基于現(xiàn)場總線的車間生產(chǎn)監(jiān)控原型系統(tǒng)研究與設計 畢業(yè)設計

1、目 錄1 引言11.1 現(xiàn)場總線國內外發(fā)展現(xiàn)況11.2 課題的內容和目標21.3 論文的組織結構22 profibus現(xiàn)場總線控制技術的特點42.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的組成42.2 profibus現(xiàn)場總線控制技術的應用42.3 協(xié)議結構62.4 傳輸技術62.5 總線存取協(xié)議83 真空等離子焊接的原理及應用103.2 等離子焊接的原理103.3 等離子焊接的特點113.4 真空等離子焊接的工藝流程與工作原理133.5 針對真空等離子焊接系統(tǒng)profibus網(wǎng)絡研究144 硬件選型174.1 硬件連接174.2 真空等離子焊接系統(tǒng)的硬件連接分析175 軟件設計185.1 上位機軟件設計185.

2、2 真空等離子焊接plc控制的實現(xiàn)205.3 充氬過程plc控制的實現(xiàn)22結束語25致 謝26參 考 文 獻271 引言 隨著科技的迅速發(fā)展，自動化技術和先進控制技術在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的普及。常規(guī)的經(jīng)典控制理論始終發(fā)揮著相當大的作用，它在解決簡單的自動控制系統(tǒng)設計方面一直是非常有力的工具。近年來這方面的控制理論、控制模式和研究日臻成熟，它們在工業(yè)生產(chǎn)部門的影響相當大，并且形成了標準化和系列化的產(chǎn)品。由于工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展的方向是分散化、網(wǎng)絡化、智能化，現(xiàn)場總線技術的發(fā)展正是順應了這一方向，并成為全球工業(yè)自動化技術行業(yè)的熱點，受到業(yè)界的普遍關注。1.1 現(xiàn)場總線國內外發(fā)展現(xiàn)況自20世紀80年

3、代中期現(xiàn)場總線技術問世以來，在十幾年中行業(yè)中出現(xiàn)了兩百多種現(xiàn)場總線技術。其中常見的現(xiàn)場總線技術有十幾種，它們分別在不同的領域得到了廣泛的應用，如profibus，interbus，can，ff，bitbus，p-net，lonworks等。在種類繁多的自動化行業(yè)的應用需求之下，沒有哪一種現(xiàn)場總線能夠完全符合生產(chǎn)需要，各種現(xiàn)場總線在相應的領域發(fā)揮著各自的特長，一種現(xiàn)場總線標準在某些領域中是適用的，超出這些領域可能就不是最優(yōu)的，因此多種現(xiàn)場總線將在很長一段時間內共存。目前有40多種現(xiàn)場總線技術在世界上得到了廣泛應用，而各個公司定義的現(xiàn)場總線標準更是不計其數(shù)。在加拿大渥太華召開的現(xiàn)場總線標準會議中通

4、過了iec61158是現(xiàn)場總線的國際標準的決定，其中有8種類型的現(xiàn)場總線可以作為國際標準，這8種類型分別是：（1） controlnet（美國rockwell公司支持）（2） profibus（德國siemens公司支持）（3） interbus（德國phoenixcontact公司支持）（4） ffhse（fisher-rosemount公司支持）（5） swfitnet（美國boeing公司支持）（6） worldfip（法國alstom公司支持）（7） p-net（月麥processdate公司支持）再加上iectl7b通過的3種現(xiàn)場總線國際標準，分別為sds（smart distrib

5、uted system）。asi（actuator sensor interface）和devicenet。另外iso還有一個iso11898的can（control area network）。所以一共12種之多。隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛快發(fā)展，ethernet和tcp/ip技術也運用到了工業(yè)現(xiàn)場。高速ethernet具有諸多優(yōu)點，例如結構簡單、開放性、成本低、廣泛的應用軟硬件支持，非常適用于工業(yè)標準的監(jiān)控網(wǎng)絡。為了連接現(xiàn)場各種各樣的設備和用于監(jiān)控的系統(tǒng)設備，作為工廠底層控制網(wǎng)絡的信息傳輸主干的ethernet已經(jīng)被許多控制系統(tǒng)設備提供廠商采用。而為了實現(xiàn)網(wǎng)絡控制的一體化并保護現(xiàn)有的投資，利用

