基于TD200的自动管-板焊机PLC控制系统

第３５卷第５期　２００６年９月　石油化工设备　ＰＥＴＲＯ－ＣＨＥＭＩＣＡＩ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　ＶｏＩ．３５　ＮＯ．５　Ｓｅｐｔ．２００６　

文章编号：ｉ０００—７４６６（２００６）０５—００６９—０４　

基于ＴＤ２００的自动管一板焊机ＰＬＣ控制系统　

黄　禹　，李　敏　，龚时华　，熊顺安。　

（１．华中科技大学机械学院国家数控系统工程技术研究中心，湖北武汉４３００７４；　

２．江汉大学化学与环境工程学院，湖北武汉４３００５６；　３．武汉星光石油化工设备有限公司，湖北武汉４３００５８）　

摘要：介绍了自动管一板焊机可编程控制器控制系统的结构、功能和原理，重点阐述了该控制系统　中基于ＴＤ２００文本显示器的人机界面设计与实现过程。该系统具有稳定可靠、抗干扰能力强、人　

机界面友好及成本较低等特点，已应用在所研制的自动管一板焊机上，取得了良好效果。　

关键词：自动焊机；管一板焊接；控制系统；ＰＩ　ｃ；ＴＤ２００　中图分类号：ＴＰ　３３２．３　文献标识码：Ｂ　

Ｔｈｅ　ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｔｕｂｅ－ｓｈｅｅｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＤ２００　

ＨＵＡＮＧ　Ｙｕ　。Ｉ　Ｉ　Ｍｉｎ　。Ｇ（）ＮＧ　Ｓｈｉ—ｈｕａ　。ＸＩＯＮＧ　Ｓｈｕｎ—ａｎ　

（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｍｅｃｈａｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎ　ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｗｕｈａｎ　４３００５６。Ｃｈｉｎａ；　

３．Ｗｕｈａｎ　Ｘｉｎｇｇｕａｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　Ｃｏ．Ｉ　ｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００５８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＰＩ　Ｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｕｂｅ—ｓｈｅｅｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｉｔｓ　

ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＤ２００　ｔｅｘｔ　ｄｉｓｐｌａｙｅｒ　ｉｓ　

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｔｙｌｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｔｕｂｅ—　ｓｈｅｅｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｉｔ　ｈａｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｉｔｓ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｔｕｂｅ—ｓｈｅｅｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ；ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ—　

ｌｅｒ：ＴＤ２００　

管子和管板焊接是石化行业中热交换器制造的　关键工序，需要焊接的焊缝多且密集，对焊接质量要　求高。传统手工焊接方法由于效率低下，焊接质量　

不稳定，难以满足现代石化设备管子一管板焊接的加　

工要求ｕｊ。为此，国外厂家相继推出了基于单片机　

或可编程控制器（ＰＬＣ）的全自动管一板氩弧焊机，国　内一些单位也研发了基于单片机的类似产品。但我　国石化行业普遍采用的自动管一板氩弧焊机多为进　

口产品，价格昂贵，使用和维护不便。此外，焊接时　高频干扰信号以及恶劣的车间焊接操作环境对国产　

基于单片机控制系统的自动管一板氩弧焊机影响较　大，焊接质量和稳定性难以保证　。文中介绍以　高性价比的西门子Ｓ７—２００ＰＩ　Ｃ为主机，以ＴＤ２００　

文本显示器为主要的人机界面，配合其他模块，构成　

的稳定可靠、界面友好、功能强大　经济实用的全自　动管一板氩弧焊机控制系统。　

１控制系统结构和原理　

１．１　硬件结构和功能　全自动管一板氩弧焊机控制系统由电源控制模　

块、ＣＰＵ模块、扩展模块、模拟量模块、控制面板、　

ＴＤ２００文本显示器、逆变焊接电源、电机控制（驱　动）器和电机等组成，其结构框图见图１。　

收稿日期：２００６—０３—２７　作者简介：黄禹（１９７２一），男（苗族），广西龙胜人，讲师，博士，主要从事机械制造及其自动化、计算机数控、图像处理、　ＣＡＤ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ等方面的研究。

