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　0前言

　　龙门埋弧焊机以其优异的性能，在钢结构、起重设备等的焊接中得到了广泛的应用。目前国内在工业领域广泛应用的龙门埋弧焊成套设备多为模拟控制，将PLC应用于龙门埋弧焊控制系统中，克服了传统分立器件和小型继电器触点容易损坏的缺陷，可以使系统更稳定。对此，设计了一种新型控制电路，对传统继电器的控制系统进行了改进，使龙门埋弧焊成套设备的控制水平有了进一步提高。

　　1硬件系统设计

　　1.1龙门埋弧焊机的结构

　　龙门埋弧焊成套设备主要由焊接电源、龙门架行走机构、送丝机构、配套焊剂回收装置和电气控制箱等组成。焊接电源采用ZX5—1000A直流弧焊电源。龙门架行走机构由行走电机、减速器、离合器、行走轮组成，龙门架的行走采用电机纵向双边减速驱动，变频器控制，无级调速。送丝机构由送丝电机、减速器、送丝轮、压紧轮等组成，用来驱动焊丝的送进与回抽。焊剂回收系统由空压机、吸尘器、吸剂管及管件组成。

　　1.2龙门埋弧焊控制系统的设计原理

　　龙门埋弧焊PLC控制系统电路逻辑功能设计是以PIE为核心，对外围功能控制信号进行检测和信号处理，根据程序要求进行相应驱动。系统原理框图如图1所示。

　　1.3龙门架电机驱动电路

　　龙门架行走的驱动电机采用交流电动机(型号MTPl57MTD97)采用变频器控制调节焊接速度，并采用外引电位器连接，方便操作。操作人员可以通过调节控制面板上的焊接速度电位器，任意选择焊接速度。龙门架的回程速度可以通过PLC设定，确定龙门架回程速度大小，提高工作效率。电路结构如图2所示。

　　1.4送丝电路

　　送丝电机在工作中需要进行送丝和抽丝的快速转换，选用带有励磁的直流电机，通过改变励磁电流方向实现直流电机的正转(送丝)，反转(抽丝)。送丝电机采用调速电路调节电枢电压来实现速度控制，电路组成如图3所示。

　　主电路采用直流斩波式开关电路，由功率场效应管VF4、功率二极管VD2、电容器C2、电阻R15、电流检测电阻R16组成。控制电路使用专用PWM脉宽调制芯片UC3524和其他一些元器件。工作原理为：直流电源Supply加到主电路上，功率场效应管VF4根据控制电路输出脉宽信号进行导通或截止，在电机两端得到频率固定且脉宽可调的脉动直流信号，实现直流电机的调速。电路中由PWM芯片处理给定信号和电机电压反馈信号，进行PI控制调节，再由PWM芯片输出到驱动功率场效应管VF4的PWM驱动信号。调速电路中采用直流电机电动势的电压反馈和电流截止负反馈两种方式。为了更准确地检测直流电机转速，电压反馈信号是在功率场效应管截止时进行采样，此时电压信号是直流电机的电动势，可较准确地反映直流电机转速。同时为使电路更加安全可靠，采用电流截止负反馈方式(CL信号)，确保电路在起动和工作中电枢不会出现过电流。调速电路起动信号由PWM芯片的软起动端(SD)控制，控制较为简单方便。

　　1.5励磁切换电路

　　引弧成功率是埋弧焊焊接性能的一个重要指标。为可靠引弧，设计中通常增加反抽丝引弧功能，即引弧过程中控制系统检测电弧电压。当电弧电压低于某电压时，送丝电机就会反向运转将焊丝提升(抽丝)，电弧电压高于此电压(引弧成功)时，送丝电机正常运转。通常采用继电器切换电枢电流方向的方法来控制送丝电机的正转与反转，由于电枢电流较大，继电器会经常出现故障。为了克服这一问题，采用改变励磁电流方向来实现送丝和抽丝状态转换，电流切换使用功率开关，实现了无触点工作，电路原理如图4所示。

　　励磁切换电路由VDMOS(VF201～VF204)4只功率器件组成桥式变流电路，工作电源加在桥式电路两端，通过控制VF20l、VF204导通，VF202、VF203截止;或Vk202、VF203导通，VF201、VF204截止，切换励磁电流的方向，实现送丝电机的正反转(送丝和抽丝)。采用功率器件切换励磁电流方向可以避免励磁电路的零磁通现象。