6、以太網(wǎng)的網(wǎng)關將ff和profibus現(xiàn)場控制系統(tǒng)、dcs現(xiàn)場控制系統(tǒng)連接起來。tcp/ip協(xié)議的采用，真正實現(xiàn)了internet/intranetinfranet測控管一體化網(wǎng)絡，使得車間的管理深入到控制現(xiàn)場，操作人員不用到車間就可以通過internet監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的過程，實現(xiàn)了遠程系統(tǒng)調試和設備故障診斷?，F(xiàn)場總線技術是控制系統(tǒng)發(fā)展的方向，我們必須緊跟現(xiàn)場總線發(fā)展的步伐，確保在未來的競爭中保持領先。profibus憑借其嚴謹?shù)亩x，完善的功能和標準通用的技術成為開放式系統(tǒng)的典范，它是在眾多現(xiàn)場總線標準中能提供一個從現(xiàn)場傳感器至生產(chǎn)管理層的全方位透明的網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。目前，profibus已

7、經(jīng)在許多方面證明了其強大、靈活的功能，在很多領域都得到了成功的應用，如生產(chǎn)自動化、過程自動化、驅動技術等，在世界上諸多現(xiàn)場技術中處于領先的地位。同時，profibus通過便捷的協(xié)議、較高的性價比以及采用rs485的傳輸技術控制了它的成本，適合我國的國情，應該在生產(chǎn)中廣泛采用。1.2 課題的內容和目標本課題基于現(xiàn)場總線技術，研究并建立新一代車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的方案，完成一個基于profibus現(xiàn)場總線和西門子plc平臺的車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)原型的設計及部分開發(fā)工作。(1) 基于現(xiàn)場總線的車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設計；(2) 車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型設計；(3) 車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計；(4) 車間

8、生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的部分開發(fā)與調試。1.3 論文的組織結構本文研究的目的是實現(xiàn)真空等離子焊接的自動化控制，應用基于profibus現(xiàn)場總線的集散型系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接方式，實現(xiàn)等離子焊接工藝流程中的設備運行參數(shù)的檢測，記錄設備運行過程和狀態(tài)，并可直觀指導操作人員生產(chǎn)管理工藝的全過程。（1）上位機系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，主要是整個加工過程的設備運行狀態(tài)，然后將這些對設備運行的實時監(jiān)控參數(shù)記錄下來，從而分析數(shù)據(jù)的變化，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)運行中的情況，診斷、發(fā)布和實施預警。（2）下位機系統(tǒng)主要進行邏輯運算、數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行閉環(huán)控制輸出的工作。對真空等離子焊接設備，真空泵和充氬系統(tǒng)，并能實時處理情況，對設備的運行和工

9、作時間和強度能夠很好的控制，達到設備的最大化利用。（3）上下位機通過網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)將之間連接起來，使現(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)能正確、及時的反應在上位機上，而上位機的控制信號也能及時傳達到下位機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。全文分為五章，各章內容如下：第一章：介紹了現(xiàn)場總線技術的國內外發(fā)展狀況，本課題的內容及目標。第二章：介紹了profibus現(xiàn)場總線控制技術的主要特點，采用的協(xié)議結構，傳輸技術以及存取協(xié)議。第三章：介紹了tig焊、等離子焊接的原理和特點，針對等離子焊接的實際環(huán)境，對多種網(wǎng)絡形式進行比較分析，提出基于profibus的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡在等離子焊接生產(chǎn)中的應用、配置及通信軟件設計等關鍵環(huán)節(jié)。第四章：真空等離子焊

10、接系統(tǒng)選擇的硬件型號和等離子焊接系統(tǒng)監(jiān)控plc和充氬過程監(jiān)控plc的性能、參數(shù)的監(jiān)控。第五章：真空等離子焊接系統(tǒng)的上位機軟件開發(fā)和設計，對真空等離子焊接和充氬過程plc控制的實現(xiàn)。2 profibus現(xiàn)場總線控制技術的特點2.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構監(jiān)控和組態(tài)計算機、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、現(xiàn)場智能儀表和控制器三部分主要組成了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。由于這里的儀表、控制器、計算機連接到網(wǎng)上的方式是通過現(xiàn)場總線網(wǎng)卡及通信協(xié)議軟件，所以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的基礎是現(xiàn)場總線網(wǎng)卡和通信協(xié)議軟件?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應包括有數(shù)據(jù)組態(tài)和控制算法組態(tài)的組態(tài)技術，從而實現(xiàn)真正的分布式控制，組態(tài)技術生成的參數(shù)及算法可以在控制器和遠程

