閆 哲， 茍世峰， 薛康利， 王恒陽

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 輸送管公司， 陜西 寶雞721008）

1 精焊系統(tǒng)介紹

預(yù)精焊工藝螺旋埋弧焊管生產(chǎn)線中的精焊機(jī)組電氣控制系統(tǒng)（以下簡稱精焊系統(tǒng)） 的設(shè)備按照功能可分為驅(qū)動系統(tǒng)、 焊接系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)。

驅(qū)動系統(tǒng)以西門子S7－300PLC 為控制核心，西門子S120 變頻器和伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 通過Profibus-DP 通訊傳遞數(shù)據(jù)， 并結(jié)合相關(guān)傳感器完成精焊過程中驅(qū)動系統(tǒng)的自動控制。

焊接系統(tǒng)以XM 控制器為核心， Power Wave 1000SD 焊機(jī)驅(qū)動電弧， XM 控制器通過CAN 總線協(xié)議傳遞過程數(shù)據(jù)給PWI 控制器， 再轉(zhuǎn)換為林肯專有ArcLink 通訊協(xié)議對焊機(jī)進(jìn)行控制， 并結(jié)合自動跟蹤系統(tǒng)， 通過S7－200PLC 作為驅(qū)動系統(tǒng)與焊接系統(tǒng)的信號交接站， 完成鋼管的自動焊接。

跟蹤系統(tǒng)以SLS50LR V1 激光傳感器為檢測單元， 通過BASLER acA1300－30gc 相機(jī)檢測激光條紋結(jié)合軟件算法分析出焊縫位置， 再通過CAN 總線技術(shù)， 將數(shù)據(jù)發(fā)送給META 焊接模塊，焊接模塊分析后再將數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的x 軸、 z 軸焊接模塊， 然后驅(qū)動伺服控制器控制機(jī)頭做出相應(yīng)的動作， 實(shí)現(xiàn)焊縫的自動跟蹤， 并將跟蹤狀態(tài)通過CAN 通訊發(fā)送給焊接系統(tǒng)， 以便于跟蹤到故障時焊接系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2 焊接系統(tǒng)分析

焊接系統(tǒng)由數(shù)字化Power Wave 1000SD 焊機(jī)、 MAXsa19 送絲控制器、 MAXsa29 送絲控制器、 XM 控制系統(tǒng)組成。

2.1 焊接系統(tǒng)構(gòu)成

內(nèi)焊焊接系統(tǒng)是由4 臺林肯Power Wave 1000SD 焊機(jī)、 3 臺MaxSa19 送絲控制器和3 臺MaxSa29 送絲控制器組成的三絲焊接系統(tǒng)， 其中一絲由2 臺Power Wave 1000SD 焊機(jī)并聯(lián)驅(qū)動， 額定焊接電流2 000 A， 二絲和三絲分別由1 臺Power Wave 1000SD 焊機(jī)驅(qū)動， 額定焊接電流為1 000 A。 內(nèi)焊三絲焊接系統(tǒng)控制過程如圖1 所示。

圖1 內(nèi)焊三絲焊接系統(tǒng)的控制過程

外焊焊接系統(tǒng)是由3 臺林肯Power Wave 1000SD 焊機(jī)、 2 臺MAXsa19 送絲機(jī)控制器和2 臺MAXsa29 送絲機(jī)組成的兩絲焊接系統(tǒng)， 其中一絲由2 臺Power Wave 1000SD 焊機(jī)并聯(lián)驅(qū)動， 額定焊接電流2 000 A， 二絲由1 臺Power Wave 1000SD 焊機(jī)驅(qū)動， 額定焊接電流1 000 A。

2.2 數(shù)字化Power Wave 1000SD 焊機(jī)

Power Wave 1000SD 是一款具備模塊化功能的焊接電源， Power Wave 1000SD 接口如圖2 所示。

采用MAXsa 19 控制器進(jìn)行送絲控制。 每個焊絲可由單個電源驅(qū)動， 也可由多個并聯(lián)電源驅(qū)動， 所有功能接口聯(lián)結(jié)置于焊機(jī)后背面板， 方便焊機(jī)并聯(lián)使用， 其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1） 擁有380～575 V、 50/60 Hz 交流電壓輸入功能， 可在不同電壓等級下使用， 并可以在網(wǎng)路電壓有±10%以內(nèi)波動時穩(wěn)定輸出。 極性轉(zhuǎn)換時無需重新配置硬件消除停機(jī)時間。

（2） 所有功能接口聯(lián)結(jié)置于焊機(jī)后背面板，易于并聯(lián)機(jī)器或多弧操作。 三相電壓輸入消除了基于交流焊機(jī)所造成的電網(wǎng)三相交流不平衡現(xiàn)象的發(fā)生。 多臺電源聯(lián)結(jié)示意圖如圖3 所示。

圖2 Power Wave 1000SD 接口圖

圖3 多臺電源聯(lián)結(jié)示意圖

（3） 具備Arc Link、 Ethernet、 Device Net 等通訊功能， 可遠(yuǎn)程監(jiān)控工藝參數(shù)、 遠(yuǎn)程控制、 排除故障等。 Power Wave Manager 軟件在線查詢焊接電源狀態(tài)、 歷史故障報(bào)警、 解決方案、 參數(shù)設(shè)定等功能。 Production Monitoring 軟件可實(shí)時追蹤設(shè)備的使用、 存儲數(shù)據(jù)， 并配置焊接參數(shù)有助于焊接效率分析。 Power Wave Manager 管理軟件界面如圖4 所示， 參數(shù)監(jiān)控軟件界面如圖5 所示。

