基于PLC的鍋爐過熱器水管半周堆焊自動控制系統(tǒng)

(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314036 ； 2.東方特鋼有限公司， 浙江 嘉興 314000)

基于PLC的鍋爐過熱器水管半周堆焊自動控制系統(tǒng)

寇舒1王爾明2

(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 嘉興 314036 ； 2.東方特鋼有限公司， 浙江 嘉興 314000)

為提高鍋爐過熱器水管半周堆焊的自動化程度、實現(xiàn)較好的堆焊效果，將傳統(tǒng)上重復(fù)的人工操作轉(zhuǎn)化為智能性的自動化系統(tǒng)，以三菱FX系列PLC為核心設(shè)計了鍋爐水管半周堆焊自動控制系統(tǒng)，經(jīng)過與焊機通訊，以及三軸伺服電機的協(xié)調(diào)運動，從而達到最終的半周堆焊效果。該系統(tǒng)可通過觸摸屏進行水管以及焊接要求等參數(shù)的設(shè)定，以適應(yīng)多種直徑水管的半周堆焊。通過最終的工廠試驗，該系統(tǒng)實現(xiàn)了半周堆焊的自動控制，具有較高的堆焊精度，極大地提高工作效率、降低人力成本，同時保證了相比于人工堆焊更好的堆焊效果。該系統(tǒng)極大提高了產(chǎn)品自動化程度，在降低成本的同時，保證了較好的半周堆焊效果，滿足最終使用要求。

過熱器水管半周堆焊觸摸屏PLC伺服電機

0 序 言

鍋爐系統(tǒng)中的煙氣包含大量的粉塵、腐蝕性氣體等，過熱器由于受到煙氣的直接沖刷，容易造成局部磨損，最終造成爆管事故，所以要對過熱器水管進行堆焊，增加其耐腐蝕、耐沖刷的能力，保證鍋爐可以正常長時間運行，降低運行風(fēng)險以及后期的維護成本[1]。采用水管的半周堆焊解決了之前的水管全周堆焊造成的材料浪費以及生產(chǎn)成本的增加問題，同時又滿足了使用要求[2-3]。所謂的水管半周堆焊就是將水管受腐蝕側(cè)進行特殊處理，而另一側(cè)可以維持原狀。

目前國內(nèi)發(fā)電廠鍋爐基本沒有對鍋爐天井、蒸發(fā)器、過熱器等水管的自動堆焊技術(shù)的研究，已有的技術(shù)是靠人工手動堆焊，耗時長，效率低，且堆焊質(zhì)量無法把控。所以需要研究出一種智能水管堆焊技術(shù)，克服以往人工堆焊的缺點，提高工作效率及堆焊質(zhì)量?？删幊炭刂破?PLC)具有編程簡單、性能穩(wěn)定、抗干擾性強等特點，較多地被應(yīng)用到工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中[4]，故設(shè)計了一套基于三菱PLC的FX系列鍋爐過熱器水管自動半周堆焊系統(tǒng)，可以較好的解決上述問題。

1 鍋爐水管自動半周堆焊系統(tǒng)介紹

鍋爐過熱器水管半周堆焊系統(tǒng)主要由精密的機械部分和精準(zhǔn)的電氣部分構(gòu)成。圖1為機械部分的構(gòu)成。

圖1 鍋爐過熱器水管半周堆焊機械結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，行走驅(qū)動電機控制水管的水平運動；水管旋轉(zhuǎn)電機控制水管的旋轉(zhuǎn)的方向、速度；數(shù)控擺動器控制焊槍的左右擺動，擺動速度與擺動距離可以進行設(shè)定。

該系統(tǒng)另一個優(yōu)點是配有對稱防變形加熱系統(tǒng)，用來抵消水管在堆焊過程中焊接產(chǎn)生的變形量，避免水管變形造成施焊困難的影響及后期水管矯形工序。操作時主要是在半周堆焊的過程中同時利用氬弧焊電弧在水管背側(cè)進行加熱，并在堆焊管中通入流動的冷卻水，最終有效的控制了水管在半周堆焊過程中的變形。

焊接過程中，在不影響焊接質(zhì)量的同時，為最大限度的提高焊接效率，焊槍需要進行微小的往復(fù)擺動，其方法是焊槍固定，只進行輕微的擺動，以保證其電弧穩(wěn)定性。水管半圓弧往復(fù)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)半周堆焊；水平行走電機控制水管的水平向前移動。

