（机械工程专业论文）管道自动焊接机控制系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学t 程硕卜学位论文 管道自动焊接机控制系统的研究 摘要 在电力、石油、化工和锅炉等行业中的焊接生产中，全位置管道自动焊 接机是一种重要的专用焊接设备，研制该设备的关键是控制系统的设计。本 文根据分布式计算机控制系统的使用范围，并结合管道全位置焊接需要控制 的参量多和实时性强等特点，选择分布式计算机控制作为整体控制方案。 针对控制系统的通讯任务，设计了主从机之间的串行通讯网络和各从机 问的同步控制网络，并制定了统一的信息格式和通讯协议；考虑焊接现场干 扰强的特点，采用数据个数、参数类别和异或数三重校验方式，以确保多机 通讯可靠。 本焊接机主机的数据系统和操作系统采用图形模式下的汉化菜单作为接 口，主机的数据系统和操作系统均采用c 语言编程；全部焊接参数都被固 化在主机的数据库中，并预先定义了常用的焊接参数，每一参数根据不同工 艺给定了参数选择范围，全部数据和命令可用鼠标输入和改变；另外，为便 于焊接现场对焊接参数的实时控制，设计了远控盒。 本焊接机利用单片机硬件与软件双重反馈控制脉动送丝与钨极摆动系 统，具有工作稳定，抗干扰能力强的特点，能够满足厚壁管全位置焊接工艺 要求。 本焊接机采用脉动送丝和钨极摆动t i g 焊工艺，接头机械性能符合工 艺要求。 关键词管道自动焊；多机通讯；数据系统；操作系统 堕查鎏墨二查兰三堡至! ：茎竺鎏奎 t h es t u d yo fa u t o - p i p ew e l d i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e m a b s t r a c t i nt h ef i e l d so fw e l d i n gp r o d u c t i o n , s u c ha se l e c t r i cp o w e r ，p e t r o l e u m ， c h e m i c a le n g i n e e r i n ge q u i p m e n ta n dt h eb o i l e re t c ，t h ea l l - p o s i t i o n a la u t o p i p e w e l d i n gm a c h i n ei s a l li m p o r t a n ta n ds p e c i a l i z e dw e l d i n ge p u i p m e n t t h ek e yo f r e s e a r c h i n gi n t ot h i se q u i p m e n ti st h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i s a d o p t st h ed i s t r i b u t i n gc o m p u t e rc o n t r o l a st h ew h o l ec o n t r o l l i n g s c h e m e ， a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fd i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n d w h i c hc o m b i n e dw i t hs o m ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ls y s t e mf o ra l l p o s i t i o n a l w e l d i n g ，s u c ha sm u l t i p l ec o n t r o lp a r a m e t e r sa n d o n - l i n er e s p o n s e t a i l o r i n gt h ec o m m u n i c a t i o nt a s ko fc o n t r o ls y s t e m ，as e r i a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kb e t w e e nm a s t e rc o m p u t e ra n ds l a v e r yc o m p u t e r si sd e s i g n e d ，a sw e l la s s y n c h r o c o n t r o l n e t w o r ka m o n gs l a v e r yc o m p u t e r sa r ed e s i g n e d u n i f o r m m e s s a g ef o r m a t sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r em a d e c o n s i d e r i n gi n t e n s i v e d i