint