PLC在自動焊接技術(shù)中的發(fā)展及應(yīng)用研究

孫云翔 陳月峰 王樹昂 張釗 陳金強(qiáng)

【摘 要】隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，自動焊接技術(shù)正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工焊接，因?yàn)樗哂泄ぷ餍矢?、成型質(zhì)量好、勞動強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)，所以在焊接領(lǐng)域被不斷地推廣和使用。PLC作為一種可靠性高、功能性強(qiáng)的硬件控制器，在自動焊接技術(shù)中具有很大的應(yīng)用空間。文章綜述了PLC控制系統(tǒng)在自動焊領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢及應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了該控制器未來的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】PLC;人機(jī)界面;工業(yè)控制;自動焊接

【中圖分類號】TG456 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）01-0085-03

0 前言

PLC又稱為可編程邏輯控制器，是一種用于自動控制的數(shù)字化集成控制系統(tǒng)，可以通過數(shù)字量或模擬量的輸入輸出控制各種類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電器?，F(xiàn)代工業(yè)使用的PLC已經(jīng)接近于一臺緊湊型的PC主機(jī)，因其在擴(kuò)展性和可靠性方面的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制領(lǐng)域。不管是在計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)或者集中分散式控制系統(tǒng)DCS，還是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS中，總能看見各種類型的PLC被廣泛使用。隨著自動焊接技術(shù)逐步向智能化方向發(fā)展，PLC也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。PLC在自動焊接技術(shù)中的運(yùn)用提高了控制系統(tǒng)的精度和集成度，提升了焊接效率及焊接成型質(zhì)量，降低了操作者的使用難度。

1 PLC功能分析

PLC的硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由電源、CPU、存儲器、輸入輸出I/O接口等單元組成，可以通過編程軟件將程序指令寫入存儲器，進(jìn)行程序的存儲和執(zhí)行。通過編寫控制程序，PLC可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、運(yùn)動控制、總線通信等多種控制功能，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制及與其他設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。

根據(jù)組成形式，PLC可分為一體式和模塊式兩種類型。一體式PLC是將PLC的各個硬件組成單元整合，形成統(tǒng)一整體，這種PLC的體積較大，功能單一，控制規(guī)模較小。模塊式PLC是由不同功能的模塊拼裝組合而成的，模塊類型包括數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、通信模塊等，可以根據(jù)實(shí)際需要對模塊進(jìn)行選擇，從而控制整體硬件結(jié)構(gòu)的體積，而且模塊式PLC的運(yùn)算速度、控制功能相較于一體式PLC更加強(qiáng)大，因此現(xiàn)代工業(yè)控制中多采用模塊式PLC。

2 PLC在自動焊接技術(shù)中的優(yōu)勢

2.1 穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)

PLC采用大規(guī)模集成電路，內(nèi)部電路采用抗干擾技術(shù)，具備電路保護(hù)功能，在環(huán)境惡劣、干擾信號較多的工業(yè)現(xiàn)場中能長時間無故障運(yùn)行。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時，PLC表面的指示燈可以發(fā)出報(bào)警信號，使用者可以在編程軟件中了解具體的故障信息，與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比，大大降低了故障發(fā)生的概率。

2.2 運(yùn)算功能強(qiáng)大、實(shí)時性好

PLC的掃描周期是毫秒級別的，一般的時間長度在幾毫秒到幾十毫秒，因此其程序響應(yīng)迅速，實(shí)時性好，基本可以做到程序運(yùn)行和結(jié)構(gòu)動作的同步發(fā)生。此外，PLC具有模擬量測量、PID運(yùn)算、高速脈沖計(jì)數(shù)等多種高級運(yùn)算功能，可以滿足復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算需求。

2.3 支持多種通信協(xié)議

一般的PLC自帶以太網(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議，通過網(wǎng)線就可以與HMI或PC等上位機(jī)進(jìn)行通信，并具備RS485通信模塊，支持Modbus-RTU總線協(xié)議，還可以通過增加網(wǎng)關(guān)的方法進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換成DeviceNet、Canopen等其他多種總線協(xié)議，與不同品牌的焊機(jī)等焊接電源設(shè)備進(jìn)行通信。部分高端PLC自帶不同類型總線協(xié)議通信模塊，通過增加硬件模塊，就可以實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議通信的功能。

2.4 上位機(jī)的可選擇范圍廣

PLC的上位機(jī)可選擇范圍廣，如HMI、PC、工控機(jī)等均可以作為上位機(jī)。此外，人機(jī)界面的搭建方式也比較豐富，可以使用PLC自帶的觸摸屏編程軟件，如“西門子”品牌的博圖系列，也可以使用圖形化語言或高級語言，如Labview、C#等。由于搭建方式具有多樣性，因此人機(jī)界面的可塑性更強(qiáng)，美觀度更高，更加貼近工業(yè)焊接的使用環(huán)境。

