（材料加工工程专业论文）钢管对接tig自动弧焊专机plc控制系统的开发.pdfVIP

中文摘要 中文摘要 电站锅炉的主体部分( 如膜式壁、过热器、再热器、省煤器等) 均是由管子组成的。 因此，钢管的焊接是锅炉制造的核心技术之一。可以说，电站锅炉制造质量在很大 程度上取决于钢管焊接的质量。作为一种优质的焊接工艺，1 1 g 焊在焊接领域得到 了广泛使用。随着工业自动化控制技术的发展，如何可靠控制t i g 焊接工艺过程， 己成为当代工业发展追求的目标。 钢管对接t i g 自动焊接专机由主机、t i g 焊机、气动系统、控制系统四部分组成。 根据t i g 管子对接焊的控制时序和工艺流程，采用了日本三菱公司的q 0 2 h c p u 系 列的p l c ，设计了一套基于可编程序控制器的钢管对接t i g 自动弧焊专机的p l c 控 制系统。该控制系统由控制柜及控制台二部分组成。控制柜内有一套p l c ( 含c p u 、 控制模块，扩展模块及a d ，d a ，o i 等模块) 、五套交流伺服驱动器、一套交流变 频器、焊接控制电路等部分组成。控制台面板上放置触摸屏及操作按钮，该系统能 实现对外部信号的采集、人机对话，设定、显示焊接程序、参数、运动状态以及控 制焊接过程的弧长( a v c ) 及焊枪摆动等动作。 通过现场调试及客户使用表明，p l c 控制系统硬件抗干扰能力强、维护简单、可 靠性提高，软件能满足钢管对接t i g 焊工艺过程控制要求，整个系统实现了钢管对接 t i g 焊工艺过程的机械化、自动化控制，对提高及稳定焊接质量具有极其重要的意义。 关键词：钢管对接；t i g 自动焊；p l c 控制系统；a v c 闭环控制；时序控制；p i d 算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i np a r to fp o w e r p l a n tb o i l e r ( s u c ha sd i a p h r a g mw a l l ，s u p e r h e a t e r , r e h e a t e r , e c o n o m i z e r , e t c ) a r ec o m p o s e db yt h et u b e t h e r e f o r e ，t h es t e e l p i p ew e l d i n g i so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yo fb o i l e rm a n u f a c t u r e r s i tc a nb e s a i dt h a tt h eq u a l i t yo fp o w e rp l a n tb o i l e rm a n u f a c t u r e r , t oal a r g ee x t e n t d e p e n d so nt h eq u a l i t yo fs t e e lp i p ew e l d i n g a sah i 曲- q u a l i t yw e l d i n g p r o c e s s ，t i gw e l d i n gi nt h ef i e l do fw e l d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d w i t ht h e i n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，h o wt or e l i a b l y c o n t r o lt h et i gw e l d i n gp r o c e s s ，h a sb e c o m et h ec o n t e m p o r a r yi n d u s t r i a l d e v e l o p m e n tg o a l t h es t e e lt u b eb u t ta u t o m a t i ca r cw e l d i n gm a c h i n ei sc o m p o s e do fm a i n m a c h i n e ，t i gw e l d e r , p n e u m a t i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mf o u rp a r t s a c c o r d i n gt oc o n t r o lo ft i m i n ga n dp r o c e s s ，u s eo fj a p a n s m i t s u b i s h i c o r p o r a t i o nq 0 2 h c p us e r i e so fp l c ，h a sd e s i g n e dap r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e rb a s e do nt h es t e e lb u t tw e l d i n gm a c h i n ea u t o m a t i ct i gp l c c o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft w oc o n t r o lc a b i n e ta n d c o n s o l ep a r t s c o n t r o li n s i d eap l c ( i n c l u