基于Profibus总线的镀锌生产线激光焊机控制系统

文章编号：１６７３－５１９６（２０１４）０６－００１８－０４基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线的镀锌生产线激光焊机控制系统王　睿１，朱恒飞１，陈海永１，花季伟２

（１．河北工业大学控制科学与工程学院，天津　３００１３０；２．天津师范大学计算机与信息工程学院，天津　３００３８７）摘要：针对镀锌生产线的特点，介绍镀锌生产线中激光焊机的总体结构及工艺流程．镀锌生产线主站采用Ｓ７－４００

ＰＬＣ作为控制器，通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线通信，实现主站与远程ＩＯ总线、交流变频伺服驱动系统、ＨＭＩ人机界面系统的通信．其中远程ＩＯ总线主要负责焊前准备和焊后处理；其交流变频伺服驱动系统极其复杂，包含１４个伺服电机，完成带钢间隙生产线方向调整、激光架生产线方向移动、带钢手动对中调整、带钢入（出）口对中调整、激光架过程梁方向移动、焊接头和剪切头竖直方向移动、压轮过程梁方向移动、带钢中性层调整；ＨＭＩ人机界面主要负责焊机工艺参数的设定、焊机运行时的状态监视和焊接工作历史数据的查询．

关键词：镀锌生产线；激光焊机；Ｐｒｏｆｉｂｕｓ；

伺服系统

中图分类号：ＴＧ３３４．９ 文献标识码：Ａ

Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ｂａｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｇａｌｖａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ

ＷＡＮＧ　Ｒｕｉ　１，ＺＨＵ　Ｈｅｎｇ－ｆｅｉ　１，ＣＨＥＮ　Ｈａｉ－ｙｏｎｇ１，ＨＵＡ　Ｊｉ－ｗｅｉ　

２

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３８７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｇａｌｖａｎｉｚｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ，ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｆｌｏｗｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎ　ｇａｌｖａｎｉｚｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ　ｉｔｓ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅＳ７－４００ＰＬＣ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ　ｂｕｓ，ｔｈｅ　ｍａｓｔｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈ　ｒｅｍｏｔｅ　ＩＯ，ＡＣ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ＨＭＩ（ｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）．Ｔｈｅ　ｒｅ－

ｍｏｔｅ　ＩＯ　ｂｕｓ　ｉｓ　ｉｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｏｓｔ－ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．ＡＣ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍｉｓ　ｖｅｒｙ　ｃｏｍｐｌｅｘ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　１４ｓｅｒｖｏ　ｍｏｔｏｒｓ．Ｔｈｅｙ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｊｏｂｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｔｒｉｐ　ｇａｐ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｌａ－

ｓｅｒ　ｆｒａｍｅ　Ｘ－ａｎｄ　Ｙ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｉｐ　ｍａｎｕａｌ　ａｌｉｇｎｍｅｎｔ，ｓｔｒｉｐ　ｅｎｔｒｙ（ｅｘｉｔ）ａｌｉｇｎｍｅｎｔ，ｗｅｌｄｉｎｇ

ｈｅａｄ　ａｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｅａｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｐｌａｎｉｓｈｉｎｇ　ｒｏｌｌｅｒ　Ｙ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｓｔｒｉｐ　ｎｅｕｔｒａｌ　ｌａｙｅｒａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ．ＨＭＩ　ｉｓ　ｉｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａ－

ｔｉｏｎ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ａｎｄ　ｉｎｑｕｉｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｌｖａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ；ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；Ｐｒｏｆｉｂｕｓ；ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ

镀锌钢板具有防腐蚀效果显著、成本低廉、品种多样等优点，在建筑、汽车、家电等行业具有广阔的市场［１－３］．焊机是镀锌生产线的关键设备，位于镀锌机组的入口段，在入口的夹送辊和张紧辊之间，其作用是把带钢上一卷的带尾和下一卷的带头焊接起来，以保证轧机组的连续生产．目前适合镀锌机组正常生产的、可采用的、自动化程度较高的焊接方法主 收稿日期：２０１４－０１－０９ 基金项目：河北省自然科学基金（Ｆ２０１４２０２０７１），天津市高等科技发展基金（２０１２０８１４） 作者简介：王　睿（１９７８－），女，河北乐亭人，博士．要有窄搭接焊和激光焊．激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，日益受到人们的关注［４］．本文详细分析了镀锌生产线的

激光焊机结构及控制系统，河北工业大学参与了该生产线中焊机控制系统的调试与现场测试等工作．

１　

镀锌生产线激光焊机结构及工艺流

程

电镀锌生产线是将经冷连轧机组轧制和退火后的板卷，送进电镀锌机组，进行连续处理的过程．其

第４０卷第６期２０１４年１２月兰　州　理　工　大　学　学　报Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．４０Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１４镀锌工艺过程如下：上料－开卷－切头－焊接－活套－预脱脂－电解脱脂－刷洗－浸渍水洗－电解酸洗表面活化－酸洗后水洗－电镀锌－镀后水洗－热风烘干－电解钝化（磷化处理）－浸渍回收－水洗＋新鲜水洗－烘干（静电涂油）－活套－品质检查－剪切－卷取－卸卷－包装［５－６］．其中所采用的焊接方法是激光焊接．镀锌生产线激光焊机总体结构如图１所示［７］．