綜上所述，堆焊軌跡呈方波狀。每焊接水管半個圓弧后轉(zhuǎn)變焊接方向，并不斷向前移動。最終水管半周堆焊的運動軌跡如圖2所示。

圖2 水管半周堆焊運動軌跡

為防止水管旋轉(zhuǎn)方向切換時堆焊效果不理想，故增加了該控制系統(tǒng)與焊接主板的RS232通訊，通過三菱PLC與焊機的信息交互，可以精確的控制焊接整個的啟停過程，可以使電弧變化平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)位置精確，最終實現(xiàn)焊縫外觀的美觀一致。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了最高限度的提高設(shè)備的應(yīng)用范圍，該控制系統(tǒng)采用了“HMI+PLC+下位機”的控制模式，其整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。以PLC為核心實現(xiàn)整套系統(tǒng)的通訊、電機之間的動作配合，通過觸摸屏進行參數(shù)輸入，PLC進行綜合判斷處理，通過焊槍、旋轉(zhuǎn)電機、行走電機之間的協(xié)調(diào)動作，最終構(gòu)成一套完成的過熱器水管半周堆焊的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成。

圖3 基于三菱PLC的控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1 觸摸屏

該系統(tǒng)觸摸屏選用維綸MT6071iE系列，與三菱Fx3u系列PLC進行RS-232通訊，該觸摸屏實現(xiàn)系統(tǒng)的手動/自動切換，水管尺寸、水管旋轉(zhuǎn)速度、水管行進速度、焊槍擺動速度和幅度值的給定，以及手動控制電弧加熱器、冷卻水泵的啟停操作等，最大限度的方便人工操作，以適應(yīng)不同的工況。其人機界面如圖4所示。

圖4 人機界面組成

2.2 可編程控制器

可編程控制器選用三菱Fx3u系列PLC，實現(xiàn)各電機之間以及其它輔機之間的協(xié)調(diào)動作，最終實現(xiàn)整個自動堆焊的過程。其系統(tǒng)主要包括Fx3u-16MT/ESS型號CPU，此種型號PLC一共包含16個I/O點，其中輸出點有8路，因此最多可控制四臺伺服電機。為實現(xiàn)控制器與焊機之間的通訊，增加QJ71C24N擴展通訊模塊。最終以三菱PLC為核心的控制盤內(nèi)部接線如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計之前需要確定各電機的動作速度以及距離。

3.1 旋轉(zhuǎn)伺服電機旋轉(zhuǎn)速度的計算

已知三菱伺服電機旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個脈沖，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，功率200 W，額定扭矩0.64 N·m，最大扭矩2.2 N·m，減速齒輪減速比為1∶10，小齒輪DN40(R1=20 mm)，大齒輪DN400(R2=200 mm)，水管管徑DN60(R3=30 mm)，要求最終水管旋轉(zhuǎn)速度0.5 mm/s。

由水管旋轉(zhuǎn)速度0.5 mm/s(觸摸屏設(shè)定)可知：大齒輪的旋轉(zhuǎn)速度v1=(R2/R3)×0.5 mm/s；小齒輪的旋轉(zhuǎn)速度v2=大齒輪旋轉(zhuǎn)速度v1；故旋轉(zhuǎn)伺服電機轉(zhuǎn)速n=v1/(2×3.14×R1) r/s。已知伺服電機旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個脈沖，故電機最終每秒的脈沖頻率f=4 194 304n。

3.2 旋轉(zhuǎn)伺服電機旋轉(zhuǎn)距離的計算

該系統(tǒng)是對水管進行半周堆焊，其堆焊距離也可進行計算得出。由水管旋轉(zhuǎn)半周得：大齒輪旋轉(zhuǎn)距離s1=(R2/R3)×3.14×R3mm；小齒輪的旋轉(zhuǎn)距離s2=大齒輪旋轉(zhuǎn)距離s1；小齒輪需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)n=3.14×R3×(R2/R3)/3.14×R1。已知伺服電機旋轉(zhuǎn)一周需要4 194 304個脈沖，故最終水管旋轉(zhuǎn)半軸需要的脈沖數(shù)量N=4 194 304n。

當(dāng)執(zhí)行完N個脈沖后電機反向旋轉(zhuǎn)，再次進行N脈沖距離，依次往復(fù)，即可實現(xiàn)水管的半周堆焊功能。該水管的管徑可以進行設(shè)定，電機最終的脈沖頻率根據(jù)水管管徑計算得出，故該系統(tǒng)也可以對其它管徑的水管進行堆焊，增加了其通用性。