d i n gc p u ，c o n t r o lm o d u l e s ， e x p a n s i o nm o d u l e sa n da d ，d a ，o ia n do t h e rm o d u l e s ) ，f i v es e t so f a cs e r v o d r i v e s ，f r e q u e n c yc o n v e r t e r , s u c h a sas e to fc o m p o n e n t s c o m m u n i c a t e p l a c e do nc o n s o l ep a n e la n dt o u c hs c r e e nb u t t o n s ，t h es y s t e m c a na c h i e v ea ne x t e r n a ls i g n a lt ot h ec o l l e c t i o n ，m a n - m a c h i n ed i a l o g u e ， s e t t i n g ，s h o wt h ew e l d i n gp r o c e s s ，p a r a m e t e r s ，s t a t u sa n dt h ee x e r c i s eo f t h e a r cw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o l ( a v c ) a n dt o r c hs w i n g i n gm o t i o n ，e t c t h r o u g ho n s i t ed e b u g g i n ga n di n d i c a t e st h a tc u s t o m e r su s e ，p l cc o n t r o l s y s t e m h a r d w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , e a s ym a i n t e n a n c e ，i m p r o v e r e l i a b i l i t y , t h e s o f t w a r ec a nm e e tt h et i gw e l d i n gs t e e ld o c k i n gp r o c e s s c o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，i m p l e m e n t a t i o no ft h ee n t i r es y s t e mt i gw e l d e ds t e e l d o c k i n gp r o c e s s o fm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o nc o n t r o l ，t oi m p r o v e w e l d i n gq u a l i t ya n ds t a b i l i t yi se x t r e m e l yi m p o r t a n t a b s t r a c t k e yw o r d s ：s t e e lp i p eb u t t ；t i ga u t o m a t i cw e l d i n g ；p l cc o n t r o ls y s t e m s ； a v c c l o s e d - l o o pc o n t r o l ；s e q u e n t i a lc o n t r o l ；p i da l g o r i t h m i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：- 蠹豳荦业卜日期：二丛乒已乞星一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：毅蔓挚型卜日期：二趁雩乙上型l 导师签名： 吴盂生 日期： 2 1 鱼2 ：鱼：鲨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统是由太原科技大学焊接教研室和北京中 电华强焊接技术有限公司共同研发的一个技术项目。 电站锅炉的主体部分( 如膜式壁、过热器、再热器、省煤器等) 均是由管子组成 的。因此，管子的焊接是锅炉制造的核心技术之一。可以说，电站锅炉制造质量， 在很大程度上取决于管子焊接的质量。本课题所研发的焊机是用于把短管接长至需 要的长度，采用钨极氩弧焊工艺，以获得全熔透，高质量的焊缝。 目前只有国外的瑞士f s a b 公司，德国产e u r o m a 公司和日本三菱重工公司成功研 发的钢管对接t i g 自动焊机成功上市，并取得了良好的经济回报，从社会效益来说我 们研发成功后，可以填补此类设备国内空白，有助于提高我国焊接专机行业的技术 水平。从经济效益来说我们研发成功后，可以借住技术和价格的优势，迅速占领国 内市场和国际市场，取得巨大的经济效益。 1 2 国内外焊接装备制造业的发展概况 1 2 1 国内焊接装备制造业的发展水平 我国的焊接装备制造业与通用焊接设备相比起步较晚。上世纪5 0 - - - , 6 0 年代，我 国重点工业企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进。