基于Profibus总线的激光焊机PLC控制系统.pdf

第 3 5卷第 2期 2 0l 1年 3月 冶 金自 动 匕 Me t a l l u r g i c a l I nd u s t r y Aut o ma t i o n V0l _ 3 5 No． 2 Ma r ．2 01 1 系统 与 装 置 基 于 P r o fi b u s总线 的激光焊机 P L C控 制 系统 陈海永 ， 黄 力宁 ， 孙鹤旭 河北工、 大学 控 制科 学与 程学 院 ， 天津 3 0 0 1 3 0 摘 要 某公 一引进的德 罔克莱西姆 L W2 1 L C O 连续 激光焊 机采用以 西门子 7 - 4 0 0系列 P L C为核心 的分 布 式 I ／ 0控制系统和曲门子 S i m o d r i v e 6 1 1 u伺服控制器， 并通过 P r o fi b u s 总线通信， 实现了伺服电动机位置和速度 的『 州环控制 、 带钢 对中控制 以及 N 压 力非线 性补偿 P I D控制 ， 保证 _ r 激光焊机 切割 和焊接 的正常进行 。另外 ， 存 Wi n C C监控 系统 巾根据 小 带 钢 号 没定不 同焊接参数 ， 并实 现对焊接 过程 畦要 参数 的监控 和报 警 信息 的 在线处理 ， 保 证 J ， 激光 焊机柔性 、 町靠 地 自动运行 。 关键 词 激光焊机 ； P L C ；伺服控制器 ； Wj n C C； 电动机控制 中图分类号 T G 3 3 4 ． 9文献标志码 B文章 编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 1 0 2 - 0 0 4 5 -05 Pr o fib us ba s e d PLC c o n t r o l s y s t e m f o r l a s e r b ut t we l d e r CHEN Ha i y o n g， HUANG Li n i n g， SUN He X H S c h o o l o f C o n t r o l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i n g ， He b e i U n i v e r s i t y o f l e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 0， C h i n a A b s t r a c t A c o n t r o l s y s t e m d e s i g n e d f o r C l e c i m C O 2 c o n t i n u o u s l a s e r b u t t W e l d e r t y p e L W2 1 Li s pr e s e nt e d． T he c l o s e d l o o p c o n t r o l o f t he s pe e d a n d po s i t i o n o f s e r v o mo t o r s i s r e a l i z e d b y us i n g t h e S i e me n s 7- 40 0 a nd t h e S i mo d r i v e 61 1 U t h a t c o mmu n i c a t e v i a t h e Pr o fib us b u s ．T he N2 pr e s s u r e n o n l i n e a r c o mp e n s a t i o n P1 D c o n t r o l a nd c e nt r a l i z a t i o n o f s t r i p a r e a l s o i mp l e me n t e d wi t h t he P LC s y s t e m a n d i t s s o f t wa r e c o n t r o l b l o c k，wh i c h g u a r a n t e e s t h e n o r ma l o p e r a t i o n s o f c u t t i n g a n d we l d i n g o f l a s e r b u t t we l d e r ． T h e We l d p a r a me t e r s for t h e di f f e r e n t k i n d s o f s t e e l p l a t e a r e s t o r e d i n t he d a t a b a s e o f t h e W i nCC b a s e d mo ni t o r i n g s y s t e m a nd c a n b e d o wn l o a d e d t o c o n t r o l l e r u po n p r a c t i c a l r e q u i r e me n t ．