基于profibus总线的激光焊机plc控制系统.pdf
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1、第 3 5卷第 2期 2 0l 1年 3月 冶 金自 动 匕 Me t a l l u r g i c a l I nd u s t r y Aut o ma t i o n V0l _ 3 5 No 2 Ma r 2 01 1 系统 与 装 置 基 于 P r o fi b u s总线 的激光焊机 P L C控 制 系统 陈海永 , 黄 力宁 , 孙鹤旭 ( 河北工、 大学 控 制科 学与 程学 院 , 天津 3 0 0 1 3 0 ) 摘 要 : 某公 一引进的德 罔克莱西姆 L W2 1 L C O 连续 激光焊 机采用以 西门子 $ 7 - 4 0 0系列 P L C为核心 的分 布
2、式 I 0控制系统和曲门子 S i m o d r i v e 6 1 1 u伺服控制器, 并通过 P r o fi b u s 总线通信, 实现了伺服电动机位置和速度 的 州环控制 、 带钢 对中控制 以及 N 压 力非线 性补偿 P I D控制 , 保证 _ r 激光焊机 切割 和焊接 的正常进行 。另外 , 存 Wi n C C监控 系统 巾根据 小 带 钢 号 没定不 同焊接参数 , 并实 现对焊接 过程 畦要 参数 的监控 和报 警 信息 的 在线处理 , 保 证 J , 激光 焊机柔性 、 町靠 地 自动运行 。 关键 词 : 激光焊机 ; P L C ;伺服控制器 ; Wj n
3、C C; 电动机控制 中图分类号 : T G 3 3 4 9文献标志码 : B文章 编号 : 1 0 0 0 - 7 0 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 - 0 0 4 5 -05 Pr o fib us ba s e d PLC c o n t r o l s y s t e m f o r l a s e r b ut t we l d e r CHEN Ha i y o n g, HUANG Li n i n g, SUN He X H ( S c h o o l o f C o n t r o l S c i e n c e s a n d E n g i n e e r i
4、n g , He b e i U n i v e r s i t y o f l e c h n o l o g y , T i a n j i n 3 0 0 1 3 0, C h i n a ) A b s t r a c t : A c o n t r o l s y s t e m d e s i g n e d f o r C l e c i m C O 2 c o n t i n u o u s l a s e r b u t t W e l d e r( t y p e L W2 1 L)i s pr e s e nt e d T he c l o s e d l o o p c
5、 o n t r o l o f t he s pe e d a n d po s i t i o n o f s e r v o mo t o r s i s r e a l i z e d b y us i n g t h e S i e me n s$ 7- 40 0 a nd t h e S i mo d r i v e 61 1 U t h a t c o mmu n i c a t e v i a t h e Pr o fib us b u s T he N2 pr e s s u r e n o n l i n e a r c o mp e n s a t i o n P1 D
6、c o n t r o l a nd c e nt r a l i z a t i o n o f s t r i p a r e a l s o i mp l e me n t e d wi t h t he P LC s y s t e m a n d i t s s o f t wa r e c o n t r o l b l o c k,wh i c h g u a r a n t e e s t h e n o r ma l o p e r a t i o n s o f c u t t i n g a n d we l d i n g o f l a s e r b u t t w
7、e l d e r T h e We l d p a r a me t e r s for t h e di f f e r e n t k i n d s o f s t e e l p l a t e a r e s t o r e d i n t he d a t a b a s e o f t h e W i nCC b a s e d mo ni t o r i n g s y s t e m a nd c a n b e d o wn l o a d e d t o c o n t r o l l e r u po n p r a c t i c a l r e q u i r e
8、 me n t Mo r e o v e r ,t he a l a r m i n f o r ma t i o n a nd t h e i mp o r t a n t p a r a me t e r s d u r i ng we l d i n g a r e mo n i t o r e d a n d p r o c e s s e d i n r e a l t i me,wh i c h a s s ur e s fle x i b i l i t y,r e l i a b i l i t y a n d a u t o ma t i c r u n n i n g o