11、i/o或智能設備上運行，在智能儀表及執(zhí)行機構中，現(xiàn)場總線標準定義的功能塊也可以進行運算。 線形、總線形、星形、環(huán)形等網(wǎng)絡拓撲結構是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)常采用的網(wǎng)絡拓撲結構。由于線形結構對網(wǎng)絡供電和防爆等問題有很好的解決措施，且現(xiàn)場總線一般采用的結構是線性結構，它的支路電源負載是可以確定的，同樣可以確定的是沿總線的電源電壓，所以一般情況下采用線形結構。同軸電纜、雙絞線、電話線、光導纖維電纜、無線等都是常用的網(wǎng)絡通訊介質。電氣隔離和電磁兼容性這兩個因素是選擇傳輸介質時主要考慮的因素。為了滿足本質安全和防爆要求，常采用廉價的雙絞線作為數(shù)據(jù)傳輸線，同時使得現(xiàn)場設備可以利用數(shù)據(jù)通信線來供電。2.2 prof

12、ibus現(xiàn)場總線控制技術的應用profibus現(xiàn)場總線控制技術是一種國際性的開放的現(xiàn)場總線控制標準。從1995年德國頒布fms至今，經(jīng)歷了十余年，該標準現(xiàn)已被全世界接收，其應用覆蓋機械加工、過程控制、電子交通及樓宇自動化的各個領域。profibus于1995年成為歐洲標準，1999年成為國際標準、2001年10月，它被批準為中華人民共和國工業(yè)自動化領域標準中的現(xiàn)場總線控制標準。目前，世界上許多自動化產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的設備都提供profibus接口。profibus在眾多的現(xiàn)場總線控制標準中以超過40%的市場占有率穩(wěn)居榜首，其產(chǎn)品每年增長20%30%。以著名的西門子公司為例，它可以提供上千種prof

13、ibus產(chǎn)品，應用于中國的許多自動化控制系統(tǒng)中，其控制范圍如圖2.1所示: 圖2.1 profibus控制范圍圖profibus根據(jù)應用特點可以分為profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa3種兼容版本，如圖2所示。profibus-dp屬于設備總線，主要用于復雜現(xiàn)場設備和分布式i/o。其物理結構為rs-485，傳輸速率為9.6kb/s12mb/s。profibus-fms屬于系統(tǒng)總線，應用于車間級網(wǎng)絡監(jiān)控。其物理結構為rs-485，傳輸速率為9.6kb/s12mb/s。profibus-pa屬于設備總線，主要應用于兩線制供電和本安過程控制儀表，傳輸速率為31.2

14、5kb/s。它在保持dp協(xié)議的同時，增加了對現(xiàn)場儀表的饋電功能，執(zhí)行標準是iec61158-2。圖2.2 profibus應用圖分散式數(shù)字化控制器分為主站和從站，該系統(tǒng)可通過profibus從現(xiàn)場底層到車間級進行網(wǎng)絡化。主站決定了總線的數(shù)據(jù)通信。在沒有其他設備數(shù)據(jù)通信的情況下，當主站獲得總線控制權即令牌時，同樣可以發(fā)送信息。從profibus協(xié)議方面的定義，主站也稱為主動站。一般的從站都由驅動器、閥門、i/o裝置和測量發(fā)送器組成，它屬于外圍設備。從站沒有總線控制權，僅確認接收到的信息；或當主站發(fā)出請求時，向它發(fā)送信息。因為它只占總線協(xié)議的一小部分，所以從站實施起來相當?shù)慕?jīng)濟4，。2.3 協(xié)議結

15、構profibus協(xié)議的結構根據(jù)iso7498國際標準以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡osi為參考模型，如圖2.3所示。圖2.3 profibus協(xié)議結構圖profibus-dp使用第1、2層和用戶接口，第3層7層未加以描述。profibus-fms第1、2、7層均加以定義。應用層包括現(xiàn)場總線控制信息規(guī)范和低層接口。profibus-pa數(shù)據(jù)傳輸采用的是擴展的profibus-dp協(xié)議，根據(jù)iec61158-2標準，這種傳輸技術使現(xiàn)場設備通過總線供電，從而確保其安全性。profibus-pa設備使用分段式耦合器能很方便地集成到profibus-dp網(wǎng)絡。profibus-dp和profibus-fms這兩套

16、系統(tǒng)可在同一根電纜上同時操作，他們使用了同樣且統(tǒng)一的傳輸技術和總線訪問協(xié)議。2.4 傳輸技術現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)選用的傳輸技術在很大程度上取決于了它的應用范圍，因為既要考慮總線的要求，譬如傳輸?shù)木嚯x，傳輸?shù)目煽啃院退俣?，又要考慮簡便而又費用低廉的機電因素。數(shù)據(jù)和電源在涉及過程自動化時的傳送必須在同一根電纜上。profibus提供了以下3種類型：dp和fms的rs-485傳輸、pa的iec 61158-2傳輸和光纖傳輸來滿足所有的傳輸技術。rs-485傳輸通常稱為h2，是profibus最常見的一種，共用一根導線對，采用屏蔽雙絞銅線電纜。它適用設施簡單而又便宜而且需要高速傳輸?shù)母鱾€領域。rs-485