s t u r b a n c eo ft h ew e l d i n gl o c a l e ，t r i p l ev e r i f i c a t i o nm o d e ，f o re x a m p l ed a t a a m o u n tc h e c k ，p a r a m e t e rt y p ec h e c ka n dx o rc h e c k , i sa d o p t e dt oa s s u r et h e r e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o na m o n gm u l t i p l ec o m p u t e r s ，w h i c hf u l f i l lt h ew e l d i n g p r o c e s sc o n t r 0 1 t h ec h i n e s ec h a r a c t e rm e n uu n d e rt h eg r a p h i c sm o d e li sa d o p t e d 嬲a i n t e r f a c ew h i c hc o m m u n i c a t e st h e o p e r a t o rt o t h em a s t e rc o m p u t e r t h ec l a n g u a g ei su s e dt op r o g r a mt h ed a t as y s t e ma n dt h eo p e r a t i n gs y s t e m a l lt h e w e l d i n gp a r a m e t e r sa r es t o r e di nt h ed a t a b a s eo ft h em a s t e rc o m p u t e ra n dt h o s e w e l d i n gp a r a m e t e r s w h i c ha r e f r e q u e n t l y u s e da r ed e f i n e d b e f o r e h a n d ， f u r t h e r m o r et h es e l e c t a b l ee x t e n to f e a c hw e l d i n gp a r a m e t e ri sg i v e na c c o r d i n gt o t h ev a r i e r sw e l d i n gt e c l m o l o g y m o a s ec a ni n p u ta n dc h a n g ea l lt h ed a t aa n dt h e w e l d i n go r d e r i l no r d e rt oc o n t r o lt h ew e l d i n gp a r a m e t e ro nt h es p o ti nr e a l - t i m e ， t h er e m o t e l yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h i sw e l d i n gm a c h i n eu s i n gt h es c ma n ds o f t w a r ed o u b l ef e e d b a c k 一 一玎一 竺尘童矍：查兰三耋墨! 耋竺兰三 c o n t r o l i n go fp u l s a t i n gw i r ef e e da n ds w i n go ft u n g s t e ne l e c t r o d es y s t e m ，w h i c h h a st h ef e a t u r eo fw o r k i n gs t a b i l i t ya n dh i g ha b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，s oi tc a n s a t i s f yt h et e c h n i c sr e q u e s to f a u t o - p i p ew e l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m t h ew e l d i n gm a c h i n eu s i n gt h es e a lt e c h n i c so fp u l s a t i n gw i r ef e e da n d s w i n go ft u n g s t e ne l e c t r o d e t i g , m e c h a n i c a lp r o p e r t y o ft i e - i nc a nm e e tt h e t e c h n i c sr e q u e s t k e y w o r d sa u t o - p i p ew e l d i n g ；c o m m u n i c a t i o na m o n gm u m p l ec o m p u t e r s ；d a t a s y s t e m ；o p e r a t i n gs y s t e m i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文自动焊接机控制系统的研究， 是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作 所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签日期：年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 自动焊接机控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“，”) 作者签名 导师签名 日期：年月日 日期：年月日 哈尔滨理t 大学t 程硕t ：学位论文 第1 章绪论 现代工业的飞速发展，不断对焊接技术提出更新更高的要求，而现代 工业和科学技术的新成就又为焊接方法和焊接专用设备的发展提供了宽广和 雄厚的技术基础。焊接工艺和焊接设备就是在现代工业和科学技术的推动下 相辅相成地蓬勃发展起来的【1j 1 2 j 吲。 目前，工业发达国家的焊接机械化与自动化程度高达6 0 以上，而我 国只有1 0 ，专用成套焊接设备和自动化焊接设备大部分依赖进口。管道 全位置焊接设备就是其中之一。焊接自动化设备的应用，大大提高了劳动生 产率。在2 0 0 0 年的悉尼奥运会上，就由于机器人焊接的使用而加快了奥林 匹克体育馆的建设1 4 j 。美国m o t o m a n 公司研制的机器人焊接设备不仅使生 产周期下降了三分之一，而且大大提高了焊接的一致性睁j 。多年来，我国的 焊接机械化与自动化成度是很低的，大多数焊接生产靠工人手工劳动完成， 我国的焊接设备也以通用手工焊为主。据电焊机行业的统计，国内各种交 流、直流手弧焊机和c 0 2 气体保护焊机的产量占全行业焊机总产量的9 0 以上【6 j 。所以，从生产的发展趋势看，我国焊接设备行业将继续从劳动密集 型向技术密集型方向发展，机电一体化、高效节能、自动、半自动焊接设备 将进一步得到开发和推广，微计算机控制技术将在焊接行业得到进一步的发 展。 近几年来，我国在焊接技术领域取得了很大的进步。广大焊接工作者的 不懈努力，在焊接设备机械化、自动化和专用成套设备方面做了不少工作， 取得了一定的成绩，也积累了许多宝贵的经验。但是与工业发达国家相比， 在水平、品种、质量和数量等方面尚存在着较大的差距。从1 9 9 4 年至1 9 9 5 年的情况看，电焊机行业定点企业在社会主义市场经济中还没有完全进入角 色，产品单一，质量较差，开拓市场和巩固市场比较困难，致使我国专用成 套焊接设备和自动化焊接设备大部分依赖进口i7 1 【s l 。所以说，应加强研制或 仿制专用成套焊接设备和自动化焊接设备的技术力量，这对提高我国工业自 动化水平和发展国民经济有着重要意义。 1 1 计算机技术在焊接自动化中的应用 在焊接行业中，计算机的应用起步较早，正在逐步向焊接科研、生 哈尔滨理t 大学t 程硕i ：学位论文 产、管理等各个领域深入发展。特别是2 0 世纪9 0 年代的十年中，计算机技 术在整个工业界的应用得到了飞速的发展。一些先进的软件设计思想如人工 智能、神经元网络、模糊控制、软件设计方法学等己引入到焊接领域中，它 们提高了软件的整体设计水平和实用性【9 j 。 计算机在焊接领域中的应用是多方面的，概括的说来，主要包括计算机 辅助焊接过程控制、焊接结构的计算机辅助设计与制造、焊接专家系统、焊 接工程数据库，焊接机器人和模式识别、数值分析模拟和计算机仿真等六个 方面【1 0 1 。 在计算机技术中最令人激动的发展是专家系统的应用，所谓专家系统就 是一类具有专家知识并能像人类专家一样解决特定领域复杂问题的计算机软 件系统。焊接过程难以量化，更多地需要专家系统来做出决定，因此被认为 是应用专家系统的理想领域 1 1 2 。 焊接过程的自动化是提高焊接生产效率、保证产品质量的一个极其重 要的手段f 焊接过程是一个复杂的机电、物理、化学过程，其过程控制精确 数学模型的建立是相当困难的，而在焊接过程控制上，又依赖计算机高精度 的运算和大容量的存储功能，并利用具有柔性的软件，自动准确地调节焊接 工艺参数，可以提高焊接接头内在质量和获得好的接头几何形状i j ”。如 t i g 焊中，采用弧光或弧压传感检测熔池振荡的振幅，在等离子弧焊中，通 过光纤采集焊接时的图像，然后将神经元网络和模糊控制等控制方法引入到 控制中，经过计算机的分析处理来控制熔宽和熔透【l ”。 8 0 年代初国外就已开发了很多有实用价值的焊接工程数据库。近年 来，焊接工程数据库在国内也已开始研究，并已在焊接生产中应用。在焊接 工程数据库的基础上，焊接工作者利用计算机的运算速度快、信息存储量 大，具有很强的推理能力的特点，设计由知识库、推理机、数据库和人机接 口组成的焊接专家系统1 1 6 1 。 将焊接过程自动控制系统与焊接专家系统有机地结合起来，即可构成 智能焊接操作机焊接机器人，目前已较为广泛地应用于工业生产。