部分由使用厂自行设计制造， 到了7 0 年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成 立了成套焊接设备厂，“六五 期间原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我 国第一家具有批量生产能力，制造专用焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入8 0 年代以来，随着我国焊接装备需求量的急速增长，各地相继成立了多家中小型焊接 装备生产厂。迄今，我国已有1 0 多家持续稳定生产焊接装备的企业，某些企业已具 有较大的规模，如无锡阳通机械设备有限公司，成都焊研威达自动焊接设备有限公 司，唐山开元自动焊接系统有限公司和无锡华联焊割设备厂，上列企业年销售额均 已超过1 0 亿人民币。2 0 0 4 年我国焊接装备制造业的总产值预计将超过1 0 亿人民 币。 近年来，我国焊接装备制造行业有了长足的进步。焊接装备的成套性、自动化 程度、制造精度和整体质量明显提高，其应用范围正逐步扩大，尤其是我国制定了 拉动内需的政策以后，焊接装备制造业加快了发展的速度。尽管在我国，焊接装备 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 的年总产值不足1 2 亿元，但对我国焊接结构行业的技术进步却起着举足轻重的作用。 可以预计，今后1 0 年内，随着世界制造业中心逐步向中国转移，我国的传统制造业 必将按照现代化的标准加快技术改造。大量采用高度自动化的加工设备和焊接装备 是工业现代化的必然趋势，并将促进我国焊接装备制造业发生根本性的变革。 特别是进入新世纪以来，我国焊接结构制造业引人注目的发展动向是规模化、 大型化、高参数化和精密化，其中包括1 0 0 0 m w 以上的火力，水力和核能发电设备， 年产6 0 万吨以上的化工炼油装置，年产1 0 0 0 万吨以上的煤液化装置，1 0 万吨级以 上的远洋货轮和油轮，各类冶金和重型机械、航空航天工程、大型及高层建筑结构、 大跨度桥梁、跨省跨国输油输气管线、海洋建筑、大型客车和高速铁路车辆等。2 0 0 4 年我国焊接结构的钢耗量将突破1 亿吨，居世界首位。为实现上述发展目标：对焊 接装备的技术特性和质量提出了愈来愈高的要求，迫切需要各种高性能、高精度、 高度自动化和集成化的先进焊接装备。例如我国某大型企业从瑞典e s a b 公司引进了 1 2 5 l o m 的超大型立柱横梁式焊接操作机及其配套设备。另一家企业亦从e s a b 公 司引进了机头z 向自动跟踪最大行程为2 m 的特种大型焊接操作机，用于椭圆形壳体 的t i g 自动焊，此外还有不少企业从国外引进类似的大型自动化焊接装备，2 0 0 8 年 从国外进口自动化焊接装备的总合同额近2 亿美元。 但从整体的技术水平来看，我国的焊接制造业与先进国家同行业相比，尚有较 大的差距。产品的技术特性和质量还未达到质量先进的水平。尽管我国每年生产的 焊机达3 0 多万台套，但大部分是普通型的，对新型高性能的焊接设备的开发速度相 对较慢。每年我国仍需从境外进口较多的先进焊接设备，进口总值和国内焊机的生 产总值大致相当。这主要是我国的电焊机厂数量多，但规模较小，还没有形成大规 模的企业集团。我国有4 0 家主要电焊机厂，而全国焊接设备厂多达近千家。除了一 些较大的国内厂家具有一定的开发能力和几家合资或独资企业主要依靠外国母公司 的技术以外，大部分焊接设备厂缺乏强劲的开发高性能、新产品的实力。目前领导 我国电焊机行业的主要是少数几家合资企业，外国技术占有主导地目前，国内除北 京中电华强公司、哈焊所和北京时代集团等少数公司一直在不断研发少量新品种和 新技术如双丝窄间隙、多丝、焊缝c c d 图像自动跟踪、计算机控制等技术外，其余 多数生产企业还处于重复仿制老设备的阶段，产品的技术含量低，控制精度差，只 适合用于对焊接指标要求较低的场合 1 。 以t i g 焊机中核心的控制电路部分为例，绝大多数国产设备，该部分仍使用简单 的分立元件( 如单结晶管作为触发调速) 或模拟电路组成，连单片微处理器都很少应 2 第一章绪论 用，只具有基本的控制功能，谈不上高性能，更没有智能化，数字化 2 。从控制方 式上讲，多数使用简单的比例闭环反馈，没有使用p i d 或更复杂的模糊、模糊p i d 或 专家控制等先进算法，这就决定了其焊接效果不可能很好。 欧美等发达工业国都把机器人用于焊接作为一个主要研究方向，从焊接机器人 诞生到现在，已经历了示教再现、离线编程、自主编程等三个阶段。弧焊机器人是 典型的机电一体化高科技产品，与专用设备相配合使用，具有功能强大、操作简便、 自动化程度高等特点，在人类难以直接作业的特殊场合，发挥了极其重要的作用。 在我国，弧焊机器人技术的研究虽然已有2 0 多年历史，特别是近年来融合国内外成 热技术得到了迅速发展，走向了实用化阶段，但国内的焊接机器人还仅仅停留在试 验阶段，其研究仍是大专院校和科研院所唱主角，并未普及到一般的焊接设备生产 企业。 1 2 2 国外焊接装备制造业的发展水平 为提高生产率、降低工人劳动强度，国外焊接生产机械化、自动化已达到很高程 度，而我国手工焊所占比例却很大。按焊丝与焊接材料的比来计算机械化、自动化 的比例，2 0 0 1 年日本为8 0 6 ，西欧为7 4 ，美国为7 1 ，2 0 0 2 年我国为2 3 e 3 。计算 机在焊接生产工艺中的应用在国外比较普遍，既可用于焊接过程规范参数的控制， 还可用于整条生产线、焊机的群控，还可根据材料厚度自动选择、预置焊接规范， 对焊接过程实现自适应控制、最佳控制和智能控制。日本生产的微处理控制的焊机， 具有电流、电压、弧坑处理、焊丝直径选择等9 0 多种规范参数的存储和再现功能， 美、德、法等国家生产了许多由计算机控制的焊机和生产线，并建立了焊接专家系 统。