Mo r e o v e r ，t he a l a r m i n f o r ma t i o n a nd t h e i mp o r t a n t p a r a me t e r s d u r i ng we l d i n g a r e mo n i t o r e d a n d p r o c e s s e d i n r e a l t i me，wh i c h a s s ur e s fle x i b i l i t y，r e l i a b i l i t y a n d a u t o ma t i c r u n n i n g o f t h e l a s e r b u t t we l d er ． Ke y wo r ds l a s e r b ut t we l d e r ； PLC； s e l wo c o n t r o l l e r ； W i n CC； mo t o r c o n t r o l 常用的电弧焊或闪光焊 ， 降低 了焊 接层 的 韧 性 ， 容易导致焊接区出现皱褶 ， 为了得到高强度 的 焊缝 ， 防止带钢折断 ， 在批量生产中多采用激光焊 机进行焊接 。本文 以 2 0 0 9年 1 2月某公 司从德 国 克莱西姆引进 的先进 的 C O ，激光焊机设备 为例 ， 介绍该焊机的 P L C控制系统 。在该项 目中河北工 业 大 学参 与 了控 制 系统 的调试 与 焊机 的现 场 测 试 等工作。 C O ， 激光焊机具有焊接重复性好 、 焊缝 窄、 变 形小 、 焊接过程 稳定 的工艺效果 。激光焊接技 术 能够保证焊缝 与母 材 的组织及 程度接近 ， 可 以获 得与母材性能几 乎相等 的优质 焊头 ， 是 目前 国际 冶金行业比较先进的加工工艺⋯。利用该焊机 可 以焊接不锈钢 、 低碳钢 、 高碳钢 、 双相钢 、 镀层钢 、 普通合金钢等带钢 材料 ， 焊接 带钢 的厚度范 围为 0 ． 3～ 2 ． 5 mm， 宽度范围为 6 0 01 6 2 5 mm。 收稿 日期 2 0 1 0 4 7 1 6 ； 修 改稿收 到 日期 2 0 1 0 一 l 1 2 4 基 金项 目 河 北省 自然科 学基金资助项 目 F 2 0 1 0 0 0 0 1 6 0 作者简 介 陈海水 1 9 8 0 ． ， 男 ， 河 南丌封 人 ， 讲 师 ， 博 i ， 主要从事焊接 自动控制 等领域 的研 究 第2 期 陈海永 ， 等 基于 P r o fi b u s 总线的激光焊机 P L C控制 系统 4 7 该系统采用 O P 1 7 0操作 面板 ， 可 以实现 自动 模式 、 半 自动模式和维护模式 3种方式 的选择 ， 以 及在维护模式 和半 自动模式 下的焊机手 动操作。 在触摸屏上还可以直接进行参数设定 和远程操作 监视 。 该系统的 P L C控制 软件 采用 S t e p 7 V 5 ． 4软 件集成开发环境来编程 ， 并主要利用 C F C 连续功 能图表 和 G r a p h高级语言进行程序设计 ， 上位机 监 控 系统 采 用 Wi n C C 6 ． 2进 行 组 态 ， S i mo d r i v e 6 1 1 U伺服控制器采用 S i mc o m u软件进行设置 ， 操 作面板触摸屏运行在 Wi n C C F l e x i b l e软件平 台之 上 。 3 系统设计 本控制 系统 以西 门子 7 - 4 0 0系列 P L C为核 心 控 制器 ， 并 通过 P r o fi b u s 总线 与 西 门子 S i m o d r i v e 6 1 1 U伺服控制器通信 ， 实现了伺服 电动机位置 和 速度 的闭环控制 、 带钢对 中控制 ； 通过 P r o fi b u s总 线与 E T 。 2 0 0从站通信 ， 实现 N 压力非线性 补偿 P I D控制 ； 通过在上位机安装 的 5 6 1 3卡将 Wi n C C 接入到 P r o fi b u s 总线 ， 实现对焊接过程重要参数 的 监控和报警信 息的在线处理 ， 保证 了激 光焊机切 割 和焊 接 的顺 利进 行 。 3 ． 1焊 机控 制 系统 焊机控制主要实现伺服 电动机位置和速度闭 环控制 、 基于磁尺测量的带钢对中控制以及 N ， 压 力的非线性补偿 P I D。 3 ． 1 ． 1 伺服电动机位置和速度闭环控制 位置和速度闭环控制原理如图 3所示 。 伺服控制器 ；电动机 图 3位置和速度 的闭环 控制原理 Fi g． 