其中 更具有普遍意义的是，许多专用成套焊接设备和自动化焊接设备的控制系统 将p c 机优越的数据处理功能和良好界面用于焊接工艺参数的输入和管理， 而用体积小、性能价格比高的单片机做焊接过程的实时控制。随着计算机技 术的发展和计算机在焊接过程控制中的应用研究，使上述的控制系统不断改 进完善，从而减小焊接施工劳动强度、降低成本、提高焊接质量【 1 1 1 8 j i l 9 】。 堕玺圣坚二奎兰三堡璧土兰堡丝耋 1 2 国内外全位置管焊设备发展现状 在电力、冶金、石油、化工和锅炉等行业中，管道焊接所占焊接生产的 比重较大。在大多数的情况下，管道环缝的焊接均采用工件旋转而焊枪不动 的方式进行，这种方式焊接质量容易得到保证。但是，在管道的现场安装条 件下，工件是无法进行旋转的，只有进行管道的全位置焊接，才能实现管道 的连接嘲。 管道全位置焊接设备是一种较重要的专用焊接设备，起源于上世纪6 0 年代，当时航天业认识到飞行器液压管线高强度连接的必要性。解决的方法 是：用一个机械结构带动由钨极引发的电弧绕被焊的管件旋转，通过控制系 统调节焊接电流可以完成整个焊接过程。结果一个比人工焊接更准确、更可 靠的方法出现了。在2 0 世纪8 0 年代早期，随着便携式的1 1 0 v 电源和控制 系统的发展，管道焊接在多种行业中获得了实际应用，发展到今天，管道焊 接广泛应用于电力、冶金、石油、化工和锅炉等行业中。现代管道焊接系统 提供微机控制，在它的存储器中可保存焊接流程。相当于有认证资格的焊工 技术被固化在这个系统中，这保证了多次焊接的一致性，使焊接的缺陷降到 最低1 2 l j 。自动管道焊接的应用即大地提高了焊接的领会性。s w 工业公司应 用自动管道气体钨极氩弧焊焊接氢反应炉的导管，这种导管位于反应炉的底 部，只有l 英尺的空间，人工根本无法完成【2 2 1 。 在管道全位置焊接中，由于所焊的管材不同，壁厚不同，焊接中电弧运 动的实际位置不断变化，要求焊接参数也能够相应地发生变化和调整，行之 有效的方法是适当划分环缝的空间位置。例如通常将整条环缝划分为8 个区 段，每段的焊接电流、焊接电压、焊接速度和送丝速度等可根据此区段的 位置分别给予不同的数值【2 引。但是，在管道的全位置焊接过程中，焊机的 各个运动部位，如行走( 焊接速度) 、焊枪摆动、电弧电压的调节等要求与弧 焊电源同步，且控制精度要求较高。对于这种复杂的过程控制，非现代计算 机控制则难以胜任1 2 ”。 今天，管道全位置焊接设备在微处理机的控制下可以提供1 到2 0 0 a 的 电流，用户可通过程序在管道的每一段焊接时控制运行速度、电流值、脉冲 和时间。 新一代管道全位置焊接设备包括如下特点【2 5 】： 1 可获得高质量的机载数据 哈尔滨理t 大学t 程硕i ：学位论文 2 可在良好的p c 界面下制定焊接规程 3 备有内部集成的或外部可选的液体冷却系统 4 自带或可选的打印机。 国外早就致力于全位置焊接设备的研究，典型的如法国p o l y s o u d e 公 司，美国的w e l dl a g i c ，l n c 公司的管道全位置焊接设备，他们采用全微机控 制，能存储多段，多参数的焊接程序，在良好的人机界面的提示下，使用者 可以方便地进行操作。这一类焊接设备属于轨道式全位置焊机，功能很强， 如自动引弧、自动焊接、有的甚至还能够自动检测设备的故障和分析焊接质 量1 2 “。如美国w e l dl o g i c ，l n c 公司的a w s 2 0 0 0 采用i b m 公司的p c 机控 制，功能主要包括：精密焊接电源，机械式焊枪摆动，伺服控制的行走机 构，多轴行走联动功能，保护气体控制，伺服控制的送丝机，自动采集数据 等。所有这些设备是被安置在一个坚固的模块式机箱内，并附有1 4 英寸彩 色监视器和抽屉式键盘。其特点是焊接程序存储量大，闭环控制所有的焊接 工艺参数p ”。相似的还有日本三菱r t - t i x 型全位置脉冲t i g 焊机，由陡降 外特性电源、控制箱、控制器及m k 机头等组成。控制箱部分由计算机及 各种键盘组成，可实现电弧电压的自动控制，并可进行焊接参数预编程，实 时调整某些参到碍】。加拿大工业材料研究所研制出名日r o t o w e l d2 0 0 0 的钢 管对焊机，它先用电视摄象机准确观测熔池的形状、颜色、移动速度等，然 后进行数字化处理和误差分析，而后对焊接参数进行实时调整和修正，实现 根部窄间隙焊道的自动焊接1 2 ”c r a n f i e l d 大学以计算机为基础采用v m f 总 线控制台对焊接电源和全部传动轴如轨道头、气体流量控制阀等进行实时控 制，在计算机与v m f 控制台、控制台与焊接电源c p u 之间使用串行通讯 进行连接，所有的焊接参数都存储在主计算机的数据库中，借以实现管道焊 接3 们。 近年来我国对管焊设备方面的研究也有了较大的发展，研制出了多种全 位置管道自动焊接设备。 国内各科研单位在管道全位置焊工艺及设备方面的研究取得了一定的成 就。西南交大的吕其兵等研制出单片机控制的智能全位置自动t i g 焊系 统，采用单片机控制t i g 焊电源，方便地完成t i g 焊时序控制。