3 PLC在自動焊接技術(shù)中的應(yīng)用

3.1 焊接參數(shù)調(diào)節(jié)及應(yīng)用

由于PLC支持多種總線協(xié)議，因此可以和絕大多數(shù)的焊機(jī)進(jìn)行實(shí)時通信，從而在人機(jī)界面端就可以修改焊接參數(shù)，例如焊接模式的選擇、焊接電流電壓的調(diào)整等。不僅如此，PLC還可以通過內(nèi)部程序編寫的方式，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)按規(guī)律地自動分段調(diào)整，從而滿足特殊焊接工藝要求。梁濤等人設(shè)計(jì)了一種以PLC為控制器的焊接控制系統(tǒng)，通過軟件編程及硬件搭建，實(shí)現(xiàn)了對焊機(jī)電源參數(shù)的監(jiān)測和調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套控制系統(tǒng)對提升焊接穩(wěn)定性和安全性具有很大的幫助[1]。此外，PLC可以對焊接參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)，在焊接過程中，如焊接電流等某種參數(shù)由于誤操作或其他外界因素超出規(guī)定使用范圍時，控制系統(tǒng)可以發(fā)出報(bào)警信息，并及時對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其保持在安全可控的使用范圍內(nèi)，保證了焊接過程的正常、平穩(wěn)。Shu Yufeng等人利用PLC對激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，對異質(zhì)高強(qiáng)度鋼的焊接性能進(jìn)行了探索，研究發(fā)現(xiàn)通過控制系統(tǒng)對焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，激光功率對焊接成型質(zhì)量影響最大，焊接過程更加安全穩(wěn)定[2]。

3.2 在弧壓跟蹤控制中的應(yīng)用

弧壓跟蹤功能簡稱AVC。在焊接過程中，由于焊槍的不規(guī)則運(yùn)動及焊件表面的凹凸不平，造成弧長波動，弧壓變化，焊接參數(shù)改變，從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的不可控。針對這種現(xiàn)象，PLC控制系統(tǒng)需要根據(jù)弧壓變化對焊槍高度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，如弧壓變大時，需要使焊槍向下運(yùn)動，使弧長變短，弧壓變小;弧壓變小時，需要使焊槍向上運(yùn)動，使弧長變長，弧壓變大，進(jìn)而保持弧壓穩(wěn)定，提高焊接質(zhì)量，這種控制功能稱為弧壓跟蹤。從自動反饋調(diào)節(jié)的角度來看，這是一種以焊槍高度為被調(diào)量，弧壓為操作量的閉環(huán)控制系統(tǒng)。付云平論述了在FECS系統(tǒng)原有主控單元的基礎(chǔ)上利用PLC控制器完成弧壓跟蹤的運(yùn)算、邏輯處理和控制功能，并以湖南湘潭電廠600 MW機(jī)組工程為例，具體介紹了以PLC為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)弧壓跟蹤功能的過程。工程實(shí)際運(yùn)行情況表明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)湘潭電廠的自動弧壓跟蹤功能且效果理想[3]。

在焊接過程中，利用PLC模擬量模塊對焊接弧壓進(jìn)行測量，通過編寫控制程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、比例縮放，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而對焊接弧壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，再將弧壓監(jiān)測程序與焊槍運(yùn)動程序關(guān)聯(lián)，當(dāng)弧壓變大時，使焊槍向下;當(dāng)弧壓變小時，使焊槍向上，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)弧壓跟蹤功能。此外，設(shè)計(jì)者需要在人機(jī)界面設(shè)計(jì)弧壓跟蹤的啟動開關(guān)，這樣可以根據(jù)焊接實(shí)際需要選擇是否開啟弧壓跟蹤功能。付偉以“西門子”S7-1200PLC為核心，設(shè)計(jì)了一套自動立縫弧焊專機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以根據(jù)弧壓與弧長的關(guān)系，利用自動調(diào)節(jié)弧壓跟蹤控制算法和啟動開關(guān)，進(jìn)行弧壓跟蹤，實(shí)現(xiàn)了LNG儲罐用9%Ni鋼自動立縫焊接系統(tǒng)在焊接工藝過程的數(shù)字化、自動化控制[4]。

3.3 焊槍運(yùn)動軌跡調(diào)節(jié)及運(yùn)動參數(shù)控制

由于實(shí)際焊接過程中，焊件的形狀不斷變化，焊口形式復(fù)雜多樣，因此對焊槍的運(yùn)動軌跡及運(yùn)動參數(shù)控制要求較高。單根立等人將工業(yè)PC和PLC相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套圓形電連接器和多芯電纜自動焊接設(shè)備，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動系統(tǒng)對焊槍進(jìn)行精準(zhǔn)控制，完成復(fù)雜焊件、焊口的焊接[5]。

PLC控制系統(tǒng)可以滿足焊槍在X、Y、Z三維空間內(nèi)的自由運(yùn)動，保證焊槍可以在不同位置、不同角度進(jìn)行焊接，需要根據(jù)實(shí)際焊接狀況，對焊槍進(jìn)行分區(qū)段運(yùn)動參數(shù)設(shè)定，使得焊槍以不同的運(yùn)動參數(shù)完成不同的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)真正意義的全方位自動焊接功能。例如，研究者以“西門子”S7-1500 PLC作為控制器，使用順序功能圖對焊接工序進(jìn)行分析，通過博圖軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，搭建了一套焊接機(jī)器人工作站系統(tǒng)，進(jìn)行全方位自動焊接[6]。

