管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統(tǒng)研究

◎穆巖

本文依據(jù)某公司產(chǎn)品堆焊的主要特點與工藝流程，設(shè)計了管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統(tǒng)，提高現(xiàn)場設(shè)備的自動化程度，降低工作強(qiáng)度，提高工作效率，改善工作環(huán)境。各個站點之間的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等通信協(xié)議，節(jié)省硬件投資，實時性能好，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，增加了設(shè)備的后續(xù)可擴(kuò)展性，真正實現(xiàn)了集中智能控制。

目前的大型壓力容器的接管內(nèi)壁、法蘭端面的堆焊、接管與筒體之間的焊接中，大部分都采用半機(jī)械化焊接設(shè)備，自動化程度低、操作難度大、焊接質(zhì)量差、效率低、焊前準(zhǔn)備時間長等問題。

這種復(fù)雜的馬鞍型空間曲線焊縫，要求整套控制系統(tǒng)更加智能化，同時具有更好的穩(wěn)定性、更強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性。因此智能總線控制系統(tǒng)變得簡單、穩(wěn)定、高效。但是，在焊接自動化設(shè)備領(lǐng)域，控制系統(tǒng)大多是非串型智能總線形式的通信方式，似使得設(shè)備的集成度變低、故障率大大升高。

馬鞍型端面堆焊、窄間隙埋弧自動焊機(jī)總線智能控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它解決這類大厚度馬鞍形曲線焊接的需求，它能夠大幅度地提高設(shè)備的焊接質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，對焊工的技能要求也大幅度降低。本總線智能控制系統(tǒng)可用于管平面與馬鞍型面堆焊設(shè)備，大大降低總線控制系統(tǒng)的布線難度，施工方便。在此類的平面或馬鞍面、焊縫的自動化設(shè)備上具有很大的實用價值。

本文研究采用現(xiàn)場總線等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)管平面與馬鞍型面堆焊的工藝流程，設(shè)計了管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統(tǒng)，利用PLC、總線定位模塊、遠(yuǎn)程無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊、無線通信模塊、伺服步進(jìn)系統(tǒng)、智能儀表和底層傳感器等模塊實現(xiàn)了自動化程度較高的管平面與馬鞍型面堆焊的任務(wù)，利用智能網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場總線等技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與管理。

一、總線智能控制系統(tǒng)

如圖1所示，該可用于管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統(tǒng)，主要包括生產(chǎn)管理上位機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、智能網(wǎng)關(guān)模塊、主站模塊、從站模塊與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸從站，每個站之間都能進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)交換。主站PLC模塊、從站PLC模塊、伺服步進(jìn)系統(tǒng)，主站PLC模塊、從站PLC模塊和伺服系統(tǒng)之間采用Modbus協(xié)議；從站PLC模塊和智能儀表之間采用Modbus協(xié)議，從站PLC與焊接電源采用DeviceNet協(xié)議；主站PLC模塊與智能網(wǎng)關(guān)模塊之間采用RS-232協(xié)議；智能網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控上位機(jī)、人機(jī)交互界面、生產(chǎn)管理上位機(jī)之間采用TCP/IP協(xié)議。本發(fā)明采用多種現(xiàn)場總線于一體，根據(jù)管平面與馬鞍型面堆焊的工藝流程，設(shè)計了整套智能化總線控制系統(tǒng)。

圖1總線智能控制系統(tǒng)

二、功能模塊配置

1.生產(chǎn)管理上位機(jī)。生產(chǎn)管理上位機(jī)，主要解決設(shè)備、車間、辦公室等與生產(chǎn)之間的實時數(shù)據(jù)采集、記錄、顯示與傳輸、隨時打印焊接記錄等問題，實現(xiàn)了一個數(shù)字化智能控制綜合管理平臺。通過云平臺、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)與打印機(jī)，以自動化數(shù)據(jù)采集等設(shè)備的交互工作，用實時數(shù)據(jù)流代替復(fù)雜、不及時、不易保存的手工記錄數(shù)據(jù)的劣勢。

2.智能網(wǎng)關(guān)模塊。智能網(wǎng)關(guān)模塊將其互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場主站模塊進(jìn)行互聯(lián)與監(jiān)控，每個主站PLC模塊均與多個所述從站PLC模塊連接，從站PLC連接伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)、智能儀表、傳感器、焊接電源、視頻系統(tǒng)等更多的現(xiàn)場執(zhí)行單元。

