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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）12-062-04中圖分類號：TP273

★張彬，宗耀，相翠翠（山東博控機電有限公司，山東濟南250000）

★王治（濟南重成自動化技術有限公司，山東濟南250000）

關鍵詞：連鑄輥；雙向擺動；自動堆焊；電氣控制；系統設計

隨著制造業對產品質量要求的不斷提升，焊接工藝作為金屬加工的重要環節，其精度和穩定性直接影響產品的最終性能。基于此背景，本研究針對雙向擺動連鑄輥自動堆焊機的電氣控制系統進行深入探討，旨在通過先進的控制技術和硬件配置，提升堆焊過程中的焊接精度和系統穩定性。本研究通過系統化的設計與優化，實現了對焊接溫度、焊絲進給速度、焊縫位置等關鍵參數的精準控制，并對設備的動態響應及長時間穩定性進行了全面評估，期望能為提高連鑄輥堆焊工藝的自動化水平提供科學依據和技術支持。

1　系統需求與設計目標

1.1連鑄輥堆焊工藝需求

連鑄輥堆焊工藝對電氣控制系統的要求主要體現在控制精度與系統穩定性兩個方面。堆焊過程需嚴格控制焊接溫度、焊絲進給速度和焊縫位置，以保證焊層均勻性和焊接質量。基于熱傳導方程，公式（1）如下：

式中：T為溫度；α為熱擴散系數。

控制系統需要通過調節焊接電流、電壓參數，使焊縫處的溫度梯度保持在一個穩定的范圍內，從而確保焊接熔池的尺寸穩定，避免焊縫表面出現不均勻的熱應力分布。堆焊過程中，連鑄輥的擺動與焊槍的相對位置控制至關重要。擺動過程需要精確控制，以避免焊槍與輥體表面的相對運動速度出現波動，這可能導致焊層厚度的不均勻。通過引入基于有限元分析（FEA）方法的動態模擬，可以預測堆焊過程中輥體的熱變形，進而優化擺動幅度與焊接速度之間的匹配關系。

1.2　電氣控制系統設計目標

電氣控制系統設計目標可以確保連鑄輥堆焊工藝的精確性和穩定性，并可以滿足高效、穩定的自動化生產需求。系統需具備快速響應能力，響應時間應控制在毫秒級別，以保證在焊接過程中的實時控制。控制精度要求達到微米級別，特別是在焊縫位置控制和焊接參數調整方面，需要通過高分辨率傳感器和精密伺服驅動，實現對焊槍位置和焊接電流的精確調節，確保焊層均勻性。

2　硬件框架設計

2.1　控制器選擇與配置

2.1.1　控制器選擇配置

在雙向擺動連鑄輥自動堆焊機的電氣控制系統中，控制器的選擇與配置至關重要。基于該設備的高精度、高穩定性要求，我們在電氣控制系統設計時選擇具備強大運算能力和實時控制能力的可編程邏輯控制器（PLC），并基于堆焊機任務書確定系統的功能要求和技術指標，以選擇合適的PLC、HMI、變頻器以及其他電氣元件。控制器選擇的核心在于滿足任務書中的精度、響應時間和穩定性要求。選擇PLC時重點考慮其運算速度、I/O點數量以及通信能力。針對本項目，我們推薦選擇支持高速運算、具有多軸控制功能的西門子S7-2000 SMART ST40 CPU模塊，其提供40個I/O點，并支持高速計數器和脈沖輸出功能，能夠精確控制伺服電機的運動。

該模塊支持Modbus TCP、PROFINET等通信協議，能夠與HMI以及其他外圍設備無縫連接。對于HMI的選擇，我們推薦西門子的KTP700 Basic面板。該HMI具備7英寸的觸摸屏，分辨率為800×480，支持與S7-2000 SMART PLC的快速通信，并且界面友好，適合在工業環境中進行實時監控和參數調整。在硬件分支的規劃中，S7-2000 SMART PLC和KTP700 BasicHMI將安裝在電控箱內。電控箱的設計應考慮到充分的通風和散熱，確保在高負載條件下PLC和HMI能夠穩定運行。布線時，必須嚴格按照電氣設計規范，使用屏蔽電纜進行信號線的連接，以防止電磁干擾對信號傳輸的影響。