系统中安 装有与机头同角速度转动的动触点( 低电平) ，在转动中不断同圆周上多个定 触点( 高电平) 相短接，感应定触点电平的变化，即可知机头的位置。然后根 据环缝不同位置的受力情况改变各位置的脉冲焊规范参数，包括脉冲峰、基 值电流和峰、基值时间等，以获得高质量的焊缝p ”。 哈尔滨理t 大学t 程硕 ：学位论文 南昌航空工业学院设计出全位置自动焊可编程控制系统，采用日本立石 公司c 4 0 p 型可编程控制器作为控制单元，对全位置焊接过程实行控制。用 霍尔传感器检测机头旋转位置l ”】，检测精度达0 7 。 为了提高焊缝熔深，提高焊速，上海交通大学齐志扬教授在美国a r c 公司热丝g 1 a 自动焊接系统基础上，开发微机控制热丝g t a 管焊系统。整 个系统分两个部分，即弧压自动控制和焊缝跟踪系统。电弧弧长自动控制器 是将电弧电压信号与参考值比较，误差信号经处理后由驱动器放大并驱动 y 轴电机，使焊枪上下移动以保持电弧弧长恒定，焊缝跟踪系统是通过x 轴电机以焊道中心为轴线驱动焊枪，沿坡口左右来回摆动，参考电压积分的 变化，修正焊枪中心邮】。 北京石油化工学院与清华大学联合研制了球罐全位置焊接机器人，采用 两点式视觉伺服反馈系统，已预先画出的坡口平行线为机器人的目标运动轨 迹，实现机器人在多层多道焊接时的重复自动跟踪。系统选用工业控制级可 编程控制器作为核心控制器件，外加自制的电机驱动等辅助电路，实现了对 五自由度球罐焊接机器人的柔性磁轮的控制、跟踪机构的控制和摆动机构的 控制，并使之协调联动，满足焊接过程的要求j 沈阳工业大学设计了p l c 的接口电路和编程软件用来完成全位置脉冲 钨极氩弧自动焊的控制，具有弧长控制和摆动功能，焊接参数四个区间可 调，存储l o 个程序，可以通过编程器现场编程i j ”。 但总体上看我国的全位置管焊技术还不成熟，研制的管道全位置焊接操 作机还只是科研产品，尚未见到有关实现工厂化生产及在工业现场中的实际 应用报道。目前我国国内全位置管道焊接仍多采用手工焊，焊接质量难以保 证且生产率低。目前国内使用的全位置管焊设备主要依赖进口，因此，仍需 大力加强全位置管道焊接设备与工艺方面的研究 1 3 本课题的研究内容及意义 现代工业的发展，使厚壁管道在石油化工、压力容器、电站锅炉及航天 工业中的应用越来越广泛，对厚壁管道耐高温、耐高压、耐腐蚀性等焊后质 量也提出越来越高的要求。针对我国当前管焊设备以进口为主，国内多数厂 家生产的管焊设备尚处在仿制或改良阶段，特别是厚壁管焊接尚处空白。为 了将西北丰富的天然气资源送到缺乏能源的华东地区，我国启动了“西气东 输”工程。整个工程铺设大直径管道近万公里，若按照每根管8 米计算，约 竺玺薹耋二查兰三耋竺：堡尘三 需焊接1 2 0 万个环焊缝。因此，研制管道全位置自动焊接操作机对克服以往 手工焊，半自动焊生产劳动强度大，生产质量不稳定，劳动效率低，生产条 件恶劣等缺点，提高生产效率、保障重要管线焊接质量具有重要意义，有良 好的开发前景和社会效益。 管道全位置自动焊接操作机是集机械、电气、计算机技术三位于一体的 高科技产品，根据各自的分工，本文的主要研究内容是： 1 主计算机的数据管理和控制软件的设计； 2 主计算机与现场控制计算机间通讯软件的设计： 3 主要机械动作的控制系统的设计； 4 远控盒硬件电路和软件的设计。 哈尔滨理t 大学t 程硕l ：学位论文 第2 章系统组成和技术要求 此全位置管道焊接操作机是硬导环轨道式焊接机，其采用自动添丝的摆 动钨极脉冲t i g 焊工艺，可广泛适用于管一管和管一板的环缝焊接，焊管 道外径为1 5 0 m m 以上，焊管壁厚可达1 1 0 n u n 整个设备由送气系统、水冷 系统、控制系统和自动焊头组成，其中控制系统集中于控制柜内，如图2 1 所示。 图2 - 1全位置管道焊接操作机 f i g 2 1w e l do p e r a t i n gm a c h i n e 2 1 控制系统总体方案的选择 厚壁管窄间隙全位置焊具有管道直径大、壁厚、焊接工艺复杂、需控制 的参数较多等特点。在设计方案的选择上，只能采用计算机控制系统才能够 保证管道全位置焊接操作机的参数输入和过程控制的需要。目前在工业现场 中应用的计算机控制系统主要分为集中式计算机控制系统和分布式计算机控 制系统两大类，并具有各自的特点和应用领域，结构图分别如图2 2 和图2 3 所示。 哈尔滨理t 大学t 程硕士学位论文 图2 2 集中式计算机控制系统 f i g 2 2c e n t r a l i z e dp cc o n t r o ls y s t e m 图2 3 分布式计算机控制系统 f i g 2 3d i s t r i b u t e dp cc o n t r o ls y s t e m 集中式计算机直接控制系统具有结构简单，便于设计和控制等特点。在 多数情况下，系统中的一台计算机需要“同时”控制多个回路。在一个循环 周期内，计算机将规定的各个回路的运算完成后，生产过程的被控参数还不 会发生显著的变化。所以，集中式控制系统常采用多路开关转换，使各个控 制回路定时地。分享”计算机的各种资源，构成所谓的“分时复用”工作方 式。 