我国计算机在焊接中的应用工作起步较晚，经“九五”期间的研制，取得了很 好的进展，但很多没有达到生产实用的水平，与国外相比，相差甚远，这也是今后 提高焊接技术水平、实现机械化、自动化的课题之一。 国外先进焊接装备普遍具有如下几个特点： ( 1 ) 具有专门为焊接开发的微处理器控制系统，结构复杂，功能繁多，较多的使 用了1 6 、3 2 位的c p u ，很多则使用了d s p ( 数字信号处理器) 技术，更有甚者，使用了 含有本公司专利技术的订制芯片，其主要目的是为了提高运算速度，实现先进的控 制算法。 ( 2 ) 具有丰富的人机对话内容，操作人员可以输入很多焊接相关参数，适应各种 应用场合，并且参数可以保持很多组，随用随调。 ( 3 ) 电源采用逆变技术，降低制造成本，提高电源转换效率，高效节能，减小体 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 积和重量，并具有很好的控制特性，输出功率范围宽广 4 。 ( 4 ) 带有通讯接口，一般是r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口或以态网，可以与工作站进行数 据交换，方便工艺管理和操作；另一个方面，可以与焊接专家系统构成一个功能更 加强大、完善的焊接系统。 ( 5 ) 伺服系统采用新技术，如伺服电机、步进电机、变频器技术。 ( 6 ) 高新技术不断投入实用。如焊接区域图像传感、c c d 焊缝自动跟踪、双面t i g 焊接等高科技术日趋成熟。 1 2 3 焊接装备制造业的发展趋势 世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程数字化、自动化、智能化 控制为特征。由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术成果 的不断涌现，必将推动焊接技术更新发展。人工智能等信息科学领域的新进展将进 一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段。 纵观世界焊接装备制造业当今的发展趋势，可以概括为如下几个特点： ( 1 ) 高精度、高质量、高可靠性如焊接机器人配套的焊接变位机，最高的重复 走位精度为0 5 m m ，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为0 1 m m ，移动速度的 控精度为0 0 5 m m 。 ( 2 ) 数字化、集成化和智能化控制焊接过程的数字化控制比传统的金属切削加工 要复杂得多，必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件在焊接过 程中的热变形。采用各种高级别传感技术，开发先进的自适应控制系统，才能实现 焊接过程的全自动化，某些形状复杂和质量要求高的焊件，必须采用智能化的计算 机软件控制。 ( 3 ) 大型化和组合化如重型厚壁容器焊接中心，集装箱外壳整体组装焊接中心， 汽轮机导流隔板柔性制造系统，箱形梁焊接生产线，机车车箱总装组焊中心等。某 些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。焊接操作机、配套焊件变位机械、 搬运机械和传输辊道组合联动形成制造系统或焊接生产线。 ( 4 ) 多功能化为发挥大型自动化焊接装备的效率，通常设计成适用于多种焊接方 法和焊接工艺，如单丝、多丝t i g 焊、单丝双丝窄间隙焊，m i g m a g 焊和带极堆焊等。 ( 5 ) 管控一体化即通过企业的局域网，利用c a d c a m c a e c a p p p d m 等计算机软 件，将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制，实现脱机编程远程监控，诊断 和检修。 4 第一章绪论 1 3tig 自动焊机的发展概况 钨板氩弧焊是使用纯钨或活化钨( 钍钨、铈钨) 为电极的氩气保护焊，简称t i g 焊，也称为非熔化极氩弧焊。如图1 - 1 所示，焊接时，从焊枪喷嘴中喷出的氩气流， 在电弧区形成严密的保护气层，将电极和金属熔池与空气隔绝。同时利用电极( 钨极 或焊丝) 与焊件之间产生的电弧热量，来熔化附加的填充焊丝或自动给送焊丝及基本 金属，待液态熔池金属凝固后即形成焊缝 4 。 由于氩气是一种惰性气体，被焊金属中的合金元素不会氧化烧损，使焊缝金属 不易产生气孔。同时，氩气对电弧和熔池的保护是有效和可靠的，可以得到较高的 焊接质量。 l ( a ) 钨极氩弧焊 ( b ) 熔化极氩弧焊 图卜1 氩弧焊示意图 f i g 1 - 1t i gd i a g r a m 1 3 1tlg 焊的特点 ( 1 ) t i g 焊的金属材料在品种和数量上实际上是不受限制的，它们在形状和形式、 面积和其它尺寸、结合强度和使用性能上有许多特点，这一切决定了t i g 焊接技术在 金属材料的焊接中有许多卓越成效的应用。 ( 2 ) a r 是最稳定的惰性气体之一，保护效果好。气保护代替了渣保护，焊缝干 净无渣。惰性气体氩在熔池和电弧周围形成一个封闭气流，有效的防止外界有害气 体的侵入，从而获得高质量的焊接接头。 ( 3 ) t i g 焊电弧受氩气流的压缩和冷却作用，电弧集中，可保证焊缝根部焊透， 接头热影响区小，焊件变形及裂纹倾向小。特别适用于焊接空淬倾向大的钢材。 ( 4 ) a r 不溶于金属，不与金属发生反应，故一般不会出现合金元素烧损。t i g 焊 缝特别纯净，所焊钢管接头管内无焊渣。焊缝质量比氧乙炔气焊及焊条电弧焊都好。 ( 5 ) 明弧焊接，熔池清晰可见，操作容易掌握，易实现自动化。 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 ( 6 ) 氩气流对焊接区域又冲刷作用，使焊接接头冷却速度加快，可以改善接头 的组织和性能，并能减少焊件焊后残余变形。 ( 7 ) a r 是单原子气体，热容量小，导热效率低，热量消耗少，对电弧稳定燃烧 十分有利，即使在小电流和长弧的条件下，电弧仍很稳定，操作方便，焊缝质量容 易控制，适用于小径钢管难焊位置的全位置焊接。 1 3 2tig 焊在生产中的应用 在工业生产中，t i g 焊这种传统的弧焊方法早在上世纪4 0 年代己得到实际的应 用。t i g 焊虽然被公认为一种优质的焊接方法，但由于其工艺方法本身及早期焊机技 术特性的不够完善，应用范围受到了很大的限制。近2 0 年来，为充分挖掘t i g 焊方法 的潜在优势，有关单位进行了广泛深入的探索性研究，特别是晶体管逆变技术、微 电子控制器件、微处理机、数字信号处理器和计算机软件技术在t i g 焊机中的成功应 用，全面提升了t i g 焊方法和t i g 焊机的技术特性，不仅大大提高了焊接参数的控制 精度，扩展了焊机的工艺适应性，而且还赋予了各种特殊的功能，使传统的直流t i g 焊工艺方法演变成诸如低频直流t i g 焊、高频直流t i g 焊、工频交流方波t i g 焊和热丝 t i g 焊等先进的焊接方法，从而使这种焊接方法成为各重要制造工业部门焊接高质 量、精密部件、不锈钢、铝及其合金、钦及其合金等材料不可缺少的现代加工手段。 国内以北京中电华强公司所为行业代表约有近1 0 家主要焊接设备制造企业在生 产各种形式的t i g 焊接设备，如钢管对接t i g 焊接专机、全位置自动t i g 焊专机，内孔 t i g 自动焊专机机等。 1 。4 焊接自动化设备控制系统的概述 在经济全球化的今天，市场竞争十分激烈，各焊接相关的工业制造部门迫切需 要提高生产效率，降低生产成本，不断提高产品质量。其中最根本的解决方案是实 现焊接生产过程的全面自动化，所以高效的焊接自动控制系统的问世顺应了工业现 代化的客观需要，是焊接生产过程全面自动化发展的必然结果 5 。 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。 焊接过程是一个复杂的机电、物理、化学过程，其过程控制和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。其中具有普遍意义的是，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 l c 控制系统优越的数据处理功能和良好界面用 6 第一章绪论 于焊接工艺参数的输人和管理，而用体积小、性价比高的p l c 控制系统做焊接过程的 实时控制。 1 4 1 继电器控制系统 在焊接自动化焊接设备中，早期应用的控制系统主要是由传统的继电器逻辑控 制系统。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统( 又称输入回路) 和被控制 系统( 又称输出回路) ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去 控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电 路等作用。继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关， 在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离 散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用 的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电 子设备和机械设备的接口作用 6 。 最常见的继电器要数热继电器，通常使用的热继电器适用于交流5 0 h z 、6 0 h z 、 额定电压至6 6 0 v 、额定电流至8 0 a 的电路中，供交流电动机的过载保护用。它具有差 动机构和温度补偿环节，可与特定的交流接触器插接安装。 时间继电器也是很常用的一种继电器，它的作用是作延时元件，通常它可在交 流5 0 h z 、6 0 h z 、电压至3 8 0 v 、直流至2 2 0 v 的控制电路中作延时元件，按预定的时间 接通或分断电路。可广泛应用于电力拖动系统，自动程序控制系统及在各种生产工 艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。 在控制中常用的中间继电器通常用作继电控制，信号传输和隔离放大等用途。 此外还有电流继电器用来限制电流、电压继电器用来控制电压、静态电压继电器、 相序电压继电器、相序电压差继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器、 接地继电器、电动机保护继电器等等。正是有了这些不同类型的继电器，我们才有 可能对不同的物理量作出控制，完成一个完整的控制系统。 