2.1.2　焊絲送進控制單元

此次針對電氣控制單元的研究重點在于焊絲送進單元的控制，如圖1所示，其由LENZ送絲機伺服驅動器、送絲電機、風扇電機以及相關電源和控制線路組成。系統采用四路電源供電^[1]。其中，電源1（021）、電源2（020）、電源3（019）分別連接至LENZ伺服驅動器的L1、L2、L3端子，提供驅動器的主電源輸入；電源4（013）為風扇電機供電，同時接地線（0）提供系統接地保護，確保設備運行安全性。送絲速度的調節通過接入驅動器的263、264、265端子實現，控制信號通過送絲開關（260）和退絲開關（261）輸入到伺服驅動器的28號端子，D1二極管起到電流隔離、保護作用。公共端（262）連接至驅動器的E2、20號端子，確保信號正確傳輸。伺服驅動器輸出端子U、V、W分別連接到送絲電機的300、301、302端子，控制電機的轉動方向和速度。風扇電機也通過相同接線方式連接至伺服驅動器的輸出端子，確保在焊絲送進過程中設備的散熱需求得到滿足。

圖1 焊絲送進控制單元

2.2　伺服系統與執行單元設計

在雙向擺動連鑄輥堆焊過程中，對焊槍的擺動位置和焊絲的進給精度要求非常高，需要精確控制連鑄輥在不同位置的擺動和焊接操作。因此連鑄輥在擺動過程中，伺服電機需要頻繁啟動、停止并進行高速精確的定位，同時具備抗振動、系統集成保護、控制兼容性等需求。基于此，此次設計選擇松下A6系列伺服電機，型號MSMD042P1V。該電機具備絕對值編碼器，提供23位的分辨率，可確保位置反饋的高精度和實時性；其額定功率400W，額定扭矩1.27Nm，滿足連鑄輥在高負載和動態性能需求下的精確控制要求。同時其配套驅動器MDDDT3530，具備高動態響應能力，并支持脈沖/方向控制模式，與PLC系統無縫集成。

針對步進電機部分，本研究選擇雷賽電機的86HS85型步進電機，其步距角為1.8°，保持力矩達到8.5Nm，適用于低速高精度的執行單元運動控制。在驅動電路設計中，本研究采用雷賽驅動器DM860H，其支持細分驅動技術，細分精度可達到25600步/轉，有效減少了機械振動和噪聲，確保了系統在低速運行時的平穩性和精度。伺服電機與步進電機的驅動器均集成過流、過壓、過熱保護功能，可以保障系統的安全性和穩定性^[2]。驅動器的控制接口與PLC系統兼容，支持脈沖/方向控制模式，并通過PLC實現對電機運動的精確控制。

2.3　電源與安全保護設計

在針對雙向擺動連鑄輥自動堆焊機的電氣控制系統的電源與安全保護設計中，主要電源采用三相AC380V輸入，經過隔離變壓器降壓至適合PLC、伺服系統、HMI等低壓控制設備的24VDC電壓，同時配置高性能穩壓模塊，確保電壓波動范圍控制在±1%以內。伺服電機和步進電機的驅動電源分別設計為獨立供電回路，并增加瞬態抑制二極管和電源濾波器，以抑制電網噪聲和瞬時過電壓，防止因電源質量問題導致的設備故障。使用熔斷器和自動斷路器作為初級過流保護措施，當負載電流超出額定值時，自動斷路器能夠快速切斷電源，防止過流損壞設備^[3]。針對過壓保護，本研究采用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和浪涌保護器，確保在雷擊或其他過電壓情況下，電路中的敏感電子元件不會被損壞。熱保護電路設計通過溫度傳感器實時監測關鍵部件的工作溫度，超過安全溫度閾值時立即切斷電源，防止設備因過熱而損壞。

3　軟件系統設計與實現

3.1　控制邏輯與PLC編程

在雙向擺動連鑄輥自動堆焊機的PLC編程中，控制邏輯的設計遵循模塊化和層次化原則，以確保系統的高效性和穩定性。PLC程序主要分為初始化模塊、運動控制模塊、焊接控制模塊和故障檢測與保護模塊。初始化模塊負責系統啟動時的參數加載與設備狀態檢測，確保各子系統處于正確的初始狀態^[4]。運動控制模塊通過實時采集伺服電機和步進電機的位置信號，執行復雜的路徑規劃算法。此次設計融合PID控制算法，用于伺服電機的精確位置控制，PID控制器的輸出u(t)表示如式（2）所示：