17、傳輸技術的特性如下： 網(wǎng)絡拓撲：兩端有帶電源的總線終端電阻的線性總線，短截線的波特率1.5mb/s。 介質：取決于環(huán)境條件（emc），可采用屏蔽雙絞電纜，或者取消屏蔽。 站點數(shù)：每段32個站，不帶轉發(fā)器。帶轉發(fā)器時，最高可到127站。 插頭連接器： 9針d插頭連接器為佳。rs-485傳輸?shù)目偩€結構可以增減站點，可分步投入，并且對其他站點的傳輸操作不會產(chǎn)生影響。傳輸速率一般選用9.6kb/s，一旦投入運行，所有設備需選取一樣的傳輸速率。傳輸速率取決于電纜的最大長度，如表2.1所示表2.1 傳輸距離與速度示意表波特率/（kb/s）9.619.293.75187.5500150012000距離（段）

18、/m1200120012001000400200100pa的iec 61158-2傳輸技術在石化工業(yè)生產(chǎn)上能得到很好的應用，因為它的本質安全性可很好保持其并且這些現(xiàn)場設備可通過總線供電運行。此項技術是一種可進行無電流的連續(xù)傳輸?shù)奈煌絽f(xié)議，通常稱為h1。iec 61158-2傳輸技術的原理如下：（1） 總線不需要由站發(fā)送信息時供電。（2） 現(xiàn)場總線設備所用的電流是常量穩(wěn)態(tài)基本電流。（3） 主總線兩端的作用是無源終端線。（4） 每段只需要一個供電裝置；（5） 線型、星型和樹型網(wǎng)絡可允許使用。（6） 設計時冗余總線段的運用，提高了設備可靠性。（7） 現(xiàn)場設備的作用相當于無源的電流吸收裝置。iec

19、61158-2傳輸技術的特性如表2.2所示。表2.2 iec 61158-2傳輸技術特性表數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字式，位同步，曼徹斯特編碼傳輸速率31.25kb/s，電壓式數(shù)據(jù)可靠性預兆性，采用起始和終止限定符來避免誤差電纜雙絞線（屏蔽或非屏蔽）遠程電源通過數(shù)據(jù)線，可選為附件 防爆型可進行本質安全和非本質安全的操作拓撲線型或樹型，或者兩者結合型站數(shù)每站最多32個，最多126個轉發(fā)器可擴展至最多四個profibus系統(tǒng)也可使用光纖導體來增加高速傳輸?shù)淖畲缶嚯x，在電磁干擾很大的環(huán)境下應用。傳輸距離在50m以內時使用便宜的塑料纖維導體，在1km內時使用玻璃纖維導體。專用的總線插頭可由許多廠商提供，將rs-485

20、信號轉換成光纖信號，或將光線信號轉換成rs-485信號，這是一套十分方便的開關控制方法6，適用于同一系統(tǒng)上使用rs-485傳輸技術和光纖傳輸技術。2.5 總線存取協(xié)議profibus的dp、fms和pa通過osi參考模型的第2層實現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理，它們都使用單一的總線協(xié)議。在profibus中，現(xiàn)場總線控制數(shù)據(jù)鏈路為第2層?？刂茢?shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛴山橘|存取控制。 profibus協(xié)議的設計的目地是滿足介質存取控制的基本要求7。在確定的時間內中必須保證通信任務的完成由任何一個站點來處理，這是對于自動化系統(tǒng)（主站）間通訊；而在程序控制器和簡單的i/o設備（從站）間通信，快速

21、且簡便地完成傳輸任務是最主要的。因此，主站與從站之間的主從方式和主站從站間的令牌傳遞方式是profibus采取的總線存取協(xié)議。令牌傳遞程序確保了每一個站能夠在一個精確給定的時間內從框架得到總線訪問權限。令牌是一種特殊的消息,它在整個一周的最長循環(huán)時間是之前就規(guī)定好的。profibus總線令牌只在每一臺主機間的通訊使用。在profibus中，令牌只在各主站之間通信時使用。主站在得到總線存取令牌時與從站通信是由主從方式允許的，從站發(fā)送或索取信息均可向每個主站索取，通過這種方法可實現(xiàn)下列系統(tǒng)配置：純主從系統(tǒng)、純主主系統(tǒng)（帶令牌傳遞）和混合系統(tǒng)。根據(jù)主-從關系表站通信，在這段時間內參照可以主從關系表與

