基于S7-200 SMART PLC的自动焊接系统设计

孙松丽，吴晓昉

（1.南京理工大学 泰州科技学院 机械工程学院；泰州 225300；2.江苏林海雅马哈摩托有限公司，泰州 225300）

0 引言

随着当今时代科技的飞速发展，焊接作为一种关键的制造技术已经步入了一个崭新的发展阶段，许多在激光、数字控制、计算机、信息处理、工业机器人等领域的当今最新科研成果、高新技术与前沿技术不断融合在焊接之中[1]，多种直缝自动焊接设备随之大量出现。这些直缝自动焊接设备焊炬多采用气缸升降，高度只能通过机械夹具微调，仅适用0.5mm～6mm的薄壁单层焊接。而在建筑、石油化工、工程机械等行业，随着大型焊接结构的需求增多，厚板多层多道焊的应用越来越普遍。目前国内的厚壁结构焊接方法以多层多道熔化极气体保护焊为主流[2]，一般仍采用手工焊接或半自动化焊接，焊接效率偏低，工人劳动强度较大。此外，多数MAG/MIG/TIG 等熔化极气体保护手工焊机本体自动化程度较高，除不能自动驱动焊枪的运行外均可实现对焊接电流、保护气和焊丝等的全部时序控制[3]。针对上述现状，本文设计了具有三自由度的焊枪运行机构并开发了基于单台S7-200 SMART PLC的控制系统，同时与现有手工焊机组合，共同构建了适用于中厚壁长直缝多层焊的自动焊接系统，实现了焊接自动化。应用表明，该系统设备资金投入少，使用方便，焊接质量稳定，效率较高。本系统设计理念具有实际推广价值。

1 系统总体结构

所设计的自动焊接系统主要由焊枪运行机构、控制柜、气体保护手工焊机及其它辅助部分组成，如图1所示。

图1 焊接控制系统组成结构示意

焊枪运行机构为系统执行机构之一，在系统控制下通过夹持焊枪实现焊枪在X、Y、Z三个方向上按设定轨迹的运行。整个机构由3台步进电机和机械部分组成，结构示意如图2所示。其中，摆动机构作为焊接系统中的重要组成部分，采用由丝杠螺母副组成的直线摆动形式，由X轴步进电机（摆动电机）驱动。摆动时可达到较高的摆频，并且运行平稳、准确、噪声小[4]；升降机构由Z轴步进电机（层控电机）、微型滚珠丝杠螺母副、高精度直线导轨等组成，工作时沿高度方向上下运行，实现不同焊接层的高度定位；直行机构由Y轴步进电机（直行电机）、直齿圆柱齿轮和齿条、高精度直线导轨、滑块等组成，工作时沿焊缝长度方向做直线运行。焊接时，升降机构在Z方向将焊层高度先行定位后，直行机构带动摆动机构、升降机构按设定焊接速度前行，同时摆动机构以直线摆动形式按设定摆动参数往复摆动，由此实现焊枪按设定轨迹的多层运行（运行轨迹如图3所示）。

图2 焊枪运行机构示意图

图3 焊枪运行轨迹示意图

控制柜内装3台步进电机驱动器和基于S7-200 SMART PLC的焊接控制系统。面板上设置有工作按钮及指示灯、选择旋钮、MCGS触摸屏等。通过选择旋钮可选择系统的手动或自动工作模式，通过MCGS触摸屏上的人机界面可设定焊接速度、焊枪摆频、焊枪摆幅、焊接总层数选择及第一层定位高度、焊层高度差等焊接参数。

此外，为实现焊接的自动控制，需对系统另一执行机构——原有手工焊机及送丝机进行电气改造。将手工焊机焊枪开关及送丝机启动开关由人工按动改为由PLC输出端子触点经由中间继出器的自动开关控制。

综上，基于S7-200 SMART PLC的自动焊接系统总体结构构建完成。系统工作时，首先根据具体焊接工艺要求完成焊接参数的设定，按动启动按钮后，即可控制焊机运行机构与手工焊机的协同工作，焊枪按设定轨迹和层数对工件实施焊接，实现焊接自动化。