9、f t h e l a s e r b u t t we l d er Ke y wo r ds : l a s e r b ut t we l d e r ; PLC; s e l wo c o n t r o l l e r ; W i n CC; mo t o r c o n t r o l 常用的电弧焊或闪光焊 , 降低 了焊 接层 的 韧 性 , 容易导致焊接区出现皱褶 , 为了得到高强度 的 焊缝 , 防止带钢折断 , 在批量生产中多采用激光焊 机进行焊接 。本文 以 2 0 0 9年 1 2月某公 司从德 国 克莱西姆引进 的先进 的 C O ,激光焊机设备 为例 , 介绍该焊机
10、的 P L C控制系统 。在该项 目中河北工 业 大 学参 与 了控 制 系统 的调试 与 焊机 的现 场 测 试 等工作。 C O , 激光焊机具有焊接重复性好 、 焊缝 窄、 变 形小 、 焊接过程 稳定 的工艺效果 。激光焊接技 术 能够保证焊缝 与母 材 的组织及 程度接近 , 可 以获 得与母材性能几 乎相等 的优质 焊头 , 是 目前 国际 冶金行业比较先进的加工工艺。利用该焊机 可 以焊接不锈钢 、 低碳钢 、 高碳钢 、 双相钢 、 镀层钢 、 普通合金钢等带钢 材料 , 焊接 带钢 的厚度范 围为 0 3 2 5 mm, 宽度范围为 6 0 01 6 2 5 mm。 收稿 日
11、期 : 2 0 1 0 4 ) 7 1 6 ; 修 改稿收 到 日期 : 2 0 1 0 一 l 1 2 4 基 金项 目: 河 北省 自然科 学基金资助项 目( F 2 0 1 0 0 0 0 1 6 0 ) 作者简 介: 陈海水 ( 1 9 8 0 ) , 男 , 河 南丌封 人 , 讲 师 , 博 i : , 主要从事焊接 自动控制 等领域 的研 究 第2 期 陈海永 , 等 : 基于 P r o fi b u s 总线的激光焊机 P L C控制 系统 4 7 该系统采用 O P 1 7 0操作 面板 , 可 以实现 自动 模式 、 半 自动模式和维护模式 3种方式 的选择 , 以 及在
12、维护模式 和半 自动模式 下的焊机手 动操作。 在触摸屏上还可以直接进行参数设定 和远程操作 监视 。 该系统的 P L C控制 软件 采用 S t e p 7 V 5 4软 件集成开发环境来编程 , 并主要利用 C F C ( 连续功 能图表) 和 G r a p h高级语言进行程序设计 , 上位机 监 控 系统 采 用 Wi n C C 6 2进 行 组 态 , S i mo d r i v e 6 1 1 U伺服控制器采用 S i mc o m u软件进行设置 , 操 作面板触摸屏运行在 Wi n C C F l e x i b l e软件平 台之 上 。 3 系统设计 本控制 系统 以
13、西 门子 $ 7 - 4 0 0系列 P L C为核 心 控 制器 , 并 通过 P r o fi b u s 总线 与 西 门子 S i m o d r i v e 6 1 1 U伺服控制器通信 , 实现了伺服 电动机位置 和 速度 的闭环控制 、 带钢对 中控制 ; 通过 P r o fi b u s总 线与 E T 。 2 0 0从站通信 , 实现 N 压力非线性 补偿 P I D控制 ; 通过在上位机安装 的 5 6 1 3卡将 Wi n C C 接入到 P r o fi b u s 总线 , 实现对焊接过程重要参数 的 监控和报警信 息的在线处理 , 保证 了激 光焊机切 割 和焊
14、接 的顺 利进 行 。 3 1焊 机控 制 系统 焊机控制主要实现伺服 电动机位置和速度闭 环控制 、 基于磁尺测量的带钢对中控制以及 N , 压 力的非线性补偿 P I D。 3 1 1 伺服电动机位置和速度闭环控制 位置和速度闭环控制原理如图 3所示 。 伺服控制器 ;电动机 图 3位置和速度 的闭环 控制原理 Fi g 3 P o s i t i o n a n d s pe e d c l o s e d l o o p c o nt r o l s c h e ma t i c d i a g r a m 整 个 系统 涉 及 到 1 4个 电 动 机 的 位 置 和 速 度 控制
15、, S i m o d r i v e 6 1 1 U伺服控制器 中所带 的 6 4个 程序段 中包含 了控 制 电动机 的位 置和速度参 数 , P L C控制器根据工艺过 程计算位 置和速度参 数 , S i m o d r i v e 6 1 1 u伺服控制器把位 置设定 点以及趋 向目标位 置 的伺 服 电动 机速 度传 送给伺 服 电动 机 , 从而实现 电动机 的本地位 置和速度 的闭环控 制。在图 3中 , 从 操作 面板发出选择 X, Y , Z轴以 及沿这一轴前进和后退 的命令后 , 即在 P L C内部 根据工艺预先设计的 目标位置值与 当前值进行 比 较 , 得 出伺服
16、电动机需要运行 的方 向及距离 ; 然后 选择相应 的程序段号码传 送给伺服控 制器 , 作为 伺服电动机 的 目标位置动作 的命 令。同时, 速度 以倍率形式传送 , 对应伺服控制器的控 制字倍率 , 将速度倍率与程序段速度相乘就得到了当前运行 速度 , 伺服 电动机 以此速度运 行到设定位置 。最 后 , 电动机拖动设备 , 直到绝对值编码 器反馈 的绝 对编码 目标值 与实 际值相 同时, 绝对位 置定 位的 速度控制过程结 束 , 就完成 了伺 服 电动机位 置和 速度 闭环控 制 。 3 1 2基于磁尺测量 的带钢对中控制 利用 4个磁尺实现人 口带钢和出 口带钢的对 中, 为下一步
17、 的焊 接做好准备。根据对 中单元 的 机械设 计 , P L C需 要根据带钢边缘 的两个磁尺传 来的 4个测量信号 ( 用于确定带钢 和生产线之 间 两中心线的距 离) : 磁尺检测头 1 处带钢两边缘距 离带钢生产线中心线距 离 d 。 和 d ( 图中线段 A B 和 n c) ; 磁尺检测头 2处带钢两 边缘距离带钢生 产线 中心线距离 d 和 d ( 图 中线段 D E和 E F) , 计算 当带钢相 对 于带钢生 产线 中心线 发生 偏移 时 , 带钢 中心线 相对于带钢生产 线 中心线需要移 动 的基本补偿量 d 和 d 。带钢对 中正上方俯视 图如 图 4所示 。 带钢边缘
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