3.遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸從站。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸從站主要連接現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、APP報警功能、各種遠(yuǎn)程組態(tài)軟件以及其它需要連接的執(zhí)行設(shè)備。該遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸從站可選2種不同協(xié)議的PLC或儀表。該模塊可以通過4G、有線接入因特網(wǎng)。遠(yuǎn)程服務(wù)器只需連接因特網(wǎng)，安裝巨控OPCSERVER。OPCSERVER會自動從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸從站獲取數(shù)據(jù)。組態(tài)軟件通過OPC驅(qū)動，即可組態(tài)現(xiàn)場畫面，監(jiān)視和控制PLC主站、從站以及每個現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，并可記錄歷史報警和歷史數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息。支持手機(jī)短信微信報警，多次撥號提醒，確保重大故障及時通知到人，實現(xiàn)無人值守。提供可斷線續(xù)傳的云端歷史數(shù)據(jù)和報警記錄，可以直接用網(wǎng)頁查看歷史數(shù)據(jù)報表，曲線圖和報警記錄，可以隨時導(dǎo)出表格并打印，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享。

4.視頻系統(tǒng)。采集現(xiàn)場實際的操作過程，實時畫面被傳到數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，為后續(xù)工藝方法的優(yōu)化提供幫助。

5.無線遙控設(shè)備。在設(shè)備使用的過程中，一般會通過操作盒對焊接參數(shù)和設(shè)備動作進(jìn)行操作，因此操作盒是管平面與馬鞍型面堆焊的總線智能控制系統(tǒng)的另一個重要的人機(jī)交互接口。遙控操作盒主要有單鍵操作及復(fù)用鍵操作兩種方式。

遙控盒面板采用不銹鋼材料，更能適合焊接環(huán)境該手控盒顯示面板可以實時顯示主/從焊機(jī)電流與電壓、送帶速度、焊接速度、故障代碼、系統(tǒng)參數(shù)等，操作方便、重量輕。

三、智能總線控制系統(tǒng)運(yùn)行過程

首先，當(dāng)接通外部主電源后，撥動操控盒上的電源開關(guān)至開位置，系統(tǒng)進(jìn)入初始化過程中；上電初始化程序主要完成對設(shè)備進(jìn)行開機(jī)前的系統(tǒng)自檢、參數(shù)的寫入與保存、狀態(tài)監(jiān)控等。

其次，通過人機(jī)交互平臺設(shè)置管平面或馬鞍面堆焊參數(shù)，選擇操作模式，根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)馬鞍形空間曲線公式計算出空間曲線，并將該空間曲線分割成若干個點記憶在寄存器中，利用定位數(shù)據(jù)控制伺服系統(tǒng)執(zhí)行該軌跡。

再次，點擊啟弧按鈕，通過總線系統(tǒng)，將啟弧信號、焊接參數(shù)通過DeviceNet協(xié)議發(fā)送至焊接電源；其他伺服、步進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)由ModBus協(xié)議傳輸，現(xiàn)場實施數(shù)據(jù)反饋通過遠(yuǎn)程傳輸模塊采集并上傳至英特網(wǎng)以及服務(wù)器與監(jiān)控系統(tǒng)，整套系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，進(jìn)入正常馬鞍面堆焊過程。智能儀表與相關(guān)傳感器采集現(xiàn)場工藝參數(shù)，并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸模塊反饋，并在服務(wù)器端進(jìn)行處理，并對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與報警系統(tǒng)進(jìn)行處理；若出現(xiàn)故障，可利用遠(yuǎn)程視頻系統(tǒng)進(jìn)行初步現(xiàn)場指導(dǎo)解決。

最后，焊接結(jié)束時，按動停止按鈕，進(jìn)入收弧控制程序段，完成一次正常焊接。可以直接用網(wǎng)頁查看歷史數(shù)據(jù)報表，曲線圖和報警記錄，可以隨時導(dǎo)出所需的焊接參數(shù)表格并打印，當(dāng)前操作的現(xiàn)場視頻資源同時也被保存。

四、結(jié)論

1.該總線智能控制系統(tǒng)，提高現(xiàn)場設(shè)備的自動化程度，降低工作強(qiáng)度，提高工作效率，改善工作環(huán)境。

2.各個站點之間的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等總線通信協(xié)議，節(jié)省硬件投資，實時性能好，增加了設(shè)備的后續(xù)可擴(kuò)展性，真正實現(xiàn)了集中智能控制。

3.實現(xiàn)焊接參數(shù)、設(shè)備參數(shù)的云端實時監(jiān)控與控制，保證焊接工藝參數(shù)在設(shè)置的范圍之內(nèi)。