分布式计算机控制系统是利用计算机技术、控制技术、通讯技术和图 形显示技术，通过通讯网络将现场控制级、操作控制中心和管理操作站等联 接起来，共同完成分散与集中、控制与管理的工作。分布式计算机控制系统 具有性能价格比高、可靠性高、控制能力强、能方便地实现控制和管理一体 化、可维护性强、扩充性好等优点【3 6 】【3 7 】。 通讯接口 主机( 4 8 6 笔记本计算机) 8 0 c 5 2 单片机 ( 行走) 8 0 c 5 2 单片机 ( x 轴) 8 0 c 5 2 单片机 ( 钨极摆动) l s o c 5 2 8 0 c 5 28 0 c 5 2 l 单片机单片机单片机 l ( 送丝) ( 焊接电流及弧长)( 辅助功能) 图2 4 管道全位置自动焊控制系统结构图 f i g 2 - 4o r b i t a la l l p o s i t i o na u t o m a t i cw e l d i n gc o n t r o ls y s t e mc h a l t 根据分布式计算机控制系统的适用范围及本系统需要控制的参量多和实 窒尘篓矍二查茎三至堡：兰堡鎏苎 时性强以及便于安装和搬运的特点，选择分布式计算机控制系统作为整个系 统的控制方案是合理和可行的。所以，本控制系统采用二级分布式控制系 统，主控单元采用4 8 6 笔记本计算机，负责完成数据输入和管理工作，称之 为主机；各个现场控制单元采用8 0 c 5 5 2 单片计算机，完成各个功能模块的 控制任务，称之为从机。根据本操作机需完成的控制功能和单片机的系统资 源，将操作机的控制功能划分为7 个功能模块，由7 台从机完成。主机与从 机之间采用数字通讯进行信息的交换，控制系统结构如图2 4 所示。 2 2 系统的设计要求 2 2 1 主机系统的设计要求 本操作机允许进行多达9 9 组，每组9 9 道，每道9 级的参数存储，而每 一级多达4 7 个需要输入的数据，总数据量是相当大的。所以，主机的主要 工作应该是数据的管理，以及将控制命令和参数通过通讯接e 1 分别传送给相 应的现场控制单元。因此主机的设计要求如下： 图2 - 5 主机软件结构图 f i g 2 5h o s tc o m p u t e rs o f t w a r es t r u c t u r ec h a r t 1 系统采用汉化菜单进行人机对话： 2 全部数据和命令用鼠标输入和改变，使操作者能很快掌握计算机控 制系统的操作规则，减少人员培训时间，提高效率； 3 具有完善的数据输入、修改和管理功能； 哈尔滨理t 大学t 程硕 学位论文 4 能够在焊前将数据和命令传送到控制级计算机之中，能够在焊接过 程中随时修改有关数据和命令； 5 能够根据命令自动或手动发布进级或进道指令； 6 能够自动判断命令和数据的正确与否，如未进行数据传送时，焊接 开始命令是无效的命令。 根据设计要求，主机程序用c 语言编写，整个软件由数据和控制两大 部分组成，共有1 8 个功能模块，软件结构如图2 5 所示。 2 2 2 各个控制单元的设计要求 本操作机有六个现场控制级计算机和一个远控盒用的计算机，共七个从 属计算机。在六个现场控制级计算机中有五个为控制电机转动，另一个则是 完成辅助工作。根据焊接生产的实际需要，对控制系统的功能和精度提出了 如下要求： 1 x 轴和钨极运动的控制该机构主要完成厚壁管窄间隙封顶焊时焊 枪摆动时的对中调节，以保证焊缝均匀及熔合良好。其控制参数包括：内端 点停留时间，外端点停留时间，中间摆动时间，时间调节范围为o 9 9 s ， 步长为0 1 s ：摆动的幅度( 钨极为角度) 为3 0 m m ( 9 0 。) ，控制精度为 l m m ( 1 。) 。为消除在摆动过程中出现的误差积累，增加一个接近开关作为 控制用的参照点p 4 0 ，在摆动过程中通过判断此参照点的位置确定摆动的 幅度或角度。另外，单片机还利用两外部中断作为x 轴对中调节的极限开 关，当x 轴调节机构碰到两端的极限开关时产生中断，则单片机通过中断处 理程序使焊缝调节机构停止或回走。 2 焊接电流和电压的控制控制焊接电源在焊接开始、结束及焊接过 程中电流输出所要求变化规律波形。 焊接电流要求有起弧电流i s ，延时后进入焊接脉冲电流，一般要求焊 接电流有效值变化在0 5 0 0 a ，步长为1 a ，从机使电流连续可调，调节参 数包括：焊接电流峰值，焊接电流基值，占空比，电流上升时间，电流下降 时间，引弧电流值，引弧时间，同时能检测焊接电流有无，无焊接电流向主 机报警。 在钨极氩弧焊中，弧长是影响焊接质量的重要因素之一，采用从机通 过a d 实现对电弧电压的采样、比较处理后，控制电机的正转或反转，最 哈尔滨理t 大学t 程硕i 哮位论文 终保持弧长( 弧压) 在给定的高度，其中弧压的采集使用霍尔元件进行隔离后 传送给从机。为提高对弧压的控制精度，采用了换档技术即分为8 0 v 和 2 0 v 两档进行控制。 3 行走( 焊接) 速度的控制行走机构要求在焊接前能调整焊枪至顶点 位置；在焊接前能够实现预演功能；在焊接开始和结束时能以步长 2 m m m i n 爬升和缓降，在焊接过程中，保持行走速度的稳定。本从机通过 a d 对行走速度信号的采集、分析和处理，不断调整d a 的输出值以补偿 由于机头位置的不同而带来的重力的变化，以保证行走( 焊接) 速度达到规定 的要求。 