　维普资讯 http://www.cqvip.com 石油化工设备　２００６年第３ｊ卷　

［困　

图１　系统硬件框图　电源控制模块由两个变压器、２４　Ｖ开关电源、　

以及各种开关组成，为ＰＩ　Ｃ及其扩展模块、驱动器、　

逆变焊接电源等供电。　ＣＰＵ模块采用了价格较低且功能强大的西门　

子ＣＰＵ２２２，具有８个输入点和６个输出点，与具有　

１６输入和１６输出的ＥＭ２２３　Ｕｏ扩展模块构成了　

控制系统的核心部分。ＣＰＵ２２２具有两路独立的　２０　ｋＨｚ高速脉冲输出，通过模块的ＰＴＯ功能，实现　

对旋转电机和送丝电机的启停和速度控制。其他输　

出点用于控制气阀开关、起弧命令等。ＣＰＵ２２２具　

有１３　Ｋ的存储空间，用于存储控制程序、焊接程序　参数、系统参数和ＴＤ２００组态数据等。控制系统提　

供了８０套焊接程序参数的存储容量。　

模拟量模块采用具有两通道模拟量输出的　

ＥＭ２３２模块控制松下ＩＧＢＴ逆变控制焊接电源，为　

焊机提供起弧及维持电弧所需的高频脉冲焊接电　流。脉冲电流大小由ＣＰＵ控制。　

控制面板上集成了各种开关及控制按钮，并连　

接到ＣＰＵ的输入部分，提供焊接方式选择、各运动　

部件的手动／自动控制、焊接启动、焊接紧停等功能。　

控制系统提供了４种焊接方式，包括：焊１层不填　丝，焊１层填丝，连续焊２层、第１层不填丝而第２　

层填丝，连续焊２层均填丝等。系统还提供了空转　

运行选择，用于焊机的调试。所有功能的选择通过　

控制面板上的拨断开关来完成。　

ＴＤ２００文本显示器和控制面板构成了整个控　制系统的人机界面。控制系统将每层焊缝分为８段　

或１６段，每段焊接电流峰值、基值均独立设置，此外　

还需设置焊接速度、焊接重叠角度、送丝速度、预热　

时间及滞断时间等众多参数。参数的输入和编辑是　管一板焊机控制系统的重要功能。本文采用低成本　

的ＴＤ２００文本显示器，实现了焊接参数的输入、编　辑以及焊接信息的实时显示，并完成部分Ｕｏ控制　

功能。　

两个电机控制（驱动）器分别在两路ＣＰＵ高速　

脉冲的控制下，驱动送丝电机和焊接机头旋转电机　完成机头的旋转、送丝、焊接回位以及焊丝回位等　

功能。　

上述硬件模块构成了一个经济可靠、功能强大　

的全自动管一板氩弧焊机的控制系统。　

１．２控制软件设计　控制软件分为３个模块，自动运行模块、手动运　

行模块和参数编辑模块。自动运行模块用于完成单　

条管一板焊缝的全自动焊接，程序流程见图２。手动　

运行模块完成气阀手动开关、点动旋转和点动送丝　

等功能。参数编辑模块由于参数的输入、编辑和调　

用，通过ＴＤ２００组态实现。　

２　ＴＤ２００组态　

ＴＤ２００是专为￥７－２００系列ＰＩ　Ｃ配用的操作员　

界面，可显示中文信息，具有连接简单、操作方便、功　

能强及价格较低等特点。它通过一根ＴＤ／ＣＰＵ电　

缆和ＰＩ　Ｃ实现互连，提供如下主要功能：①显示从　

Ｓ７—２００ＣＰＵ读取的消息。②可以调整选定的程序　

变量。③设置具有实时时钟的ＣＰＵ时间和日期。　

④提供强制／非强制Ｉ／Ｏ点的能力。⑤提供８个可　

供用户自定义的功能键。　

本文采用ＴＤ２００文本显示器实现了焊接程序　（共８０套）选择、焊接参数输入与编辑、焊接信息实　

时显示以及部分Ｉ／ｏ控制等功能。ＳＴＥＰ７一Ｍｉｃｒｏ／　

ＷＩＮ提供了一个向导，可以方便地在Ｓ７—２００　ＣＰＵ　

园圉　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　黄禹。等：基于ＴＩ）２００的自动管一板焊机ＰＩ　控制系统　・　７１　・　