2 焊接系统硬件设计

2.1 主控制器PLC

本系统采用PLC作为控制核心，输入信号主要有按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关；输出信号主要有3台步进电机各自的脉冲控制信号和方向控制信号、指示灯、报警器和手工焊机及送丝机的开关控制信号；另外还有与MCGS触摸屏的通信信号。该系统主要为数字量控制，并且由于需完成对3台步进电机的同时控制，PLC需具备3个高速脉冲输出口。根据输入输出信号的数量、类型、控制要求，同时按I/O点数20%～30%的备用量原则[5]，选用西门子S7-200 SMART PLC，CPU型号为ST60。该型号CPU采用晶体管输出方式，具有36个数字量输入点、24个数字量输出点，集成三路高速脉冲输出，频率高达100KHz。以焊接速度40mm/s，步进电机转一圈需要10000个脉冲，步进电机转一圈行程为5mm计算，要求高速脉冲的输出频率为：40×10000/5=80KHz。而PLC最高输出频率为100KHz，完全满足系统要求。

S7-200 SMART是西门子公司推出的高性价比小型PLC，是国内广泛使用的S7-200的升级换代产品[6]。与S7-200硬件相比，其主要优点体现在：通过以太网用普通的网线就可以实现程序的下载和监控，方便快捷，省去了专用编程电缆；CPU模块最多配有3路100kHz的高速脉冲输出，提供PWM和运动轴两种运行控制，运动轴则为步进电机或伺服电机的速度和位置开环控制提供了统一的解决方案。可快速实现设备的调速、定位等功能；使用通用的Micro SD卡（普通手机卡），可以传送程序、更新CPU固件和恢复CPU的出厂设置。

2.2 步进电动机

步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在家电产品及各种工业自动化系统中。通过控制脉冲个数控制步进电机转过的角位移（与滚珠丝杠螺母幅等传动机构配合，则为直线位移）且误差不累积，可以准确定位；通过控制频率可以改变电动机的转速和加速度，实现任意调速；通过方向控制可以实现电机的正转和反转。对于本系统这种精度要求不是很高的场合，适用采用由步进电机作为执行元件的较为简单而又经济的开环控制方式。

步进电机由步进驱动器驱动。步进驱动器有共阴和共阳两种接法。本系统选用无锡信捷产品，其驱动器为共阳接法，即步进驱动器的脉冲信号PUL+和方向信号DIR+与24V电源正极短接，PUL－和DIR－接控制信号。而西门子PLC输出信号采用PNP接法，要求步进驱动器为共阴接法才可形成回路。因此，本系统中PLC输出信号不能与步进驱动器直接相连。解决方法是增加一块信号转换板，将PLC的输出信号进行反相，然后再与共阳接法的步进驱动器相连。

2.3 运动轴硬件组态

本系统选用S7-200 SMART CPU内置运动轴实现对步进电机速度和位置的开环运动控制。3台步进电机对应3根运动轴。硬件接线前首先通过SMART PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN SMART 利用“运动向导”来硬件组态运动轴，分配各运动轴所对应的PLC输出端口。端口分配如表1所示。

由上述内容，确定PLC控制系统接线图如图4所示。

3 焊接系统软件设计

3.1 控制系统软件设计

自动焊接系统能实现自动工作模式和手动工作模式，手动模式下设有“点动”以提高设备调试的灵活性。自动模式下的控制流程如图5所示。其程序设计为典型的顺序控制，采用西门子STEP 7-MicroWIN SMART编程软件利用顺控指令LSCR、SCRT和SCRE进行程序编制。各轴向步进电机的定位和速度控制是编程的重难点。利用编程软件中的“运动控制向导”功能，在硬件组态每根运动轴的过程中生成运行子例程并在编程时直接调用，可使程序简洁、容易编写，特别是控制步进电机的加速起动和减速停止，避免电机失步，显得非常方便[7]。