除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能 保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的， 它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源， 便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于 各类交流电动机、开关柜、配电箱等电器设备的安全保护和限电控制，是各类电器 设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的 双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子 7 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 产品。而其真正的原理还是继电器技术。 1 4 2 单片机控制系统 单片机在控制系统中的应用是越来越广泛。单片机控制系统是以单片机( c p u ) 为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过 程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具 有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三， 具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测 量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型 7 。 单片机控制系统总体方案的设计，确定单片机控制系统总体方案，是进行系统 设计最重要、最关键的一步。总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实 施细则。总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。设计方 法大致如下：根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或 者是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数 的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。选择执行机构，执行机构是 微型机控制系统的重要组成部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算法匹配， 另一方面要根据被控对象的实际情况确定。选择输入输出通道及外围设备。选择时 应考虑以下几个问题：被控对象参数的数量；各输入输出通道是串行操作还是并行 操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何 要求；画出整个系统原理图。 单片机控制系统中控制算法的选用一般有： ( 1 ) 直接数字控制 当被控对象的数学模型能够确定时，可采用直接数字控制。所谓数学模型就是 系统动态特性的数学表达式，它表示系统输入输出及其内部状态之间的关系。一般 多用实验的方法测出系统的特性曲线，然后再由此曲线确定出其数学模型。现在经 常采用的方法是计算机仿真及计算机辅助设计，由计算机确定出系统的数学模型， 因而加快了系统模型的建立。当系统模型建立后，即可选定上述某一种算法，设计 数字控制器，并求出差分方程。计算机的主要任务就是按此差分方程计算并输出控 制量，进而实现控制。 ( 2 ) 数字化p i d 控制 由于被控对象是复杂的，因此并非所有的系统均可求出数学模型，有些即使可 以求出来，但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，因此很难进行直接数 8 第一章绪论 字控制。此时最好选用数字化p i d ( 比例积分微分) 控制。在p i d 控制算法中，以位 置型和增量型2 种p i d 为基础，根据系统的要求，可对p i d 控制进行必要的改进。 通过各种组合，可以得到更圆满的控制系统，以满足各种不同控制系统的要求。例 如串级p i d 就是人们经常采用的控制方法之一。 所谓串级控制就是第一级数字p i d 的输出不直接用来控制执行机构，而是作为 下一级数字p i d 的输入值，并与第二级的给定值进行比较，其偏差作为第二级数字 p i d 的控制量。当然，也可以用多级p i d 嵌套。 1 4 3p l o 控制系统 p l c 英文全称p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，中文全称为可编程逻辑控制器， 定义是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。p l c 在二十 世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，从2 0 0 0 年开始，在焊接领域中也已经开 始了广泛的应用。p l c 以c p u 为核心，结构模块化，集成度高，输出口带载能力强， 可省去众多中间继电器，因此系统结构简单，故障率低，寿命长，维修容易。再者， 采用大量抗干扰措施，故系统可靠性强；灵敏度高，控制能力强，各工艺程序时间 参数可准确控制和调整；采用梯形图编程，编程及修改程序容易，灵活性强，操作 方便；系统除具有顺序控制、运动控制、过程控制功能外，还具有检测功能以及保 护、报警功能。有利于焊接质量的监控及设备的保护 8 。 ( 1 ) p l o 的特点 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技术， 采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的f 系列p l c 平均无故障时间高达3 0 万小时。