　　2 PLC硬件系统设计

　　2.1 PLC输入/输出点数计算和选型 

　　选择PLC型号时一般应考虑到系统需要满足的功能，输入/输出点数，内存容量及成本等因素。本系统共有10个基本输入按键，按常规接入将需要10点PLC输入，PLC输出部分控制共有6路基本输出。基于设计要求和输入/输出点数计算以及控制成本等因素，本系统选用三菱FX2N一32MR作为系统控制核心，控制容量达到10 k步。

　　3 PLC软件设计

　　龙门埋弧焊控制系统程序设计包括调试和联制转换、点送速度方向控制、焊接起动引弧控制、焊接停止收弧控制等。龙门埋弧焊机得电后，核心控制器件PLC电路将根据外部设置运行某种程序。此时用户可以通过开关进行各种操作调整焊接参数，选择焊接方式、引弧规范、收弧规范以及龙门架行走方向。在焊接之前可进行各种调试，如将焊丝进行向下、向上输送以满足焊接要求。焊接起动后，根据外部设置进行引弧程序，引弧成功后，系统又将根据用户选择的各种参数进入工作状态。若检测到焊接停止信号PLC则进入收弧控制程序并结束焊接

　　该桥控制系统以上位工业监控软件人机界面操作及现场监控，下位PLC为核心进行动态测量。利用组态软件完成开、闭桥的分步自动控制及油缸动作到位、电机过载、漏油器堵塞等信号的处理并将状态显示。风速、风向、速度、油箱油温、开启角度等参数输入到PLC模块中进行相应控制。通过海底光纤电缆为A、B桥之间建立环形工业以太网通讯网站，进行数据传输。用光纤电缆通过光纤交换机OSM一62进行连接数据交换，通过PLc上2点CP一343一l通讯处理器，具备通讯控制、检测数据传送等功能，为A、B桥提供必要的信息，使得系统不仅具有自动、手动控制功能，单动操作功能，还能实现远程实时监控以及故障诊断功能。

　　1 系统概述

　　开肩桥电气控制具有安全保护措施，其中包括短路、过载、缺相、故障报警、显示、失压、欠压等保护，并设有紧急断电停机和紧急状态停机按钮。主电路采用三相五线制供电，总装机功率1 080 kw，单边功率约540 kw，3台160 kw主油泵电机采用软肩动装置启动。控制和信号采集选用PLC装置，并用人机界面(HMI)进行组态，显示运行状态、故障点等。A、B两桥之间采用工业以太网环网进行通讯、控制等信息的传递。在操作桥开启或关闭前应进行授权方式，然后对工况选择，再进行相关操作。

　　1.1授权方式

　　A桥为主控A桥控制、B桥控制、A/B桥控制3种授权方式。A桥控制：在A桥处进行操作，控制A、B桥自动开启或关闭;B桥控制：在B桥处进行操作，控制A、B桥自动开启或关闭;A/B桥控制：A桥、B桥各自分别进行手动操作，A桥控制A桥、B桥控制B桥，开启或关闭。

　　1.2工况选择

　　分自动、分步、手动3种方式。自动：操作员从操作台使用少量操作按程序自动开启或关闭桥梁;分步：操作员分步顺序开启或关闭桥梁;手动：在紧急情况下可以不用PLC由维护员进行操作，A、B桥各自控制本部动作。

　　1)自动控制(授权可选A或B位置)

　　自动控制时工况选择自动位置，通过自动开桥、自动闭桥、自动停机等按钮启动自动程序完成桥的开启和关闭过程。

　　开桥/闭桥开始前应先启动液压泵站，可在A桥或B桥启动。若选A桥控制，则在A桥启动l#泵同时可通过T业以太网将信息传递到B桥启动l#泵，依次类推完成开桥/闭桥。也可选B桥控制，在B桥启动A桥。

　　2)分步控制(授权可选A或B位置)

　　分步控制时工况选择分步位置，在分步控制中选择开桥或闭桥，其动作是按照对应顺序、步骤进行，不可跳跃步骤。必须先启动l#泵电机，根据需要再启动2#、3#泵电机，通过选择分步开桥或闭桥的转换开关，然后从第一步开始到后一步的顺序进行，选好步骤按分步的伸/开或缩/闭或停止按钮完成每一步。可在A桥或B桥操作。

　　3)手动控制(授权可选A/B位置)