3 P o s i t i o n a n d s pe e d c l o s e d l o o p c o nt r o l s c h e ma t i c d i a g r a m 整 个 系统 涉 及 到 1 4个 电 动 机 的 位 置 和 速 度 控制 ， S i m o d r i v e 6 1 1 U伺服控制器 中所带 的 6 4个 程序段 中包含 了控 制 电动机 的位 置和速度参 数 ， P L C控制器根据工艺过 程计算位 置和速度参 数 ， S i m o d r i v e 6 1 1 u伺服控制器把位 置设定 点以及趋 向目标位 置 的伺 服 电动 机速 度传 送给伺 服 电动 机 ， 从而实现 电动机 的本地位 置和速度 的闭环控 制。在图 3中 ， 从 操作 面板发出选择 X， Y ， Z轴以 及沿这一轴前进和后退 的命令后 ， 即在 P L C内部 根据工艺预先设计的 目标位置值与 当前值进行 比 较 ， 得 出伺服 电动机需要运行 的方 向及距离 ； 然后 选择相应 的程序段号码传 送给伺服控 制器 ， 作为 伺服电动机 的 目标位置动作 的命 令。同时， 速度 以倍率形式传送 ， 对应伺服控制器的控 制字倍率 ， 将速度倍率与程序段速度相乘就得到了当前运行 速度 ， 伺服 电动机 以此速度运 行到设定位置 。最 后 ， 电动机拖动设备 ， 直到绝对值编码 器反馈 的绝 对编码 目标值 与实 际值相 同时， 绝对位 置定 位的 速度控制过程结 束 ， 就完成 了伺 服 电动机位 置和 速度 闭环控 制 。 3 ． 1 ． 2基于磁尺测量 的带钢对中控制 利用 4个磁尺实现人 口带钢和出 口带钢的对 中， 为下一步 的焊 接做好准备。根据对 中单元 的 机械设 计 ， P L C需 要根据带钢边缘 的两个磁尺传 来的 4个测量信号 用于确定带钢 和生产线之 间 两中心线的距 离 磁尺检测头 1 处带钢两边缘距 离带钢生产线中心线距 离 d 。 和 d 图中线段 A B 和 n c ； 磁尺检测头 2处带钢两 边缘距离带钢生 产线 中心线距离 d 和 d 图 中线段 D E和 E F ， 计算 当带钢相 对 于带钢生 产线 中心线 发生 偏移 时 ， 带钢 中心线 相对于带钢生产 线 中心线需要移 动 的基本补偿量 d 和 d 。带钢对 中正上方俯视 图如 图 4所示 。 带钢边缘 ＼ A 、 、 钢 中心线 ＼ ＼ J d ， 带 钢生 声～ d 0 i 一 ＼ d 2 线中心线 带钢边缘 ■ ， ＼ d 0 ＼ G 一 磁尺 磁尺 F 检测头 1 j 犯且 l 图 4入 口和出 口对中原理 Fi g ． 4 En t r y a n d e xp o r t c e nt e r i ng u ni t s c he ma t i c d i a g r a m 利用磁尺实现带钢对中的步骤如下。 第 1 步 ， 气压带动的磁尺夹具夹 紧带钢之后 ， 记录 4个测量信号 d d ， d 。 和 d 。 冶 金自 动 化 第3 5卷 第 2步 ， 计算带钢中心线的基本补偿量 d d 一d 1 2 ／ 2 1 d 2 d 2 1 一d 2 2 ／ 2 第 3步， 计 算 由于磁尺夹具和磁尺检测头之 间的距离引起 的测量 误差 ， 并将其换算 到带钢对 中过程中移动方向上的补偿量 d 0 l D 2 d ， 一d 2 ／ D。 D 2 I 2 式中， d 为带钢与带钢生产线方 向不平行时的对 中补偿量。 第 4步 ， 计算最后的带钢 中心线设定点位置 d 。 d o d 1 d 3 d n 2 d 0 - t- d 2 十 d 4 式中， 和 。 分别为两个磁尺测头处带钢中心线 移动到生产线中心线实际需要移动的距离 两点 都移动到生产线上带钢 中心线才能与带钢生产线 中心线重合 ； d 为为了减小计算误差而加上的计 算补偿量 ， 它是一个根据经验得到 的常量 。式 中 正负号的选取原则为 如图 4所示 ， 带钢中心线在 生产线中心线上侧时取负 ， 在下侧时取正。 第 5步 ， P L C将计算 的 d 。 和 d p 2 发送 到 S i m o d r i v e 6 1 1 U， 控制伺服电动机进行带钢对中。 3 ． 1 ． 3 N 压力非线性补偿 P I D 当用激光器进行切 割时， 由于激光功率 比较 大， 除了激光反射镜需要用冷水进行冷却 以外 ， 打 出激光的切割头还需要采用 N 进行冷却 ， 同时 N 作为惰性气体可以防止切割处氧化 ， 因此 ， N 压力 的大小直接决定着切割头 的安全 以及切割质量。 本焊机系统在上位机中采用 S F B 4 1 P I D模块控制 N 压力 ， 同时考虑到控制 N 的阀体的非线性 ， 还 需要增加 相应 的非线性 补偿环 节进行线性 化处 理 ， 即在切割的同时进行 N 压力的非线性补偿 ， 切割完成后 ， 进行 N 的 P I D控制使其输 出迅速归 0 ， 具体做法如下。 