从p l c 的机外电路来 说，使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接 点己减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬件故障自我 检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外 围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设备也获得故障自诊断保 护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2 ) 配套齐全，功能完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种 规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的数据运算能 力，可用于各种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现，使p l c 渗透到了位 9 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 置控制、温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信能力的增强及人机界面技 术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易 9 。 3 ) 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程 语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图 相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功 能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制 打开了方便门。 4 ) 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设 计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过 改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5 ) 体积小，重量轻，能耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于l o m m ，重量小于1 5 0 9 ，功耗几 瓦。由于体积小容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 ( 2 ) p l o 的应用 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下 几类 1 0 。 1 ) 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如 注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 2 ) 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速 度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( a n a l o g ) 和 数字量( d i g l t a l ) 之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套的a d 和d a 转换模 块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3 ) 运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如 1 0 第一章绪论 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要p l c 厂家的 产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4 ) 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法。大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有此功能 模块。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅 炉控制等场合有非常广泛的应用。 5 ) 数据处理 现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算：逻辑运算) 、数据传送、数据 转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据 可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能 传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无 人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一 些大型控制系统。 6 ) 通信及联网 p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发 展，工厂自动化网络发展得很快，各p l c 厂商都十分重视p l c 的通信功能，纷纷推出 各自的网络系统。新近生产的p l c 都具有通信接口，通信非常方便。 1 4 4 钢管t i g 对接自动焊机控制系统的选择 ( 1 ) t i g 焊对控制系统的要求 电弧焊接过程中包括引燃电弧、焊接和熄弧三个阶段，若要实现焊接过程自动 化，则三阶段的动作必须通过自动控制系统来完成。 对于引弧，一般有两种方式，即滑擦引弧和反抽引弧，均是先使焊丝与焊件接 触短路，然后自动回抽焊丝或前移，引燃电弧。 电弧引燃后，要求焊机能自动按预先选定的焊接工艺参数，如焊接电压、焊接 电流、焊接速度等进行焊接，并能够保证这些参数在整个焊接过程中稳定。 焊接即将结束时，要求焊机能先停止送丝，再切断焊接电源( 熄弧) ，然后再停 止送气，这样即能填满弧坑，又可以防止焊丝与焊件粘住。 显然，引弧和熄弧的自动过程比较简单，容易实现。保证焊接工艺参数稳定， 却困难和复杂，因为实际生产中受到许多因素干扰使工艺参数发生变化。 钢管对接t i g 自动弧焊专机p l c 控制系统的开发 焊接电流是直接影响焊缝成型的主要工艺参数，在t i g 焊接过程中它的主要变化 是由电弧弧长变化引起，而弧长变化多是受诸如电网电压波动、焊件表面起伏不平、 焊接接头坡口加工不规则、在焊道上有定位焊点的存在等外界因素所干扰，而这些 因素在实际生产中往往不可避免。因此，保持弧长稳定成为实现t i g 焊接自动控制的 关键。于是要求在焊接过程中当干扰引起弧长变化时，t i g 焊机能自动调整，使弧长 立即恢复到原来的长度 5 。 目前，多数t i g 自动焊机均采用变速送丝的电弧电压自动调节系统 1 1 。这一系 统原理如图1 - 2 所示。 u g - - 一 图卜2 电弧电压自动调节系统原理 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo fa r cv o l t a g ec o n t r o l i n gs y s t e m 这是一种借助电弧电压来控制焊丝送进速度的自动调节系统。当外界干扰使弧 长发生变化时，电弧电压也随之变化。假设电弧变长，则弧压升高，这时系统将加 快送丝速度：若电弧变短，则弧压减小，系统就强迫送丝速度减慢，从而使弧长干扰 得到补偿，恢复原来的电弧长度。这是一种以电弧电压为被调量，以送丝速度为操 作量的闭环控制系统，实际是电压闭环反馈控制系统。大量实践表明，采用常规的 p i d 调节就可以很好的满足系统的精度和稳定度。 由于在上述整个调节过程中，送丝速度是随电弧电压的变化而变化，故称为变 速送丝系统。这种系统适用于细焊丝，低电流密度的t i g 自动焊接。 通常，变速送丝式t i g 自动焊接采用陡降外特性的弧焊电源，类似于恒流特性。 这样，焊接电流的调节是通过电源本身的电流值给定；焊接电压是通过调节整个闭 环系统的给定电压u g 来实现的 4 。 ( 2 ) 钢管t i g 对接自动焊机选择p l c 控制系统的依据 钢管t i g 对接自动焊专机的自动控制系统既可选用单片机也可是利用可编程控 制器( p l c ) 。p l c 是一种工业专用计算机，输入量可以直接为按钮或触点开关量，输出 口带载能力较强，可直接驱动电磁阀或继电器。因此，系统连线简单，省去众多的触点 1 2 第一章绪论 控制环节。同时，也是由于它的通用性强( 系列化、模块化、软件编程) 、可靠性高、 抗干扰能力强、环境适应性好等优点。单片机控制系统由于其对工作环境要求高，且 编程复杂，必须具有一定的专业知识，对操作人员要求较高，推广性差。传统的继电器 逻辑控制系统由于其体积大、接线复杂、故障率高、己逐渐被淘汰。所以，现在的钢 管t i g 对接自动焊机的控制系统中绝大多数使用p l c 作为控制系统 1 2 1 。 1 5 本论文主要研究内容 针对钢管对接t i g 自动焊机所要达到的技术要求，本论文主要研究以下几个方 面的内容： ( 1 ) t i g 钢管对接自动焊接设备结构组成。 ( 2 ) 焊接电压、电流采样信号电路设计。 ( 3 ) 电流递增及衰减电路的设计。 ( 4 ) p l c 控制焊接参数及程序，采用触摸屏进行人机对话，设置、存储、调用。 ( 5 ) p l c 中模拟量的采集与数据处理。闭环控制程序实现及p i d 算法应用、参数 的设定。 ( 6 ) 交流伺服实现对回转、摆动、a v c 以及送丝的精密控制。 ( 7 ) a v c 系统实现t i g 焊时弧长的自动调整。 ( 8 ) t i g 钢管对接自动焊的工艺试验及调试 1 3 。 第二章钢管对接t 1 0 自动焊接专帆的开发方案 第二章钢管对接t 1 g 自动焊接专机的开发方案 21 钢管对接t ig 自动焊接专机总体设计方案 根据钢管对接现场焊接的特点，钢管对接t i g 自动焊接专机由主机、t i g 焊机 气动系统、控制系统四部分组成，结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 钢管对接自动弧焊机 f i 9 2 - ls t e e l t u b e b u t ta u t o m a t i ca r c w e l d i n g m a c h i n e 21 1 主机 机床式的主机包括床身和焊枪架两部分。 ( 1 ) 床身 由一个交流伺服电机经齿形链驱动两个床头箱主轴同步转动。气动定位档块位 于两床头中间，用作两侧管子的端面定位。床身的电动升降机构位于床身下方，由 电机驱动偏心机构，调整床身主轴孔的中心高，以满足不同直径管子的焊接要求， 调整好后