基于现场总线的埋弧焊接控制系统设计

1 轧辊埋弧焊接控制概述

埋弧焊是一种重要的焊接方法，其优点是焊接时将弧光埋起来，对人及环境的影响非常小。

埋弧焊施焊有三个基本环节：在焊件待焊接缝处均匀堆敷足够颗粒状焊剂;导电嘴和焊件分别接通焊接电源两极以产生焊接电弧;自动送进焊丝并移动电弧和焊件实施焊接。埋弧焊自动控制技术包括两个方面：对自动焊过程的顺序控制，实现三个基本环节控制;对弧焊设备和焊接过程的自动控制，包括弧焊机输出特性的控制，焊接过程自动跟踪及焊接过程的自适应控制等。

2 现场总线概述

现场总线是在智能现场设备和自动化系统间提供一个全数字化的、分散的、双向的、多点的通信链接的一种工业数据总线。现场总线技术及标准是全开放式的，从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。

智能化、数字化、信息化、网络化、微型化、分散化代表着当今自控技术发展的主流方向，而现场总线正是促使控制系统顺应这一发展方向的重要技术。FCS是继DCS之后的新一代控制系统，也是现在工业自动化的开发热点之一。其突出特点在于克服了DCS中通信由封闭的专用网络系统实现中所产生的缺陷，同时把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线控制系统是应用现场总线技术对传统的集散控制系统进行改造，实现了数字化的信息传输，通信质量和连线方式上都有较大突破。

轧辊焊接设备FCS废除了DCS中采用的“操作站-控制站-现场设备”3层主从结构的模式，把输入/输出单元、控制站的功能分散到智能型现场单元中去，任何一个单元出现故障只影响本身而不会危及全局，这种彻底的分散型控制体系使系统更加可靠。轧辊焊接设备FCS可采用多种网络拓扑结构，给自动化系统的施工带来极大的方便，布线较DCS节省经费。基于以上FCS的优点，本设计应用现场总线技术组成现场总线控制系统，实现焊接设备的自动化控制。

3 轧辊焊接控制系统硬件设计

3.1 现场总线选型

PROFIBUS现场总线是西门子公司开发制定的一种现场总线标准，是在国际上比较流行的一种现场总线。PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，对第三层到第六层进行简化，他的标准适应性强。PROFIBUS现场总线基于令牌协议与主从轮询相结合的存取控制方式，主站以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。由于PROFI-BUS现场总线技术上的成熟性和开放性，以及实际应用中的成本优势，轧辊焊接设备控制系统中采用PROFIBUS现场总线。

3.2 现场总线控制系统组成

PROFIBUS-DP的特点更适用于单台生产机械的组网，设计中采用PROFIBUS-DP现场总线技术来进行组网。轧辊焊接设备主站和从站均选择PLC，PROFIBUS-DP用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通信，特别适合于PLC与现场设备间通信。PROFIBUS-DP扫描1 000个I/O点的时间少于1 ms，支持9.6 k～12 M的通信速率和中继器的扩展功能。轧辊焊接设备FCS网络采用总线型网络拓扑结构，网络介质使用RS-485标准屏蔽双绞线。PROFIBUS-DP是制造业自动化主要应用的协议内容，是一种高速低成本通信方案，能够满足在长轧辊焊接过程中要求的快速性和实时性。

轧辊焊接设备FCS配置相当灵活，组网形式多种多样。轧辊焊接设备现场总线控制系统如图1所示。PRO-FIBUS网络的实现主要由带PROFIBUS通信接口的中央处理器或通信模块完成，通信模块有DP主站和DP从站等。本系统为多主多从、单生产厂商设备的DP混合系统。FCS包括2个主站和2个从站。一类主站主要进行协调控制从站，二类主站进行监视，从站主要进行焊接运动控制。从站为外围设备，没有总线控制权，仅当接受到的信息给予确认或当主站发出请求时向他发送信息。

应用西门子S7-300和S7-200系列的PLC，组成FCS中的基本现场控制单元。CPU315-2DP、CPU224XP和TP170A三者之间的通信协议为PROFIBUS现场总线协议。CPU315-2DP PLC作一类主站，触摸屏TP170作为二类主站，CPU224XP是从站。EM277可作为CPU224XP接入PROFIBUS现场总线专用模块。主站之间的通信为令牌方式，主站与从站之间的通信为主从方式。图中两部分从站系统组成相同，能够实现分别加工2根短轧辊和共同加工1根长轧辊。

　　4 轧辊焊接控制系统软件设计

在主一从系统中，主站与从站采用主-从程序实现通信。主-从系统允许主站当前有权发送、存取指定给他的从站设备，这些从站是被动节点，主站可以发送信息给从站或从从站获取信息。S7-300 PLC程序主要进行