式中：e(t)為位置誤差；K_p為比例增益；K_i為積分增益；K_d為微分增益。

通過調節K_p、K_i、K_d參數，實現伺服電機在焊接過程中對目標位置的精確跟蹤和穩定控制。

針對信號干擾問題，應用H∞控制理論，H∞控制的目標是在所有可能的干擾w(t)下最小化z(t)的最大值，即保證系統輸出z(t)的H∞范數小于某個指定的值γ，這個目標可表述為式(3):

式中：T_zw(s)表示從w(t)到z(t)的傳遞函數矩陣；σ_max是最大奇異值；γ是一個正數，代表系統性能的上限。

焊接控制模塊根據焊接工藝需求，通過PWM信號控制焊接電源的輸出，并與運動控制模塊協同工作，確保焊槍在擺動過程中保持恒定的焊接速度和穩定的焊接電流。PMW信號占空比D與目標電流Iset的關系為式(4)：

式中:I_set表示目標電流;I_max表示電源的最大輸出電流。

通過實時調整占空比，精確控制焊接電流，確保焊接熔池的穩定性。

3.2   HMI界面的設計思路與用戶操作流程

HMI界面的設計采用西門子WinCC Flexible軟件進行組態，并通過與PLC的高效通信，確保控制系統的實時性和可靠性。觸摸屏選用KTP1200 Basic面板，其具備高分辨率顯示和多點觸控功能。主界面設計包含系統狀態顯示、手動/自動切換、緊急停止等核心功能，通過按鈕防抖動和雙確認機制，防止誤操作。在參數設置界面，用戶可以輸入并調整焊接過程中的關鍵參數，如搖動速度、搖動寬度、X/Y軸行走速度等。參數輸入采用數字鍵盤，實時校驗輸入數據的合法性，避免輸入錯誤導致的系統故障^[5]。整個HMI系統通過與PLC的Modbus TCP通信協議進行數據交互，確保界面操作指令能夠快速響應并反饋至PLC，實現對連鑄輥堆焊過程的精確控制和實時監控。在設計雙向擺動連鑄輥自動堆焊機的控制系統時，各項關鍵功能的PLC變量被進行精確分配，如表1所示。

表1 變量分配

4　成效驗證

為驗證此次雙向擺動連鑄輥自動堆焊機電氣控制系統的設計有效性，我們制定了一套實驗方案，重點評估系統在實際工作條件下的性能。實驗內容如下：

（1）動態響應測試：設置不同的焊接速度和擺動頻率，通過PLC控制伺服電機和步進電機的加速、減速及精準定位，實時記錄系統的響應時間和位移誤差。

（2）執行焊接精度測試：在實驗臺架上模擬實際工況，調整焊接電流、焊絲進給速度和焊槍移動路徑，焊接不同厚度的試件。通過測量焊縫的幾何尺寸和內部質量，評估焊接過程中的熱輸入控制和熔池穩定性。

（3）長時間運行穩定性測試：在連續運行條件下，系統保持預定的焊接參數不變，持續運行24小時。期間監測系統溫升、電流波動和電機的穩定性，記錄是否出現報警或故障情況，分析系統的長期可靠性和抗干擾能力。

以上實驗結果如表2所示。

表2 實驗測試結果

實驗結果表明，雙向擺動連鑄輥自動堆焊機電氣控制系統在多個關鍵性能指標上均達到了設計要求。該系統在動態響應、焊接精度、長時間運行穩定性等方面表現優異，驗證了控制系統的可靠性。在測試過程中，該系統的響應速度和控制精度滿足焊接工藝的要求，確保了焊接質量的一致性。此外，長時間運行測試顯示該系統具備良好的穩定性和抗干擾能力，能夠在持續高負荷條件下保持正常運行。

5　結論

雙向擺動連鑄輥自動堆焊機電氣控制系統的設計研究，能夠有效提升焊接工藝的精度與穩定性，滿足了高效、穩定的自動化生產需求。通過對控制器和伺服系統的精細選擇與配置，結合先進的控制算法，該系統在動態響應、焊接精度以及長時間運行的穩定性上均表現出色。

作者簡介：

張　彬（1981-），男，四川資中人，中級工程師，大專，現就職于山東博控機電有限公司，研究方向為電氣控制和機電一體化。

參考文獻：

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[5] 吳海峰, 熊建坤, 楊林, 等. 核電汽輪機導流環自動堆焊技術研究[J]. 焊接技術, 2020, 49 (6) : 22 - 25.

摘自《自動化博覽》2024年12月刊