4 送丝速度的控制送丝机构可通过现场控制计算机对其送丝速度进 行控制，通过机械装置使送丝与钨极摆动同步，即钨极在摆动过程中不送 丝，钨极停留在窄间隙两侧时送丝，保证焊丝充分熔化，避免送丝干扰电弧 电压，影响弧长调节精度。送丝范围1 2 0 5 0 0 0 m m m i n ，调节步长为 2 0 m m m i n ，控制精度在给定值的l 或+ 2 0 m m 中的最大值。 5 辅助工作的完成辅助现场控制计算机需要完成的工作有，为光学 摄像系统照明用灯的点亮和熄灭、焊接保护气体的送气和停气、超温报警和 自动停机以及紧急故障的自动停机等辅助工作。 6 远控盒的设计远控盒的功能有：焊前焊枪位置的调整和过程预 演；焊中调节焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度等参数，下达焊接 开始、焊接结束和急停指令。 2 3 本章小结 本章通过对比分析集中式计算机控制系统和分布式计算机控制系统的各 自特点，以及管道全位置焊机操作机的工作特点，选择了分布式作为控制系 统。主机采用4 8 6 笔记本电脑，现场控计算机采用8 0 c 5 5 2 单片机。主机共 有1 8 个控制模块，七个单片机分别控制行走、x 轴摆动、钨极摆动、送 丝、焊接电源、远控盒和辅助功能。 哈尔滨理t 大学t 程硕 学位论文 第3 章计算机间的通讯 主机采用4 8 6 笔记本电脑，主要考虑在工作现场便于移动。从机采用飞 利浦8 0 c 5 1 系列中功能最强的8 0 c 5 5 2 单片机。飞利浦8 0 c 5 1 系列单片机是 i n t e l 的8 0 5 1 单片机的增强型产品，硬件的核心是8 0 c 5 1 ( c m o s 的 8 0 c 5 1 ) ，使用同一种c p u ，具有相同的指令系统，存贮器地址空间和寻址 方式，只不过是增加了片内r a m 、r o m 和i o 部件的种类和数量。因此该 系列单片机适合推广应用m l 。 焊接操作机分布式控制系统由一台主机和七台从机组成。在焊接控制过 程中，主机与从机之间、各从机之间要不断的进行指令和数据的交换，而通 讯则是联系整个系统的纽带。数据传输过程的可靠和避免通讯碰撞是分布式 计算机控制系统中重要的问题，也是本控制系统完成全位置焊控制任务的关 键。 在本控制系统中，计算机间的通讯任务可分为两类：主从计算机问数 据、指令的传递和各从机焊接过程中的同步控制。 3 1 通讯系统的硬件组成 主机与从机之间实现通讯的方法有两种，一是并行通讯方式；二是串 行通讯方式。并行通讯方式通讯速度快，但连线复杂，还需要专门的通讯器 件，而串行通讯方式连线简单得多，且主机配有标准r s 2 3 2 串行通讯口， 从机有全双工串行通讯口，无须复杂的系统扩展即可实现双向通讯。故本系 统主机与现场控制级计算机间采用串行通讯，选用2 4 0 0 波特率。系统最大 一次通讯量为主机向各现场控制计算机发送成套的焊接参数，其总数不超过 3 0 0 字节，一次成套参数的传送不超过2 s 。焊前主机发送参数没有严格的时 间要求，焊中进级时间的最小调节单位为5 s ，也就是说两次进级之间有足 够的通讯时间。 系统的通讯网络由主机与现场控制计算机间的串行通讯网络和各现场 控制级计算机之间的同步联络线网络组成，整个通讯网络结构如图3 1 所 示。主机配有标准的r s 2 3 2 c 串行通讯接口，现场控制计算机配有标准t t l 电平的全双工串行口，此串行口配上r s t 2 3 2 芯片就构成r s 2 3 2 c 接口，整 个计算机系统的硬件已经具备了。 哈尔滨理工大学t 程硕i 二学位论文 与 门 辅助功能控制单元 4 8 6 笔记 r s 7 2 3 2 目鍪蓬目r s t 2 5 2 目远控盒 图3 - i 通讯网络结构示意图 f i g 3 1c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t r u c t u r es k e t c hc h a r t 3 2 多机通讯的实现 3 2 1 数据帧的格式 由于控制系统的通讯有随机性，而控制的实时性又要求被呼叫者及时响 应，所以从机通讯采用中断接收方式。而主机由于运算速度很快，可采用实 时查询的接受方式通讯软件设计上采用最常用的多机通讯机理【3 9 j ，即将 传输的通讯数据分为“地址帧”和“数据帧”，格式见表3 1 所示。 表3 - 1 数据格式 1 a b l e3 1d a t af o m l a t 地址帧l 起始位j d o l d l l d 2 l d 3 i d 4 i d 5 i d 6 l d 7 l 1 l 停止位 墼堡堕i 垄塑堡l 旦! i21 l2 ：l2 ：i 些i2 ：l 坠i 旦：l ! l壁! ! 堡 3 2 2 命令帧的格式 由于在通讯的需要，还有一种信息既不是数据，也不是地址，把它定义 为命令，。f f h ”和“f e h ”即为两条命令。“f f h ”为“禁止呼叫指令”， “f e h ”为“恢复呼叫指令”。 3 2 3 多机通讯 初始化时各现场控制计算机的s c o n 控制字中的s m 2 位均设置为 。