基于PLC的PROFIBUS现场总线埋弧焊接控制系统设计

1、轧辊埋弧焊接控制概述

　　埋弧焊是一种重要的焊接方法，其优点是焊接时将弧光埋起来，对人及环境的影响非常小。

　　埋弧焊施焊有三个基本环节：在焊件待焊接缝处均匀堆敷足够颗粒状焊剂；导电嘴和焊件分别接通焊接电源两极以产生焊接电弧；自动送进焊丝并移动电弧和焊件实施焊接。埋弧焊自动控制技术包括两个方面：对自动焊过程的顺序控制，实现三个基本环节控制；对弧焊设备和焊接过程的自动控制，包括弧焊机输出特性的控制，焊接过程自动跟踪及焊接过程的自适应控制等。

2、现场总线概述

　　现场总线是在智能现场设备和自动化系统间提供一个全数字化的、分散的、双向的、多点的通信链接的一种工业数据总线。现场总线技术及标准是全开放式的，从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。

　　智能化、数字化、信息化、网络化、微型化、分散化代表着当今自控技术发展的主流方向，而现场总线正是促使控制系统顺应这一发展方向的重要技术。FCS是继DCS之后的新一代控制系统，也是现在工业自动化的开发热点之一。其突出特点在于克服了DCS中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线控制系统是应用现场总线技术对传统的集散控制系统进行改造，实现了数字化的信息传输，通信质量和连线方式上都有较大突破。

　　轧辊焊接设备FCS废除了DCS中采用的“操作站-控制站-现场设备”3层主从结构的模式，把输入/输出单元、控制站的功能分散到智能型现场单元中去，任何一个单元出现故障只影响本身而不会危及全局，这种彻底的分散型控制体系使系统更加可靠。轧辊焊接设备FCS可采用多种网络拓扑结构，给自动化系统的施工带来极大的方便，布线较DCS节省经费。基于以上FCS的优点，本设计应用现场总线技术组成现场总线控制系统，实现焊接设备的自动化控制。

3、轧辊焊接控制系统硬件设计

　　3.1 现场总线选型

　　PROFIBUS现场总线是西门子公司开发制定的一种现场总线标准，是在国际上比较流行的一种现场总线。PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，对第三层到第六层进行简化，他的标准适应性强。PROFIBUS现场总线基于令牌协议与主从轮询相结合的存取控制方式，主站以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。由于PROFI-BUS现场总线技术上的成熟性和开放性，以及实际应用中的成本优势，轧辊焊接设备控制系统中采用PROFIBUS现场总线。

　　3.2 现场总线控制系统组成

　　PROFIBUS-DP的特点更适用于单台生产机械的组网，设计中采用PROFIBUS-DP现场总线技术来进行组网。轧辊焊接设备主站和从站均选择PLC，PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，特别适合于PLC与现场设备间通信。PROFIBUS-DP扫描1 000个I/O点的时间少于1 ms，支持9.6 k～12 M的通信速率和中继器的扩展功能。轧辊焊接设备FCS网络采用总线型网络拓扑结构，网络介质使用RS-485标准屏蔽双绞线。PROFIBUS-DP是制造业自动化主要应用的协议内容，是一种高速低成本通信方案，能够满足在长轧辊焊接过程中要求的快速性和实时性。

　　轧辊焊接设备FCS配置相当灵活，组网形式多种多样。轧辊焊接设备现场总线控制系统如图1所示。PRO-FIBUS网络的实现主要由带PROFIBUS通信接口的中央处理器或通信模块完成，通信模块有DP主站和DP从站等。本系统为多主多从、单生产厂商设备的DP混合系统。FCS包括2个主站和2个从站。一类主站主要进行协调控制从站，二类主站进行监视，从站主要进行焊接运动控制。从站为外围设备，没有总线控制权，仅当接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向他发送信息。

图1 FCS网络结构图

　　应用西门子S7-300和S7-200系列的PLC，组成FCS中的基本现场控制单元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之间的通信协议为PROFIBUS现场总线协议。CPU315-2DP PLC作一类主站，触摸屏TP170作为二类主站，CPU224XP是从站。EM277可作为CPU224XP接入PROFIBUS现场总线专用模块。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间的通信为主从方式。图中两部分从站系统组成相同，能够实现分别加工2根短轧辊和共同加工1根长轧辊。

4、轧辊焊接控制系统软件设计

　　在主一从系统中，主站与从站采用主-从程序实现通信。主-从系统允许主站当前有权发送、存取指定给他的从站设备，这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。S7-300 PLC程序主要进行组织、监视和协调等方面工作。S7-200 PLC包括主程序、中断程序和各种功能子程序，主要进行具体的运动控制、通信等操作。

　　4.1 一类主站CPU315-2DP软件设计

　　S7-300 PLC程序包括系统组态，数据计算与处理程序，上位机与下位机通信程序等。对硬件进行组态是建立现场总线控制系统网络的关键环节，把网络中所有的硬件通过这一环节联成有机的网络。此过程不是简单的线路上的连接，而是要建立基于PROFIBUS现场总线通信协议的网络。应用软件MICROWIN STEP-7 V5.0可实现硬件组态功能和控制软件编辑功能。

　　CPU315-2DP控制程序主要是进行监视从站工作状态和长轧辊焊接时进行两台CPU224XP的协调控制。焊接长轧辊时两台从站CPU224XP协调控制在此处是个难点，首先要由CPU315-2DP向两台CPU224XP从站发时钟信号，利用现场总线即可实现，通信协议是PROFIBUS现场总线通信协议。然后设置好两台CPU224XP的实时时钟，这样在焊接长轧辊时利用两台从机的时钟，按一定时序进行加工，可保证焊接正常有序进行。[page]

　　4.2 二类主站TP170A软件设计

　　TP170A的组态软件为SIMATIC ProTool，通过其进行参数选择与设置，设计焊接操作界面，最后将程序块存入CPU315-2DP存储器中。操作界面可进行焊接方式选择和焊接参数设置等操作。操作界面功能选择页如图2所示。

图2 功能选择页

　　4.3 从站CPU224XP软件设计

　　PLC系统软件一般采用模块化程序设计，整个程序由若干个功能相对独立的模块组成。PLC强大的数学功能指令使复杂的数学计算变得容易实现。S7-200PLC控制程序从结构上划为主程序和功能子程序，主程序主要完成参数的初始化等操作；功能子程序包括焊机组合变位控制子程序、机头行走子程序、送丝控制子程序、丝极摆动控制子程序、电流控制子程序、双机长轧辊加工子程序、手动操作台信号处理子程序等。实际控制时要求这些程序控制的动作协调统一，不单纯依靠主程序或某一子程序控制。

　　加工长轧辊时两台从站CPU224XP首先要接收CPU315-2DP发出的时钟信息，然后设置好实时时钟。接下来通过比较判断两台从站时钟是否一致，如不一致，向CPU315-2DP发出错信息，CPU315-2DP重新发送时钟信息。这样在焊接长轧辊时利用两台从机的时钟，按一定时序进行加工，可保证焊接正常有序进行。双机焊接长轧辊子程序控制流程图如图3所示。

图3 焊接长轧辊程序框图

5、结 语

　　轧辊埋弧焊接专用设备控制系统设计方案采用基于PLC的PROFIBUS现场总线控制系统。应用现场总线技术的轧辊埋弧焊接控制系统可以使传统的埋弧焊接加工更加富有活力，使焊接的监视、控制等操作变得更加容易，有利于提高劳动生产率。