管平面与马鞍型面堆焊的总线智能控制系统研究

◎穆岩

本文依据某公司产品堆焊的主要特点与工艺流程，设计了管平面与马鞍型面堆焊的总线智能控制系统，提高现场设备的自动化程度，降低工作强度，提高工作效率，改善工作环境。各个站点之间的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等通信协议，节省硬件投资，实时性能好，提高系统稳定性和可靠性，增加了设备的后续可扩展性，真正实现了集中智能控制。

目前的大型压力容器的接管内壁、法兰端面的堆焊、接管与筒体之间的焊接中，大部分都采用半机械化焊接设备，自动化程度低、操作难度大、焊接质量差、效率低、焊前准备时间长等问题。

这种复杂的马鞍型空间曲线焊缝，要求整套控制系统更加智能化，同时具有更好的稳定性、更强的兼容性和可扩展性。因此智能总线控制系统变得简单、稳定、高效。但是，在焊接自动化设备领域，控制系统大多是非串型智能总线形式的通信方式，似使得设备的集成度变低、故障率大大升高。

马鞍型端面堆焊、窄间隙埋弧自动焊机总线智能控制系统应运而生，它解决这类大厚度马鞍形曲线焊接的需求，它能够大幅度地提高设备的焊接质量，降低生产成本，对焊工的技能要求也大幅度降低。本总线智能控制系统可用于管平面与马鞍型面堆焊设备，大大降低总线控制系统的布线难度，施工方便。在此类的平面或马鞍面、焊缝的自动化设备上具有很大的实用价值。

本文研究采用现场总线等先进技术，根据管平面与马鞍型面堆焊的工艺流程，设计了管平面与马鞍型面堆焊的总线智能控制系统，利用PLC、总线定位模块、远程无线物联网传输模块、无线通信模块、伺服步进系统、智能仪表和底层传感器等模块实现了自动化程度较高的管平面与马鞍型面堆焊的任务，利用智能网关和现场总线等技术实现了设备的远程控制与管理。

一、总线智能控制系统

如图1所示，该可用于管平面与马鞍型面堆焊的总线智能控制系统，主要包括生产管理上位机、服务器、数据监控系统、智能网关模块、主站模块、从站模块与远程数据传输从站，每个站之间都能进行实时的数据交换。主站PLC模块、从站PLC模块、伺服步进系统，主站PLC模块、从站PLC模块和伺服系统之间采用Modbus协议；从站PLC模块和智能仪表之间采用Modbus协议，从站PLC与焊接电源采用DeviceNet协议；主站PLC模块与智能网关模块之间采用RS-232协议；智能网关、监控上位机、人机交互界面、生产管理上位机之间采用TCP/IP协议。本发明采用多种现场总线于一体，根据管平面与马鞍型面堆焊的工艺流程，设计了整套智能化总线控制系统。

图1总线智能控制系统

二、功能模块配置

1.生产管理上位机。生产管理上位机，主要解决设备、车间、办公室等与生产之间的实时数据采集、记录、显示与传输、随时打印焊接记录等问题，实现了一个数字化智能控制综合管理平台。通过云平台、数据监控系统与打印机，以自动化数据采集等设备的交互工作，用实时数据流代替复杂、不及时、不易保存的手工记录数据的劣势。

2.智能网关模块。智能网关模块将其互联网与现场主站模块进行互联与监控，每个主站PLC模块均与多个所述从站PLC模块连接，从站PLC连接伺服系统、步进系统、智能仪表、传感器、焊接电源、视频系统等更多的现场执行单元。

3.远程数据传输从站。远程数据传输从站主要连接现场数据采集系统、APP报警功能、各种远程组态软件以及其它需要连接的执行设备。该远程数据传输从站可选2种不同协议的PLC或仪表。该模块可以通过4G、有线接入因特网。远程服务器只需连接因特网，安装巨控OPCSERVER。OPCSERVER会自动从远程数据传输从站获取数据。组态软件通过OPC驱动，即可组态现场画面，监视和控制PLC主站、从站以及每个现场执行机构的运行，并可记录历史报警和历史数据等关键信息。支持手机短信微信报警，多次拨号提醒，确保重大故障及时通知到人，实现无人值守。提供可断线续传的云端历史数据和报警记录，可以直接用网页查看历史数据报表，曲线图和报警记录，可以随时导出表格并打印，实现数据的实时共享。

4.视频系统。采集现场实际的操作过程，实时画面被传到数据监控系统，为后续工艺方法的优化提供帮助。

5.无线遥控设备。在设备使用的过程中，一般会通过操作盒对焊接参数和设备动作进行操作，因此操作盒是管平面与马鞍型面堆焊的总线智能控制系统的另一个重要的人机交互接口。遥控操作盒主要有单键操作及复用键操作两种方式。

遥控盒面板采用不锈钢材料，更能适合焊接环境该手控盒显示面板可以实时显示主/从焊机电流与电压、送带速度、焊接速度、故障代码、系统参数等，操作方便、重量轻。

三、智能总线控制系统运行过程

首先，当接通外部主电源后，拨动操控盒上的电源开关至开位置，系统进入初始化过程中；上电初始化程序主要完成对设备进行开机前的系统自检、参数的写入与保存、状态监控等。

其次，通过人机交互平台设置管平面或马鞍面堆焊参数，选择操作模式，根据输入的相关参数，根据马鞍形空间曲线公式计算出空间曲线，并将该空间曲线分割成若干个点记忆在寄存器中，利用定位数据控制伺服系统执行该轨迹。

再次，点击启弧按钮，通过总线系统，将启弧信号、焊接参数通过DeviceNet协议发送至焊接电源；其他伺服、步进执行机构的数据由ModBus协议传输，现场实施数据反馈通过远程传输模块采集并上传至英特网以及服务器与监控系统，整套系统形成闭环控制，进入正常马鞍面堆焊过程。智能仪表与相关传感器采集现场工艺参数，并通过远程数据参数传输模块反馈，并在服务器端进行处理，并对末端执行机构与报警系统进行处理；若出现故障，可利用远程视频系统进行初步现场指导解决。

最后，焊接结束时，按动停止按钮，进入收弧控制程序段，完成一次正常焊接。可以直接用网页查看历史数据报表，曲线图和报警记录，可以随时导出所需的焊接参数表格并打印，当前操作的现场视频资源同时也被保存。

四、结论

1.该总线智能控制系统，提高现场设备的自动化程度，降低工作强度，提高工作效率，改善工作环境。

2.各个站点之间的通信采用ModBus、DeviceNet、TCP/IP等总线通信协议，节省硬件投资，实时性能好，增加了设备的后续可扩展性，真正实现了集中智能控制。

3.实现焊接参数、设备参数的云端实时监控与控制，保证焊接工艺参数在设置的范围之内。