图２　自动程序流程框图　

的数据存储区中组态参数块和消息。在完成选择项　的选择和消息建立之后，ＴＤ２００组态向导自动把参　

数块和消息文本写入ＣＰＵ可变存储器（Ｖ存储　

器），包括语言、更新速率、消息和消息使能位等，构　成一个ＴＤ２００参数块。每次运行时，ＴＤ２００从　

ＣＰＵ读参数块，对所有参数进行合法性检查后，开　

始主动循环查询消息使能位，以决定要显示的消息，　

并从ＣＰＵ读取消息。按上述步骤组态得到ＴＤ２００　

参数块如下：　

／／ＢＥＧＩＮ　ＴＤ２００一ＢＩ　ＯＣＫ一一一一一一一　

……………………（略）　

／／Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｅｎａｂｌｅ　Ｂｉｔ　Ｖ５０．７　

ＶＢ１００’１热预时间’　

ＶＢ１　１４　１６＃１０　／／Ｅｄｉｔ　Ｎｏｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　Ｖ１　１４．２；　

Ｎｏ　Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ；Ｎｏ　Ｐａｓｓｗｏｒｄ；　

ＶＢ１１５　１６＃１０／／Ｓｉｇｎｅｄ　Ｗｏｒｄ；０　Ｄｉｇｉｔｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｃｉｍａｌ；　ＶＷ１１６　１６＃００００　／　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｄａｉａ　Ｖａｌｕｅ：　Ｍｏｖｅ　ｄａｔａ　ｆｏｒ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｈｅｒｅ．　

ＶＢｌ１８’（０．１秒）’　

……………………（略）　ＭＥＳＳＡＧＥ　

／／／Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｅｎａｂｌｅ　Ｂｉｔ　Ｖ５６．５　

ＶＢ２１００’武汉星光Ｖｅｔ．０５—００１＊＊管板全自　动氩弧机＊＊’　

……………………（略）　

／／ＥＮＤ　ＴＤ２００一ＢＩ　（）ＣＫ一一一一一一一　上述参数块定义了５４条　ＦＤ２００消息，通过　

Ｖ５０．０～Ｖ５６．２单元进行使能控制。其中４６条消　息含有嵌套数据，分别用于预热时问、衰减时间、滞　断时间、各段焊接电流的峰基值、重叠角度、送丝速　度、旋转速度等焊接参数的设置和编辑以及焊接程　序号的设定及调用。其余消息用于焊接信息的实时　

显示。　Ｍ１３．０～Ｍ１３．７定义了ＴＤ２ＯＯ的８个自定义　功能键，可进行Ｉ／（）控制。Ｖ３．２和Ｖ３．３是面板上　“▲”和“Ｖ”系统按键对应的控制位。本文利用上述　两个控制位，并以ＶＤ６０和ＶＷ６４为中间变量，实　时更新设置参数的消息使能位ＶＳ０．０～Ｖ５５．５，实　现了设置消息的轮询，方便了焊接参数设置。实现　

程序如下。　Ｉ　Ｄ　Ｍ１３．１　

Ａ　Ｖ３．３　ＥＵ　

Ｉ　ＰＳ　Ａ　Ｖ６０．７　Ｍ（）ＶＤ　１６＃００００００００，ＶＤ６０　ＡＥＮ（）　Ｍ（）ＶＷ　１６＃０００８。ＶＷ６４　ＡＥＮ（）　

Ｓ　Ｍ２０．１。１　Ｉ　ＲＤ　

……………………（略）　Ａ　Ｖ６５．７　Ｍ（）ＶＤ　１６＃００００００００，ＶＤ６０　

ＡＥＮ０　Ｍ（）ＶＷ　１６＃０１００，ＶＷ６４　ＡＥＮ（）　

Ｓ　Ｍ２０．１，１　ＬＲＤ　

ＡＮ　Ｍ２０．１　ＡＮ　Ｖ６０．７　

……………………（略）

　维普资讯 http://www.cqvip.com