3.4 數(shù)據(jù)、圖像采集與分析

為了更好地觀察焊接狀態(tài)，在自動焊過程中，焊接操作者需要監(jiān)測焊接數(shù)據(jù)，如焊接電流、焊接電壓、焊接速度等，甚至包括焊接熔池的實(shí)時監(jiān)控。主要方法為PLC控制系統(tǒng)通過連接外部傳感器，輸入模擬量信號將焊接參數(shù)顯示在人機(jī)界面，并且通過上位機(jī)與攝像頭的通信連接，呈現(xiàn)熔池圖像。例如，索鑫宇提出以Labview為上位機(jī)開發(fā)軟件，采用羅克韋爾RSLogix5000系列PLC控制氣缸與伺服電機(jī)為控制方式，實(shí)現(xiàn)圖像處理和數(shù)據(jù)存儲的功能，解決了核電現(xiàn)場裝料過程中核燃料棒的類型分析與姿態(tài)調(diào)整任務(wù)[7]。

此外，根據(jù)焊接工藝開發(fā)需要，操作人員往往需要對焊接過程中的焊接數(shù)據(jù)、熔池圖像及焊接后焊件的成型質(zhì)量進(jìn)行比對分析，這就需要控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接過程中的數(shù)據(jù)、圖像采集。通過程序編寫，PLC控制系統(tǒng)可以將焊接數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行記錄并存儲到PC、工控機(jī)等上位機(jī)內(nèi)，方便操作者的后續(xù)比對和查看。陸建利用計(jì)算機(jī)和PLC建立了一套表面貼裝晶片及引腳框架的視覺檢測系統(tǒng)，通過CCD攝像機(jī)和圖像采集卡將圖像信息采集到計(jì)算機(jī)并進(jìn)行圖像分析和處理，實(shí)現(xiàn)了對晶片的檢測和定位[8]。

3.5 焊接環(huán)境數(shù)據(jù)檢測

焊接過程中，焊接環(huán)境也是影響焊接質(zhì)量的一個重要因素，如焊接空氣中含氧量較高會造成不銹鋼焊縫力學(xué)性能下降、焊接時飛濺嚴(yán)重、易形成氣孔、夾渣;焊接溫度較高會造成成型件的韌性及塑性下降。PLC控制系統(tǒng)通過增加外部測量元件，可以對焊接環(huán)境中如氧氣、氬氣含量，空氣溫度等多種信息進(jìn)行檢測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，使操作者可以更加直觀地了解焊接環(huán)境，進(jìn)而確保焊接質(zhì)量。研究者通過對PLC、SCADA、DCS 3種控制系統(tǒng)的研究和對自動化發(fā)展方向的歸納，參考PAC控制系統(tǒng)提出總體方案，對空氣成分等環(huán)境結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和檢測[9]。劉亮等人根據(jù)鋁合焊接熔透狀態(tài)識別需求，對焊接過程中的間隙和錯邊量通過使用HTTP協(xié)議獲取工藝參數(shù)接口數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)輸入輸出模塊獲取機(jī)器人控制器設(shè)定的送絲和電流參數(shù)，進(jìn)而改善焊接質(zhì)量[10]。

由此可見，PLC在自動焊領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，無論是參數(shù)調(diào)節(jié)還是質(zhì)量控制，它都起著至關(guān)重要的作用，并不斷推動著焊接技術(shù)向自動化、智能化、信息化、數(shù)字化的方向發(fā)展。

4 結(jié)語

PLC的可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、維護(hù)方便，在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛使用。在自動焊接過程中，PLC的應(yīng)用可以提升焊接效率、提高焊接成型質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)多種焊接功能、跟蹤焊接數(shù)據(jù)、降低工人的勞動強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對自動焊接技術(shù)的全方位優(yōu)化。隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，PLC在自動焊接技術(shù)中的應(yīng)用也必將更加深入，未來的主要發(fā)展方向如下。

（1）硬件體積向小型化發(fā)展，具有更高的系統(tǒng)集成度，方便焊接操作者的攜帶和使用。

（2）具有更高的數(shù)據(jù)運(yùn)算精度及速度，可以更加迅速地處理一些復(fù)雜的焊接運(yùn)算數(shù)據(jù)。

（3）具有更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲功能，數(shù)據(jù)存儲方面向PC機(jī)靠攏，對于大型數(shù)據(jù)可以直接存儲在PLC內(nèi)部，而不是通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

（4）編程語言更加統(tǒng)一，各個PLC品牌的匯編語言更加一體化，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，減輕操作人員和設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)。

（5）模塊功能更加強(qiáng)大，在現(xiàn)有模塊功能基礎(chǔ)上，產(chǎn)生更多可以實(shí)現(xiàn)焊接和工業(yè)現(xiàn)場不同需求功能的模塊。

參 考 文 獻(xiàn)

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