l ”，主机要与某一从机进行通讯时，先发送从机的地址码，所有的从机均 发生接收中断。当某一从机发现所接收的地址信息与本机地址码相符时，则 步步目4 步始值入出同开峰输输级接、行行 进焊基串串 5 7 6 o n 刚m 丹n 羞票一 哈尔滨理t 大学t 程硕i 。学位论文 置s m 2 为。0 ”，地址不一致的从机则保持s m 2 为“1 ”。接下来主机发送数 据，第9 位为“0 ”，只有s m 2 为“0 ”即地址相符的从机才能接收到命令或 数据，从而实现了主机与从机的一对一通讯。 3 3 通讯协议的制定 由于从机多且指令与参数复杂，通讯有随机性，必须制定严格的，高容 错能力的通讯协议，以保证通讯的准确高效。 3 3 1 通讯碰撞的避免 本系统的从机有主动请求通讯的功能，是典型的主从互控方式的多机通 讯。当主机需要与一台从机进行通讯时，必须防止其它从机干扰。因而设计 主机在一次完整通讯开始时发禁止呼叫指令。f f h ”，通讯结束时发 。f e h ”指令恢复各从机呼叫主机的功能。但这样仍无法绝对防止通讯碰撞 问题：主从碰撞和从从碰撞。本系统处理通讯碰撞的原则是：无碰撞时，不 论主机、从机，以先起呼者为主；主从碰撞以从机为主，因从机呼叫主机是 发生了紧急故障；从从碰撞以从机中服务等级高的为主，如控制弧长的从机 高于辅助从机，因弧长控制中的短路故障远比辅助从机监测到的无丝故障紧 急。 主从碰撞发生在主机欲呼叫某一从机，而同时有从机欲呼叫主机的情况 下，此时以从机为主。主机发出呼叫后，收到非呼叫从机编码，表明发生主 从通讯碰撞，此时主机退出呼叫状态，等待主呼的从机再次呼叫主机。 从从碰撞发生在主机守侯而几台从机同时呼叫主机的情况下，此时主机 接收到的从机地址无外乎三种情况：( 1 ) 正确接收到某一主呼从机地址。 ( 2 ) 接收到的是非法地址。( 3 ) 接收到的是并没起呼的从机地址。 对第一种情况，主机只要命令其它从机禁止呼叫，即可和该从机进入正 常通讯状态。对二、三两种情况，则不回答或回答非起呼从机地址，这样各 主呼从机进入延时状态，等级高的从机延时短，将首先重呼而阻塞其它从机 的呼叫。 哈尔滨理t 大学丁程硕f j 学位论文 3 3 2 容错的实现 由于一些干扰源的存在，通讯中要设计校验环节，通常采用奇偶校验 法。本系统通讯中一帧信息的第9 位用于区别地址和数据，无法进行奇偶校 验。 根据本系统的数据特点，设计采用数据个数、参数类别和异或数三重 校验方式： 图3 2 主机呼叫从机程序流程图 f i g 3 2a c c e s sp r o g r a mc h a r to f h o s t - - c o m n t e rt os u b - c o m p u t e r 图3 - 3 从机呼叫主机程序流程 f i g 3 - 2a c c e s sp r o g r a mc h a r to f s u b - c o m v t e rt oh o s t - c o m p u t e r 哈尔滨理1 = 大学t 程硕i 学位论文 1 主呼者通讯中先发本次通讯的信息量( 字节数) ，接收者记数接受， 一旦发现收到的数据个数与信息量不符，不回送确认信息，等待下一次通 讯。 2 在从机接到主机发来的控制指令或焊接参数后，经核对如果发现编 码与本机功能不符，不回送确认信息，等待下一次通讯。 3 主呼者通讯中将发出的指令和参数逐一异或，接收者将收到的指令 和参数也逐一异或，然后与收到的异或数字节核对，不一致则要求主呼者再 发一遍。编程实现上述协议，呼叫过程见框图3 2 和3 3 所示，应答过程与 之对应。 3 4 本章小结 1 设计了一台主机与七个现场控制计算机之间的数据通讯硬件电路， 经调试满足了系统的要求。 2 通过所制定的串行通讯数据格式，实现了多机通讯。 3 通过给定不同的优先级方法，避免了多机通讯时的碰撞问题。 4 通过数据个数、参数类别和异或数三重校验的方法，提高了系统的 容错能力，保证了数据传输的正确性。 哈尔滨理t 大学t 程硕t 学位论文 第4 章主机功能的实现 由2 2 1 可知主机的操作系统由数据系统和控制系统组成。本操作系统 采用c 语言进行编程，因为c 语言既有高级语言丰富的控制结构和简洁的 表达能力，又有类似汇编语言的数据类型，所以，选用c 语言作为开发工 具是理所当然的【帅】为使界面美观，采用图形方式进行编程，c 语言中含 有大量的图形函数，利用这些函数，可以在屏幕上画出各种各样的图形 【4 1 1 。 4 1 主机的数据系统 主机的数据系统界面见图4 1 所示， 数数据操作，包括数据建立、数据查询、 工艺信息修建和查询等几方面。 其各功能模块主要完成焊接工艺参 数据删除、数据复制、数据备份、 图4 - 1 主机的数据系统界面 f i g 4 - 1d a t as y s t e mi n t e r f a c eo f h o s tc o m p u t e r 4 1 1 焊接参数的数据结构 如图4 - l 所示，欲完成整个焊接过程，需要4 7 个焊接参数，在本控制 兰釜堡矍三奎兰三堡堡! ：竺兰兰。，。一 系统的软件中，采用c 语言编制程序，焊接参数的数据类型使用c 语言中 的结构定义如下，各参数因其使用范围的限制，