22、所有的關系表。令牌環(huán)鏈是接待單位的地址,根據(jù)主站構成邏輯鏈路。在這個過程中,令牌在規(guī)定的時間里按照地址的升序在每個主站按照次序傳遞。上層協(xié)議通過第二層的服務存取點是在profibus-fms、profibus-dp和profibus-pa中使用的第二層服務不同子集，詳見表2.3。在profibus-fms中，邏輯通訊地址的關系表是由這些服務存取點來建立；在profibus-dp和profibus-pa中，每個存取點都定義了明確的功能。在主站和從站中，可同時存取多個服務存取點9。表2.3 profibus第二層子集表服務功能dppafmssda發(fā)送數(shù)據(jù)要應答srd發(fā)送數(shù)據(jù)不需要回答sdn發(fā)送數(shù)據(jù)

23、不需要回答csrd循環(huán)性發(fā)送和請求回答的數(shù)據(jù)3 真空等離子焊接的原理及應用真空等離子焊接生產(chǎn)技術目前得到了越來越多的重視，現(xiàn)在主要應用于鈦合金自耗電極制備的生產(chǎn)，熔煉中的生產(chǎn)效率、冶金質量和其控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性相關。隨著科學技術的不斷發(fā)展，等離子焊接技術得到了相當大的發(fā)展，在自動控制技術發(fā)展基礎上，整個焊接過程的監(jiān)控正朝著智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。3.1 tig焊（惰性氣體鎢極保護焊）氣體保護焊是利用外加氣體作為保護介質的一種電弧焊方法，其優(yōu)點是電弧和熔池可見度好，操作簡便，很少或幾乎不產(chǎn)生熔渣，也不需要在焊后清理熔渣。但在室外作業(yè)時需采取專門的防風措施。 氣體保護焊可分為不熔化極（鎢極

24、）氣體保護焊和熔化極氣體保護焊。不熔化極（鎢極）氣體保護焊包括等離子弧焊、鎢極惰性氣體保護焊和原子氫焊。目前生產(chǎn)中已經(jīng)很少采用原子氫焊；等離子弧焊將在下一節(jié)介紹；本節(jié)內容僅限于鎢極惰性氣體保護焊。 鎢極惰性氣體保護焊英文簡稱tig（tungsten inert gas weiding）焊。它是在惰性氣體的保護下，利用鎢電極與工件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。在焊接的時候，焊槍的噴嘴中噴出保護氣體，并在電弧外形成氣體保護層從而隔絕空氣，從而可獲得優(yōu)質的焊縫。氬氣、氦氣或氬氦混合氣體都可作為氣體保護層的氣體。用氬氣作為保護氣體的稱為鎢極氬弧焊，用氦氣的稱鎢極氦弧焊，由于氦氣價格比

25、較昂貴，在焊接上鎢極氬弧焊的應用要比氦弧焊廣泛得多。3.2 等離子焊接的原理等離子焊接是tig焊的升級。等離子焊接又稱等離子弧焊焊接，等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用，獲得較高能量密度的等離子弧進行焊接的方法。等離子弧焊的作用方式是電極和焊件之間的壓縮電弧(轉移電弧)來進行焊接的，它是一種不熔化、極電弧焊。鎢極是最常用的電極，氬氣、氦氣、氮氣或者這幾種氣體的混合氣都可作為產(chǎn)生等離子弧的等離子氣，同時噴嘴噴出惰性氣體用來保護等離子氣。焊接時可以外加填充金屬，也可以不加填充金屬。等離子弧焊焊接的特點是電弧穿透力強，因為其電弧能量密度大并且挺直。等離子弧焊焊接時能產(chǎn)生的小孔效應，對于一定厚度

26、范圍內的大多數(shù)金屬可以進行i形坡口對接，并能保證熔透和焊縫均勻一致。因此，等離子弧焊的優(yōu)點是生產(chǎn)率高、焊接質量好。但等離子弧焊設備比較復雜，對焊接參數(shù)的控制要求高。 tig焊可焊接的大多數(shù)金屬，都可用等離子弧焊進行焊接。與之相比，對于1mm以下的極薄金屬的焊接，用等離子弧焊較易進行。圖3.1 等離子焊接：pig焊的升級3.3 等離子焊接的特點等離子焊接與tig焊十分相似，它們的電弧都是在尖頭的鎢電極和工件之間形成的。但是，通過在焊炬中安置電極，能將等離子弧從保護氣體的氣囊中分離出來，隨后推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過改變孔的直徑和等離子氣流速度，可以實現(xiàn)三種操作方式：1、微束等離