当带钢尾部或头部准备好 切割 时， 从 Wi n C C 中对应的专家数据库 中将 N 的基准压力数据调 入到 N 压力处理程序中 ， 根据基准值计算 N 压 力非线性补偿值 ， 然 后 P I D控制器输 出控 制信号 控制阀门的开度从而实现 N 压力控制 ， 以保护切 割头、 保证高质量 的切割 ， 并为下一步的激光焊接 做好准备。N 压力非线性补偿值 PC l c 2 c 3 c 4 5 式中， C ～ 为根据经验值设定的非线性补偿系 数； 为在 Wi n C C中设定 的对应于既定带钢厚度 的非线性补偿基准值。 本焊机系统中采用的 S F B 4 1 P I D模块是带有 死区特性和输出限幅模块 ， 利用 P I D强大 的控制 作用使得在激光切 割完成后 ， N 压力按一定 的衰 减过程回归到 0位 ， 这样既能防止 阀门的频繁动 作 ， 又能防止切割完成就立即关闭 N 阀造成切割 头融 化 ， 还 能节 约 N 。 在进行 N ， 压力非线性补偿 P I D时， 还需注意 在 P I D模块与非线性环节 配合使用 中， 要在切割 时实现 N 压力的精确控制 ， 必须合理设定选择合 适 的比例度以及积分和微分时间。本系统 中选择 比例度为 6 ， 积分时问为 3 6 0 0 I l l s ， 微分时 问设定 为 2 7 0 0 m s 。经过上述非线性补偿的 P I D控制 ， 能 够保证 N 压力精确到 1 P a 。 3 ． 2 Wi n CC监控 系统 激光焊机控制 系统 比较庞大 ， 输 入输 出点数 比较多， 需要监控的变量也 比较多 ， 为 了在线监视 焊机的运行状态 ， 采用 在工控机上安装 Wi n C C来 实现监控。通过 Wi n C C可以进行初始化操作 ， 对 带钢切割和焊接过程 中的相关参数 ， 如切割气体 压力 、 带钢厚度以及宽度、 激光功率等进行现场监 控 ， 查找故障点并进行故 障报警等， 以保证焊机 的 正常工作 。 1 现场监 控。在生 产时 ， 加工 不 同种 带钢 前 ， 操作员必须将带钢的厚度和宽度 、 带钢等级以 及带钢的可焊接性填写到 Wi n C C的焊接数据区， 再从 S Q L专家数据库 中调取相应参数进行 比对 ， 如果操作员填写的工艺参数在专家系统数据库的 参数范围内， 则 可以从数据库 中调用激光所需 的 功率 、 焊机焦点位置 、 焊接气体 的流量和压力 、 以 及焊接速度等基本参数 ， 并将 其下载到 S i m o d r i v e 6 1 1 U和 P L C中进行处理 ； 如果操作员所填数据超 过了数据库的参数范围 ， 则在该 画面 中显示报警 信息 ， 通知操作员进行更正。 2 故障报警 。生产运行状况通过 I ／ O模块 采集到 7 - 4 0 0 P L C中， 当激光 焊机 出现故 障时 ， 利用 S t e p 7程序综合分析设备当前状态 ， 找出设备 故障点， 并将生成 的故障代码通过 P r o fi b u s 传送给 H MI 上位机 ， 再通过查询故障数据库提取代码对 应的故障说明 ， 在 Wi n C C中发出红色警报信息 ， 在 图形界面上 自动弹 出窗 口显示 ， 供技术人 员依次 进行相应 的处理 。报警包括 发生 的时 间和 日 期 、 报警描述 、 报警来 源和类型、 报警状态等 ， 并且 第2 期 陈海永 ， 等 基于 P r o fi b u s总线的激光焊机 P L C控制 系统 4 9 可 随时 查看 历 史记 录 。 4结论 该克莱西姆 L W2 1 L型 C O 激光焊机投产后 ， 我们对激光焊接前后带钢的抗拉性能做 了对 比试 验 ， 试验表明拉断位置均不在焊缝处及其附近 ， 焊 接处强度强于⋯ 一 整块 钢板 的强度 ； 此外焊缝表 面 宽度不大于 0 ． 5 n l lT l ， 各项指标基本正常 ， 达到了工 艺对 激光 焊接 的要求 ， 实 现 了焊接 的 白动 控制 。实 际应用表明 ， 焊缝焊接质量 良好 ， 基本没有毛刺和 突起 ， 表面光 滑， 与 闪光焊 机相 比节 能效 果显著。 通过对焊机的一系列分析 和研究 ， 为维护和测试 大功率激光焊机奠定了基础。 参考 文献 2 0 0 8， 3 7 6 4 6 - 4 8 ． LE1 Hu a be i ．Re s e a r c h o n a pp l i c a t i o n o f t he VAI Cl e c i m w e l d e r [ J ] ．We l d i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 4 6 48 ． [ 2 ] 董砚 ， 潘洪 瑞． 