（4） 通過對輸出特性的改變， 即通過改變波形平衡、 直流偏置、 頻率等參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)焊縫形貌的變化。 不同波形平衡時的焊縫形貌如圖6 所示， 不同偏置時的焊縫形貌如圖7 所示。

圖4 Power Wave Manager 管理軟件界面

圖5 參數(shù)監(jiān)控軟件界面

圖6 不同波形平衡時的焊縫形貌

圖7 不同偏置時的焊縫形貌

2.3 MAXsa19 送絲控制器

MAXsa19 送絲控制器具備外形小巧， 易于集成安裝的特點(diǎn)。 通過Arc link 電纜可與Power Wave AC/DC 1000SD 進(jìn)行快速通信， 通過控制電纜可以與送絲驅(qū)動快速通信。 具備標(biāo)準(zhǔn)的I/O 連接器， 用于控制送絲機(jī)開始、 停止以及送絲方向的改變。 同時具備狀態(tài)指示燈， 可根據(jù)燈的不同狀態(tài)診斷故障。

2.4 MAXsa29 送絲控制器

MAXsa29 送絲控制器具有閉環(huán)速度控制功能， 可啟動、 停止送絲機(jī)運(yùn)行。 利用32 V 直流永磁大轉(zhuǎn)矩電機(jī)能產(chǎn)生足夠大的牽引力， 焊絲直徑5.6 mm 還能穩(wěn)定送絲， 通過Arc Link 通訊可反饋送絲電流至XM 控制器顯示于人機(jī)界面， 方便操作者遠(yuǎn)程實(shí)時了解送絲機(jī)狀態(tài)。

2.5 XM 控制系統(tǒng)

XM 控制系統(tǒng)的控制過程框圖如圖8 所示。

XM 控 制 器 由XM 上 位 機(jī)、 急 停 板、 MMI板、 PWI 模塊、 I/O 模塊、 x 軸模塊、 z 軸模塊、META 模塊、 焊接軸模塊組成， 控制器之間通過CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

XM 上位機(jī)界面如圖9 所示。 XM 上位機(jī)可根據(jù)不同的鋼管規(guī)格進(jìn)行自由編程， 如起弧信號選擇、 息弧信號選擇、 焊接電流、 焊接電壓、 焊接速度等參數(shù)， 還可改變焊機(jī)輸出特性， 調(diào)整焊縫形貌， 顯示焊接過程中的電流、 電壓、 焊速等。

急停板用于采集焊接系統(tǒng)內(nèi)部以及驅(qū)動系統(tǒng)的急停信號， 將外部開關(guān)量急停信號轉(zhuǎn)換為CAN 信號， 并實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)急停， 從而達(dá)到焊接系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)急停信號的連鎖。

MMI 板用于控制MAXsa29 送絲控制器和焊頭移動， 實(shí)現(xiàn)焊絲伸縮、 機(jī)頭移動等功能。

PWI 模塊是控制焊機(jī)的核心部件， 作為XM控制器和焊機(jī)的接口模塊， 將XM 控制器CAN信號轉(zhuǎn)換為Arc Link 信號， 從而使焊機(jī)按照XM控制中設(shè)定的電流、 電壓進(jìn)行工作。

I/O 模塊主要作用是XM 模塊和外部傳感器等外設(shè)信號的中轉(zhuǎn)站， 將外部傳感器信號轉(zhuǎn)換為CAN 信號， 并按照程序提前設(shè)定好的功能進(jìn)行使用。

圖8 XM 控制系統(tǒng)的控制過程框圖

圖9 XM 上位機(jī)界面

x 軸、 z 軸META 模塊用于焊接系統(tǒng)與自動跟蹤系統(tǒng)的信號中轉(zhuǎn)， 通過此三個模塊實(shí)現(xiàn)焊接過程中的自動跟蹤。

焊接軸模塊用于實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)焊接速度與驅(qū)動系統(tǒng)速度的聯(lián)動。

3 焊接系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)動分析

操作人員根據(jù)工藝卡在XM 控制器中編制好焊接程序后， XM 控制器通過CAN 總線將各類參數(shù)（如焊接速度） 下發(fā)至焊接軸模塊， 焊接軸模塊通過信號轉(zhuǎn)換將速度信號發(fā)送給驅(qū)動系統(tǒng)的PLC， 然后控制S120 變頻器驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行的實(shí)際速度再由S120 變頻器通過Profibus-DP 通訊反饋至PLC， PLC 再反饋至焊接軸模塊， 從而實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)的聯(lián)動， 完成焊接過程中焊接速度的閉環(huán)控制， 進(jìn)而精確地控制焊接速度， 保證焊接質(zhì)量。 焊接速度控制原理如圖10 所示。

圖10 焊接速度控制原理圖

4 結(jié) 論

（1） 通過Power Wave 1000SD 焊機(jī)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用， 提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 提高了產(chǎn)品質(zhì)量， 減少連續(xù)性缺陷的產(chǎn)生。

（2） 通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用， 使焊接系統(tǒng)與多個外部系統(tǒng)之間的協(xié)同工作響應(yīng)更加快速， 生產(chǎn)過程的智能化閉環(huán)反饋控制更加便捷， 同時實(shí)現(xiàn)多參數(shù)信息和各種傳感器信號的同步監(jiān)視和記錄， 有利于大數(shù)據(jù)的積累運(yùn)用。

（3） 通過結(jié)合工廠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)焊接制造過程信息化管理， 實(shí)現(xiàn)多平臺、 多資源的控制， 為智能化工廠管理模式創(chuàng)造條件。