27、子：0.1a15a 在很低的焊接電流下，也能使用微束等離子弧。即使在弧長變化不超過20mm時，柱狀弧仍能保持穩(wěn)定。2、中等電流：15a200a 在較大的15a200a電流下，等離子弧的過程特點與tig弧相似，但由于等離子被壓縮過，弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深，但會造成在紊亂的保護氣流中，混入空氣和保護氣體的風險。3、小孔型等離子：大于200a 通過增加焊接電流和等離子氣流速度，可產(chǎn)生強有力的等離子束，與激光或電子束焊接一樣，它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時，隨著焊接熔池的流動，金屬穿過小孔被切割后在表面張力作用下形成焊道。單道焊時，該過程可用于焊接較厚的材料（厚

28、度不超過10mm的不銹鋼）。圖3.2 真空等離子焊接的功率由于等離子電弧的能量密度非常高，溫度及剛直性（能量密度可達10000w/平方厘米到100000w/平方厘米，弧柱中心溫度可達18000k到24000k以上，焰流速度可達250m/s以上），等離子電弧具有以下優(yōu)點： （1）能量密度很大，穿透能力強，電弧方向性強，在相同的情況下，等離子焊接速度要比鎢極氬弧焊快的多。（2）焊縫質量對弧長的變化不敏感。這是由于等離子弧的發(fā)散角很小，形態(tài)接近圓柱形，加熱斑點的面積因為弧長的變化對其產(chǎn)生的影響很小，很容易獲得很好焊縫形狀和焊接質量。電弧的斷面變化在20%時,鎢極氬弧焊的焊炬高度在0.12mm的范圍內

29、變化,而等離子焊接在1.2mm的范圍內變化，這對保證焊縫的成形和均勻質量都十分有利。（3）焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢的現(xiàn)象可以很好的解決，這是由于鎢極在噴嘴內部，不與工件接觸。此外，電弧的攪動性和熔池溫度也對釋放熔池內氣體很有利。（4）等離子電弧在電流很小時仍能保持穩(wěn)定，這是由于熱電離度較高和壓縮效應的優(yōu)點所致。（5）焊縫的深寬比大,熱影響區(qū)小,適合焊接某些可焊性差的材料和雙金屬等。（6）焊接成本低，與一般氬弧焊相比，可省電1/31/2,省氣1/22/3，且在焊接厚度較小的情況下，無需填絲。根部焊道手工電弧焊接手式tig焊接等離子焊接(paw)板材焊前準備坡口+鈍邊坡口+鈍邊2.5-8mm無需坡口+鈍邊

30、裝配相對困難（間隙）困難（小間隙）容易焊工技術要求熟練熟練一般焊接速度非常慢非常慢相當快操作難度困難非常困難較容易焊后質量好/但外觀不美好極好特別問題焊條過熱，質量難以控制，工件變形焊工易疲勞，質量難以控制，工件變形無表3.1 幾種焊接方式的比較3.4 真空等離子焊接的工藝流程與工作原理真空等離子焊接系統(tǒng)的主要構件是真空焊箱。真空焊箱包括爐室、真空系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、焊接電源和焊槍系統(tǒng)、爐內移動臺車和夾具、氬氣流量控制系統(tǒng)等。爐室為兩端設有爐門的不銹鋼結構,。前后爐門均用氣動夾具鎖緊進行打開和閉合,從而對系統(tǒng)進行連鎖式控制,也方便對爐室的清掃和裝出爐,為了保證爐內

31、的真空，在關閉前爐門的時候，爐體上有四個氣缸將爐門拉緊。中間有兩個等離子槍接口和抽真空設備的接口,。爐體上設有焊接觀察窗。工作原理:首先按照工藝要求把電極放到夾具上進行組合,然后鎖緊夾具。把裝好組合電極的夾具放到爐內臺車上,關上爐室抽成真空。當爐室內壓力小于6pa時,停止抽真空,并充入氬氣,直到爐內氬氣壓力達到大概600 pa時,在水冷、銅制焊槍中通入氬氣,然后控制焊槍自身的正極弧,起弧后焊槍周圍的氬氣會被電離并形成等離子體,此時焊接電源切換電流通路，焊槍為負極、夾具為正極的,夾在夾具上的電極塊在等離子弧的高溫加熱下被熔化。在整個焊接過程中,通過爐內臺車的縱向運動、夾具的旋轉運動和焊槍的上下運