基 于 P L C的闪光 焊 机控 制系 统 [ J ] ． 冶金 自动化 ， 2 0 0 9， 3 3 5 4 7 - 5 0 ． DONG Ya n， PAN Hon g r ui ． Fl a s h b u t t we l d i n g c o nt r o l s y s t e m b a s e d O 1 3 P L C [ J ] ．Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y A u t o m a t i o n，2 0 0 9， 3 3 5 4 7 5 0 ． [ 3 ] 李 小 兵． 基 于 S i mo d r i v e 6 1 1 U 的钢 管 锯 切 控 制 系统 [ J ] ． 金属材料与冶金工程 ， 2 0 0 7 ， 3 5 2 5 3 - 5 5 ． LI Xi a o b i n g ．S a wi n g c o nt r o l s y s t e m f o r s e a ml e s s s t e e l p i p e l a y e r b a s e d o n S i m o d r i v e 6 1 1 U[ J ] ．Me t a l Ma t e ri a l s a n d Me t a l l m g y E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 3 5 2 5 3 - 5 5 ． [ 4 ] 孙卫军 ， 章巍． S i m o d r i v e 6 1 1 u在 进 口机加 工 自动线 电气 改造 L 1 1 的应 用 [ J ] ．设 备管 理与 维护 ， 2 0 0 3 2 】 5一 】 6． [ 1 ] 雷华北． 克菜西姆焊机的应用研究[ J ] ． 焊接技术， [ 编辑 沈黎颖] _ l I 一 。 l 一 。’ _ l | _ ‘ l ‘ ’ ll _ - “ ⋯l - ⋯ ⋯⋯I - __ ’ 。 。 0 ‘ ’ ’ ⋯l - __ ‘ ⋯。 l - ’ ’ l ‘ l I - 。 l ’ l l _ -’ ” l r ‘ ⋯ ⋯ 。 l 上接第 2 3页 衡控制应用系统。在数据采集 的基础上 ， 利用信 息技术手段 ， 实时再现工艺系统过程映像 ， 使运行 管理和调整决策建立在可靠 的过程信息之上 。 3 建立系统化 的能源成 本 中心。能源成本 中心应在系统规划 、 架构设计 、 功能配置和应用集 成等方面全 面反映能源系统本质 的管理特征 ， 根 据效益最大化 的原则配置能源 管理要素 ， 通过能 源管理信息 系统 的计 划编 制 、 实绩分 析 、 质量 管 理 、 平衡预测 、 能耗评价等技术手段对 能源 的生产 过程和消耗过程进行管理评价。 通过满足 以上 3个条件 ， 能源信息管理 系统 能够 向企业整体 E R P系统提供完整的能源消耗数 据 、 分析数据和分析结果 ， E R P也可 以按能源管理 和预测分析的需要 ， 向能源信息管 理系统提供公 司的生产计划 、 检修计划 和相关的生产实绩信息 ， 最终实现两者 的协 同工作和无缝集成。 4结束 语 能源利用效率 的重要 手段 ， 其建设 应在深入分析 能源的特点和相互关 系的基础上 ， 采用信息技术 和数字技术 ， 建立能源预测模型 、 能源平衡模 型及 能源优化模型 ， 从 而实现能源 的集 中监控和有效 管理 ， 同时应与企业 E R P系统无缝集成 ， 以达到进 一 步提高能源管理水平 ， 最终实现 企业整体节能 的 目标 。 参考文献 [ 1 ] 林 高 平． 中 国钢铁 行 业 低 碳 发展 战略 与 宝 钢 的思 考 [ J ] ． 冶金管理 ， 2 0 1 0 ， 2 5 1 1 4 8 ． [ 2 ] 张有礼 ， 王 维兴 ． 钢铁工业 能源 结构与节能 [ J ] ． 中国冶 金 ， 2 0 0 6 ， 1 6 1 0 1 3 ， 8 ． [ 3 ] 冯 为民 ， 丛力 群． 冶金 企 业 能源 管 理 系统 [ J ] ． 控 制工 程 ， 2 0 0 5 ， 1 2 6 5 9 7 6 0 0 ． FENG W e i mi n， CONG Li q un ． En e r g y ma n a g e me n t s y s t e m o f e n t i r e i r o n a n d s t e e l p l a n t [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g o f C h i n a ， 2 0 0 5 ， 1 2 6 5 9 7 - 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