3.3 焊槍擺動伺服電機行走速度及距離計算

焊槍擺動電機選用直線導(dǎo)軌式伺服電機，可以根據(jù)焊接材料不同在觸摸屏上設(shè)置擺動速度和擺動距離。

已知擺動電機旋轉(zhuǎn)一周需要10 000個脈沖，擺動電機轉(zhuǎn)速觸摸屏畫面上設(shè)定，初始7 mm/min；其擺動電機的擺動距離在觸摸屏畫面上進行設(shè)定，初始為14 mm。

根據(jù)導(dǎo)軌設(shè)計手冊，電機旋轉(zhuǎn)一周沿導(dǎo)軌方向行走的距離為1 mm，即7 mm/min的速度需要的脈沖數(shù)為70 000個，即每秒需要1 167個脈沖。擺動距離14 mm時需要140 000個脈沖。

3.4 水平行走伺服電機行走速度的計算

行走電機選用三菱伺服電機，旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖數(shù)為4 194 304個。已知行走電機減速器減速比為1∶20，行走電機每次的行走距離與焊槍擺動電機的擺動距離相同，故與行走電機單次行走距離對應(yīng)的脈沖數(shù)的計算方法同計算焊槍擺動伺服電機脈沖方法是一致的，其行走速度在觸摸屏上進行設(shè)定。

3.5 上位機軟件設(shè)計

維綸MT6071iE系列觸摸屏基于EasyBuilder8000編程軟件進行離線模擬和在線模擬，其操作界面的設(shè)定主要包括堆焊管徑的輸入、自動/手動的切換旋鈕、焊槍擺動電機的擺動距離和速度設(shè)定、行走伺服電機的速度和距離設(shè)定、旋轉(zhuǎn)伺服電機的旋轉(zhuǎn)速度及旋轉(zhuǎn)距離設(shè)定、冷卻水泵以及氬弧焊電弧加熱裝置的啟停按鈕等。同時整套系統(tǒng)的運行狀態(tài)在觸摸屏上進行顯示，參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

3.6 下位機部分程序設(shè)計

鍋爐過熱器水管半周堆焊自動控制系統(tǒng)邏輯控制部分主要包括：旋轉(zhuǎn)電機、行走電機、擺動電機控制子程序、與焊機通訊控制焊機啟停子程序、冷卻水泵、氬弧焊電弧加熱裝置啟停子程序。其控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)程序流程圖

4 試驗驗證

為檢驗該系統(tǒng)的可靠性和實用性，以及能否取得較好的堆焊效果，故應(yīng)用以上控制系統(tǒng)對水管進行大量的堆焊試驗。圖8為機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠明顯的提高堆焊質(zhì)量，并且操作簡單，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度，同時可以通過觸摸屏進行參數(shù)設(shè)置，以適應(yīng)不同管徑的水管進行半周堆焊，具有較強的實用性。

圖8 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在產(chǎn)品應(yīng)用上與工藝比較，易獲得均勻一致外觀質(zhì)量，其焊接質(zhì)量如圖9所示。

圖9 水管焊接質(zhì)量

5 結(jié) 論

(1)為了提高工廠鍋爐水管半周堆焊的自動化程度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度，設(shè)計出了一種基于三菱PLC的鍋爐過熱器水管半周堆焊自動控制系統(tǒng)。以維綸MT6071iE觸摸屏為上位機，搭建人機界面，實現(xiàn)與下位機三菱Fx3u系列PLC進行通訊，控制各伺服電機等。

(2)通過試驗驗證，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高，成本低，靈活性較高，最終極大地提高水管半周堆焊的效率和質(zhì)量。

[1] 宋天虎，張 軍. 關(guān)于中國焊接機器人發(fā)展的粗淺思考[J]. 焊接，2014(8)：1-3.

[2] 何建萍，張春波，孫 廣，等. 數(shù)字化TIG焊機菜單式人機交互系統(tǒng)[J]. 焊接，2003(11)：10-13.

[3] 郭 亮，盧恩勇，張 華. 焊縫軌跡跟蹤伺服控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 焊接，2012(6)：61-64.

[4] 張偉平. 便攜式自動堆焊系統(tǒng)設(shè)計[J]. 山西電子技術(shù)，2013(6)：14 -16.

2017-06-15

TG409

寇 舒， 1984年出生，碩士，大學(xué)講師。主要從事PLC控制、工業(yè)機器人應(yīng)用。