32、動的配合來實現(xiàn)電極的焊接。圖3.3 真空等離子焊接系統(tǒng)結構簡圖3.5 針對真空等離子焊接系統(tǒng)profibus網(wǎng)絡研究4.2 真空等離子焊接系統(tǒng)的硬件連接分析硬件設計如圖4.1所示。該系統(tǒng)采用西門子s7-300plc，上位硬件采用研華工控機，實現(xiàn)各參量的記錄、監(jiān)控、設置等功能。通過現(xiàn)場總線控制技術，將控制系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)組成profibus-dp網(wǎng)絡，實現(xiàn)各個設備之間的聯(lián)絡，并將這些設備的故障監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。圖4.1 真空等離子焊接系統(tǒng)控制圖5 軟件設計5.1 上位機軟件設計“組態(tài)王”是在pc機上建立工業(yè)控制對象人機接口的一種智能軟件包，它的操作系統(tǒng)平臺為windows98/window

33、s2000/windows nt4.0操作系統(tǒng)，它具有圖形功能完備，易學易用，界面友好的特點。該軟件包由工程瀏覽器、工程管理器、畫面運行系統(tǒng)三部分組成。本課題中采用的是mpi通訊卡通訊方式，一般適用于一臺pc和多個plc進行通訊的場合；或者多臺pc和plc進行連接。安裝step7-micro/win32和step7 5.0+servicepack5,運行pg/pc-interface parameterisation，將用戶界面配置為cp5611（mpi）方式。在組態(tài)王中的具體設計如圖11所示：圖5.1 組態(tài)王連接設置圖（a）圖5.2 組態(tài)王連接設置圖（b）并設定如下通訊參數(shù)：波特率9600b

34、ps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗。在設定plc有效地址時小數(shù)點前面的數(shù)字為有效地址plc的地址（即站號），小數(shù)點后為數(shù)字2，所設定的地址范圍為2.2126.2，其中plc的地址可通過編程軟件step7設置來實現(xiàn)14。在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中定義相關變量，選擇變量類型為i/o型，并選擇連接設備和所訪問的寄存器名及寄存器類型。將制作好的畫面進行動畫連接，即可建立實時通訊，得到一個反應工業(yè)控制現(xiàn)場的監(jiān)控畫面。圖5.3 真空等離子焊接監(jiān)控畫面圖5.2 真空等離子焊接plc控制的實現(xiàn)真空等離子焊接選用siemens s7 300plc，依據(jù)估計得到的輸入和輸出點數(shù)，配備3個模擬輸入模塊（sm 331 a

35、i），2個開關模擬量輸入模塊（sm 321 di），2個開關量輸出模塊（sm 322 do），1個通信模塊采用（cp5430），1個電源模塊采用ps 307 5a。（1）模擬量輸入sm 331 ai模塊一般包含8個12位的模擬量輸入通道，分別接電流、電壓變送器、功率變送器、真空泵壓力變送器、氣體流量計、壓力計、輸入電壓、電流、真空泵電流、功率、爐內壓力等檢測項目。（2）開關量輸入sm321di模塊一般都含有16個輸入點，這些輸入點構成一組，帶電隔離，直流24v為額定的輸入電壓。分別接氣體閥手動/自動轉換開關、氣體閥開啟開關、氣體閥關閉開關、氣體閥啟停開關，真空泵手動/自動轉換開關、真空泵啟停開

36、關、設備維護復位開關。（3）開關量輸出一個sm322do模塊含有以8點構成一組的16個輸出點，輸出控制信號如2臺氣體閥開啟、關閉、停止控制信號、氣體閥故障燈、真空泵故障燈、真空泵的兩個主接觸器。采用step 7 v5.0軟件包進行plc軟件設計。step 7編程軟件允許結構化用戶程序，可將大規(guī)模程序分解為單個、自成體系的任務，使程序標準化，調試和維護更為簡單。s7用戶程序中有組織塊（ob）、系統(tǒng)功能塊（sfb）、功能塊（fb）、功能（fc）、系統(tǒng)功能（sfc）、數(shù)據(jù)塊（db）集中類型的塊。本控制系統(tǒng)中設計了ob1、ob20、ob21、ob22、fb1、fb2、fb3、db1db7，共14個邏輯