要保证定位准确，在利用“运行控制向导”组态运动轴过程中要注意如下内容的选择和设定：

1）设定系统测量单位：选择工程单位，并输入电机一次旋转所需脉冲数（10000个/转）、测量基本单位（mm）、电机一次旋转产生多少mm的运行（5mm）。这样在设定定位距离和运行速度时直接输入实际距离（单位：mm）和速度值（单位：mm/S）即可。

表1 PLC控制步进电机输出端口分配表

图4 PLC控制系统接线图

图5 自动模式控制流程图

2）组态参考点和搜索参数：当需要从一个绝对位置处开始运动或以绝对位置作为参考，则必须建立一个参考点 (RP) 或零点位置，这个点可以选择各方向轴的原点输入信号。一旦使用参考点，则需要定义自动重新定位参考点的方法，包括输入参考点搜索速度、定义初始搜索方向和最终参考点接近方向[8]。

3）选择生成的运动子例程：运动轴组态完成后可生成 13 个运动控制子例程，不同的控制要求对应不同的子例程。为节省子例程占用过多的存储空间，对不需要的子例程应取消生成。本控制系统需生成的子例程有：(1)AXISx_CTRL子例程，供轴的初始化和全面控制，每个运动轴使用此子例程一次，用SM0.0触发，程序在每次扫描时均调用此子例程；(2)AXISx_GOTO子例程，命令轴转到指定位置，提供绝对位移和相对位移两种模式。通过子例程输入参数Mode设定位移模式，0代表绝对位移，1代表相对位移；通过输入参数Pos设定要移动的位置（绝对位移）或要移动的距离（相对位移），单位均与设定的工程单位一致；通过输入参数Speed确定移动速度，单位为mm/s；(3)AXISx_RSEEK子例程，启动参考点查找操作。若采用绝对位移模式，则必须先启用此子例程完成零点的搜索和建立后，方可调用AXISx_GOTO子例程实现绝对位移的定位运行。

3.2 触摸屏软件设计

触摸屏是操作员与设备之间的接口中，其人机界面设计通过MCGS组态软件完成，主要用于实现焊接参数的设置和管理，通过以太网接口实现与PLC的通讯。

4 结束语

本自动焊接系统充分利用S7-200 SMART PLC具有3路100KHz高速脉冲输出的硬件特点，利用编程软件“运行控制向导”的指令向导编程CPU内置绝对位移、相对位移的运行功能，方便地实现了对X、Y、Z三个方向步进电机的定位和速度控制，并与设计的焊枪运行机构配合，实现了焊枪按设定轨迹的平稳、低振动、低噪声运行；通过对原手工焊机的电气技术改造，将已有的成熟焊接设备组合融入自动焊接系统中，降低了设备的资金投入。最终，在本系统控制下，各单元协同工作，实现了中厚壁的多层自动焊接。现场应用效果良好，本设计思路值得推广和借鉴。

[1]李明智,原孝贞.浅谈焊接技术的发展及焊接工艺的基本原理[J].应用能源技术,2008,(7)：19-21.

[2]洪宇翔.基于摆动电弧的厚壁结构焊缝自动跟踪关键技术研究[D].湘潭：湘潭大学,2012.6.

[3]李军,任婷.管-板焊机的PLC自动控制系统研制[J].焊接技术,2011,40(11)：42-45.

[4]蒋爽,姚河清,钱丽娜,梁婷.基于DSP的焊接摆动器研制[J].电焊机,2009,39(10)：78-80.

[5]李海芹,姜印平,翟阳,等.基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机的控制设计[J].制造业自动化,2013,(10)：47-50.

[6]廖常初.S7-200 SMART与S7-200的比较[J].电工技术,2013,(11)：52-53.

[7]向晓汉.S7-200 SMART PLC 完全精通教程[M].北京：机械工业出版社,2013.8.

[8]西门子(中国)有限公司.SIEMENS SIMATIC S7-200 SMART 系统手册[Z].2013,(10).