１．入口活套；２．入口对中夹具１；３．入口对中夹具２；４．入口活动夹具；５．出口固定夹具；６．光路系统；７．激光发生器；８．出口对中夹具２；９．冲孔装置；１０．出口对中夹具１；１１．出口活套图１　镀锌生产线激光焊机总体结构Ｆｉｇ．１　Ｏｖｅｒａｌｌ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｏｎ　ｇａｌｖａｎｉｚｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｉｎｅ

镀锌生产线激光焊机工艺流程：首带钢停止在激光焊机的出口侧，出口对中夹具８和出口对中夹具１０夹紧钢板，进行生产线方向的对中．出口固定夹夹紧钢板完成生产线方向的对中，通过剪切头，剪切首带钢的尾部（光路开关转向剪切头）．尾带钢停止在激光焊机的入口侧，入口对中夹具２和入口对中夹具３夹紧钢板，进行生产线的方向对中，入口活动夹具夹紧钢板完成生产线方向的对中，剪切头由出口侧移到入口侧，通过剪切头，剪切尾带钢的头部．由伺服电机控制定缝刀的位置，调整钢带之间的间隙，为钢板焊接做准备．由气缸带动入口活动夹具向前移动，使尾带钢停靠在准备焊接的位置．由激光器发出激光对带钢进行焊接（光路开关转向焊接头），在焊接过程中，焊接头沿着垂直于生产线方向运动，通过伺服电机控制焊接的速度．焊接完成后，通过碾压轮对焊缝进行碾压处理．入口活动夹具和出口固定夹具打开，带钢沿生产线方向继续移动，焊缝到达冲孔装置，进行冲孔，用于记录焊缝在生产线的位置［８］．该系统采用的是ＣＯ２激光器，ＣＯ２激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用Ｋ８光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜—镀金膜，在波长１０．６μｍ处的反射率达９８．８％，且化学性质稳定．二氧化碳发出的光为红外光，由于普通光学玻璃对红外光不透过，所以反射镜需要应用透红外光的材料．就要求在全反射镜的中心开一小孔，再密封上一块能透过１０．６μｍ激光的红外材料，以封闭气体．这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光．其结构如图２所示．

１．激光束；２．激光束望远镜；３．输出反射镜；４．冷却水出口；５．高频激励输入；６．冷却水入口７．后方的反射镜；８．放电区；９波导管；１０地面图２　ＣＯ２激光器结构Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＯ２ｌａｓｅｒ

２　基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线激光焊机控制系统

相比于其他总线，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线用于分散外

设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用．

Ｐｒｏｆｉｂｕｓ支持主－从系统、纯主站系统、多主多从混

合系统等几种传输方式．主站具有对总线的控制权，可主动发送信息［９］．在镀锌生产线中，本系统中的测

量点数和监控点数比较多，如数字量ＤＩ有２７３个，数字量ＤＯ有２０３个，模拟量ＡＩ有１５个，模拟量ＡＯ有８个，总共点数将近５００个，并且这些点都分

·９１·第６期 王　睿等：基于Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线的镀锌生产线激光焊机控制系统

散地分布在现场的生产线上．考虑到现场走线的成本以及走线的难度和后期维护的方便，考虑采用一根总线将现场的所有设备串联起来就可以将上述的问题解决掉．同时现场的电机设备，变频器设备以及高压电、大电流、强振动的设备较多，对通信的总线要求比较高，通过实际项目经验，国产的屏蔽双芯线在低速通讯时效果还行，但通讯速率到１２Ｍ／ｓ时就会出现通讯的不稳定甚至完全不能通讯的状况，所以采用西门子专用的带有金属屏蔽层的双芯通讯线来实现．综上所述，采用西门子的１个主控制器ＰＬＣ，通过一根Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ现场总线连接到现场的所有ＥＴ２００Ｓ从站的ＩＭ１５３－１通讯接口模块上，再将ＥＴ２００Ｓ从站分布到现场的生产线上，将现场的所有信号采集到从站的信号模块中，即通过西门子典型的分布式Ｉ／Ｏ通讯方式实现控制器和现场设备的高速稳定通讯［１０］．Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ总线是焊机整个通讯系统的主要组成部分，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ现场总线是西门子ＰＬＣ工业网络标准，抗干扰能力强，广泛应用于Ｓ７系列ＰＬＣ系统［１１－１２］．在焊机控制系统中，设定传输速率为１２Ｍｂｐｓ，高速的通讯能力保证了信号传输的即时性，减少了通讯延时的误差，它负责伺服装置、远程Ｉ／Ｏ、人机监控画面等数据交互．激光焊机控制系统组成如图３所示．图３　激光焊机控制系统组成Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ主站采用Ｓ７－４００ＰＬＣ作为控制器，ＣＰＵ为４１４－３．内部自带有２Ｍ的ＲＡＭ和３个Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ接口．其中连接三端Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线分别是：远程Ｉ／Ｏ总线通讯系统、交流变频伺服驱动系统、ＨＭＩ人机界面系统．２．１　Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ远程Ｉ／Ｏ总线通讯系统各控制柜之间通过ＥＴＳ２００Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ远程Ｉ／Ｏ模块，将分布与８个控制柜连接．其中８个控制柜功能如下：１）焊机ＰＬＣ控制柜．焊机ＰＬＣ选用的是Ｓｉ－