37、塊。下面分別介紹各塊的功能及程序實現(xiàn)方法。（1）fb1：氣體閥控制功能塊，用于氣體閥控制調用。接受調用時傳送的氣體閥關閉、開啟、停止信號，執(zhí)行fb中相應功能程序段。包括氣體閥啟動、關閉、停止、互鎖程序段，監(jiān)控程序段（氣體閥啟動3s后，無上、下限開關信號到來，則停真空泵，氣體閥故障燈亮），氣體閥啟動次數(shù)計算程序段，維護信息及復位信號檢查程序段等。生成fb1后，生成db1、db2兩個數(shù)據(jù)塊，并指定為參考fb1后，分別存放在與兩個氣體閥相關的背景數(shù)據(jù)。（3）ob1：用于循環(huán)程序處理的組織塊。ob1中是一個按照工藝進行的順序控制過程，生成fb1后才生成ob1。先執(zhí)行內部初始化，然后對爐內電流、運行部件

38、的電流、功率及狀態(tài)實施巡回檢測。plc將所得的測參量與設定的標準值進行比較，對超過限量的數(shù)據(jù)進行自動報警并運行故障診斷程序。對采集的爐內氣體壓力分別做數(shù)字平均值濾波。將內存中保存的5個壓力歷史值，采用移位指令去掉最早的數(shù)據(jù)，在加進最新采集的數(shù)據(jù)，做算術平均。求出前后壓力差，為了避免在壓力差臨界值處，頻繁啟停設備，如測得壓力大于6pa時，啟動真空泵，壓力降到6pa以下，馬上就停止真空泵。所以設計停止壓力這個設定值。設停止壓力為6pa，則啟動真空泵后，只有壓力降至6pa時，才會停止真空泵。同樣設定啟停氣泵的壓力分別為600pa。然后測試正在運行的點擊的運行參數(shù)，若有故障，則進入故障處理服務。（4）

39、ob21、ob22、fb2、fb2：分別為plc通信程序中的初始化模塊（ob20、ob21、ob22），發(fā)送模塊（fb2），發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（db6），接收模塊（fb4），接收數(shù)據(jù)區(qū)（db7）。真空等離子焊接監(jiān)控系統(tǒng)plc控制流程圖如下：圖5.4 真空等離子焊接監(jiān)控系統(tǒng)plc控制流程圖5.3 充氬過程plc控制的實現(xiàn)真空等離子焊箱的plc，采用1個模擬輸入模塊（sm 331 ai），一個開關量輸入模塊（sm 321 di），一個開關量輸出模塊（sm 322 do），電源模塊采用ps 3075a，通信模塊選用cp 5430。（1）模擬量輸入一個sm 331 ai模塊含有8個12位模擬量輸入通道，分別接

40、電流變送器、電壓變送器、功率變送器、壓力變送器、氣體流量計、壓力計，輸入電網(wǎng)電壓、電流、真空泵電流、功率、爐內壓力等檢測項目。（2）開關量輸入sm321di模塊一般都含有一組輸入點，采用直流24v為額定的輸入電壓。分別接氣體閥手動/自動轉換開關、氣體閥開啟開關、氣體閥關閉開關、氣體閥啟停開關，真空泵手動/自動轉換開關、真空泵啟停開關、設備維護復位開關。（3）開關量輸出sm322do模塊包含以2組輸出點，8點一組一共16個輸出點，輸出控制信號如真空泵工作指示燈、真空泵故障顯示燈、手動/自動方式顯示燈。plc用戶的程序中包含共8個邏輯塊,分別為ob1、ob20、ob21、ob22、fb1、fb2、

41、db1、db2。其中ob20、ob21、ob22、fb2、fb3分別為plc通信程序中的初始化模塊，發(fā)送模塊（fb2），發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)（db2），接收模塊（fb3），接收數(shù)據(jù)區(qū)（db3）。ob1是一般用于處理循環(huán)結構程序的模塊。先執(zhí)行程序的初始化，然后對電流、真空泵的電流、壓力及功率進行逐一檢測。plc會將測得的所有參數(shù)和標準值一個個的比較，對超過限量的數(shù)據(jù)運行診斷程序診斷同時進行自動報警。然后采集氬氣測定儀送到模擬量輸入模塊的數(shù)據(jù)，做加權平均運算后，與設定的氬氣濃度值比較，然后根據(jù)誤差e和誤差變化率，運行pid算法，得到變頻器調節(jié)輸出量，通過profibus網(wǎng)絡送到變頻器通信模板15。plc控制流程圖為：圖5.5 plc控制流程圖結束語真空等離子焊接的效益巨大，但運行成本高，生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益差。所以應用計算機控制技術，實現(xiàn)焊接工藝的半自動、全自動監(jiān)控，提高真空等