　　在紧急情况下，必须由维护员严格按操作规程用手动控制桥梁，只保留必须的联锁保护。用开关、按钮等对泵、电磁阀、比例阀开度等进行手动控制油缸伸缩。只允许启动l#油泵电机，人工操作调节比例阀流量控制桥的开启/关闭速度。A桥、B桥各自操作。

　　2状态监测

　　对油箱温度、油缸压力、马达压力、马达转速、开启角度、风力、风向、凝露/温度等参数进行测量并显示。360度的风向、风力参量参加相应的控制。用人机界面(HMI)对状态进行检测、运行、故障诊断。故障报警、显示包括l～9个滤油器堵塞、油箱低液位、油温过高、紧急状态停机等的报警、显示。

　　2.1油箱油温控制

　　油箱油温控制采用自动和手动2种方式。对油箱油温控制必须先肩动循环油泵电机，才可进行加热控制。通常选用自动方式，由温控仪通过传感器测量油箱油温自动进行温度加热控制;若需要手动时，将选择开关设置手动位置，通过按钮启动或停止加热。

　　2.2风速与桥梁开启的相关控制

　　当风力大于6级时，桥梁若在关闭状态，则停止一切动作;若在开启状态，则以慢的速度关闭桥梁，这时桥梁的关闭速度由比例电磁铁DTl4控制。当风力小于等于6级时，则桥梁按一切需要正常操作，桥梁的开闭速度由比例电磁铁DTl3/DTl4分阶段主导控制。

　　桥梁的开启和关闭压力分别由DPI和DP2测量。系统采用手动和自动2种方式控制，通常选用自动方式，手动方式用于维修、调试。自动控制时，风速传感器参与自动控制，当大于设定风速值时，按规定的逻辑控制进行;小于设定风速值时，按正常的逻辑控制开启和关闭桥梁。手动控制时，操作员根据风速的大小按规定手动调节给定，控制比例阀比例电磁铁DTl3/DTl4的数值。

　　2.3桥开启速度控制系统

　　桥的控制应按液压系统要求进行，整个桥的开启和关闭采用电液比例阀控制液压马达组成的比例调速系统，通过调节阀实现桥在开启过程中的速度控制，实现开启速度的变化(慢加速一加速一匀速一减速一慢减速)。桥梁开启时问198 s，闭合时间198 s。

　　2.4紧急停机

　　紧急停机分2种方式：紧急断电停机和紧急状态停机。紧急停机后所有液压阀回中位，液压泵停止工作，若在开启或闭合桥梁过程中则液压马达抱闸制动。

　　紧急断电停机：在紧急情况及危害人身安全时用此按钮，切断设备所有电源。仅安装在A、B桥各操作台和进线柜门上。

　　紧急状态停机：在开启或关闭桥梁时发生意外情况及不能按正常状态进行T作或现场发现异常时用此按钮。此按钮设置在操作台和关键位置。当紧急状态停机启动后，在查明原因处理后，必须人工复位才能1F常工作。

　　2.5交通、人行道、航道信号灯

　　开桥前所有交通信号灯变成红色，关闭所有交通门并将信号反馈给操作中心PLc进行判断，满足条件才允许开启桥梁。桥完全打开后将航道信号灯变绿，航道船通行。

　　关闭桥前将航道信号灯变红色，航道船停止通行。满足条件才允许关闭桥梁，关闭后完成各部分锁定之后，将所有交通信号灯变成绿色，打开所有交通门。各部位动作信号反馈给操作中心PLC进行判断，满足条件才允许关闭桥梁。

　　2.6工业以太网通讯系统

　　通过海底光纤电缆为A、B桥之间建立环形以太网通讯网站，进行数据传输。通过2台CP一343—1通讯处理器用光纤电缆通过光纤交换机OSM一62进行连接数据交换，使其具备通讯、控制、检测、数据传送等功能，为A、B桥提供必要的信息，如：故障检测、显示、报警;紧急故障停机;锁紧装置的位置状态等。

　　3控制流程图

　　根据开启桥的工作情况，以及系统功能，开桥及闭桥的自动控制程序流程如图2、图3所示。

　　4结语

　　在天津海河开启桥系统中应用PLC控制技术，实现了开启桥的自动化控制，大大提高了系统的安全性和可靠性，真正实现了全自动运行，有力的保障了开启桥的安全与畅通，可以预见，随着开启桥电气自动化控制要求的逐步提高，终将实现开启桥控制的综合自动化。