Автоматические программируемые системы управления электросварочным оборудованием с функциями допускового контроля, диагностики и визуализации

Автоматические программируемые системы управления электросварочным оборудованием

с функциями допускового контроля, диагностики и визуализации

Применение автоматических систем управления, контроля, диагностики и визуализации позволяет значительно расширить технологические возможности оборудования. Значимость подобных систем в области электросварочного оборудования предельно высока, так как предоставляет широкие возможности по наладке сложного оборудования, настройке технологических сварочных процессов и контролю за качеством сварки. В статье рассмотрены основные принципы и особенности построения таких систем.

Успех в конкурентной борьбе за выгодные поставки промышленной продукции на отечественном и международном рынках в настоящее время предполагает наличие у производителей международного сертификата качества производства (МС ИСО 9001: 2000).

В связи с этим основные потребители сложных, а соответственно и дорогостоящих технологий желают приобрести высокоавтоматизированное оборудование, максимально исключающее влияние человеческого фактора на качественное выполнение техпроцессов и позволяющее документально подтверждать их высокий уровень.

Современные требования к качеству сварных соединений, получаемых с помощью контактной электросварки, для изделий металлургической, авиационной, автомобильной промышленности и устройств специального назначения, а также применяемых на железнодорожном транспорте, как правило, кроме обязательных мер по аттестации персонала, оборудования, приборов, инструмента и неразрушающего контроля полученных соединений или разрушения контрольных образцов, включают и требования по обязательному контролю, диагностике и визуализации состояния оборудования и технологических параметров во время выполнения сварочных процессов.

Существующие в настоящее время микропроцессорные программируемые отечественные и импортные средства, используемые для построения систем управления оборудованием для контактной электросварки, а также высоконадежные и точные измерительные средства, контрольные датчики и исполни-

Осциллограмма сварки Дата/время 30.09.2005/ 13:51:16 Шифр С-12 № кольца 11

!,Р ^ и,Б

Осциллограмма

---5-Перемещение, мм — У-св. тр-а, В ---1-Ток, А — Р-Давление, 0,01 МПа

Параметры сварки

№ Наименование параметра Зад. значение Величина параметра Отклон сверх доп.

Мин. доп. значение Истинное значение Макс. доп. значение

1. Величина осадки, мм* 22,00 14,74 21,38 29,26 В допуске

2. Усилие осадки, кН* 500,00 335,00 534,34 665,00 В допуске

3. Скорость осадки, мм/с* 150,00 100,50 131,02 199,50 В допуске

4. Скорость форсировки, мм/с 4,00 2,68 3,57 5,32 В допуске

5. Наличие проскальзывания (осадка)* — — — — Нет

6. Наличие К.З. при форсировке* — — — — Нет

7. Припуск на оплавление, мм* 20,00 13,40 20,86 26,60 В допуске

8. Продолжительность сварки, с 100,00 1,00 126,30 199,00 В допуске

9. Средн. Значение 11 питания, В 320,00 3,20 311,86 636,80 В допуске

10. Значение сопротивления К.З., мкОм 120,00 1,20 87,15 238,80 В допуске

11. Затрачиваемая энегрия, кВт.ч 0,50 0,01 0,66 1,00 В допуске

12. Работа сил сжатия при осадке, кДж 9,00 0,09 11,42 17,91 В допуске

Норма

Рис. 1. Пример отчета контактной стыковой сварки жаропрочного кольца сечением 60x45 мм2 с внутренним диаметром 250 мм на машине типа МСО-100.03

Николай ЗУЕВ Кирилл ЗУЕВ Евгений ЩЕВЕЛЕВ Александр ДЗЮБА

NPPAST@svs.ru

тельные устройства позволяют выполнять на высоком научно-техническом уровне функции оперативного контроля, диагностики, визуализации, протоколирования и архивирования процессов сварки.

Специалистами ЗАО «КБ АСТ» («Конструкторское бюро по автоматизации сварочных технологий», г. Псков) за последние семь лет создано и внедрено в производство совместно с ЗАО «Псковэлектросвар» и ООО «Свармет» несколько уникальных типов электросварочного оборудования, оснащенного компьютерными и микропроцессорными программируемыми системами управления, обеспечивающими следующие функции автоматического управления, контроля и диагностики:

1. Удобное для оператора задание параметров и режимов сварочного процесса в стандартных измерительных единицах в виде специальных окон, таблиц и графиков (с возможностью их модифицирования по желанию пользователей), отображаемых на цветных экранах мониторов персональных компьютеров или на графических индикаторах.

2. Измерение, цифровое осциллографирова-ние, вычисление и допусковый контроль основных и дополнительных параметров сварочных процессов с цветным табличным и графическим их отображением и с возможностью изменения масштабов их изображения по обеим осям (рис. 1).

3. Отображение на экране монитора компьютера или графического индикатора с помощью циклограмм или мнемосхем состояния всех датчиков и исполнительных механизмов сварочного оборудования в исходном положении, рабочем режиме, при сбоях и авариях; обеспечение диагностики, контроля и аттестации состояния оборудования по основным паспортным параметрам перед началом работы без использования дополнительных контрольных и измерительных средств.

4. Автоматический двухуровневый допусковый контроль параметров сварочного процесса с пассивным или активным режимами отбраковки полученных соединений и с табличным протоколированием заданных и полученных истинных значений параметров.

5. Контроль работы всех исполнительных механизмов сварочного оборудования в функции времени с отображением нарушений темпов их работы для сведения операторов на экране монитора компьютера.

6. Протоколирование результатов каждого сварочного процесса с указанием необходимых данных в распечатке протокола по желанию потребителей (в том числе наименование предприятия, тип сварочного оборудования и его заводской номер, фамилии операторов, время и дата сварки, таблица результатов допускового контроля, графики основных и дополнительных параметров и т. д.).

7. Хранение и архивирование большого объема данных о выполненных сварочных соединениях с возможностью их удобного просмотра и распечатки, а также перезаписи на магнитные, лазерные и электронные носители.

Современные системы автоматического контроля, визуализации и диагностики, производимые ЗАО «КБ АСТ», позволяют не только проводить в автоматическом режиме все операции по захвату, центровке, подготовке концов заготовок, сварке, снятию грата, термообработке сварного шва, но и обеспечивают автоматическую (по команде от АСУ ТП) перестройку работы исполнительных механизмов и устройств сварочного оборудования при смене сортамента и размеров свариваемых изделий, а также автоматически выполняют функции двухуровневого допускового контроля и диагностику технологических параметров сварочного процесса с их цифровым осциллографированием в табличном и графическом видах и автоматическим контролем качества полученного сварного соединения, визуализацию оперативного состояния датчиков и исполнительных устройств и механизмов, протоколирование и архивирование основных параметров сварки каждого свариваемого соединения.

Созданные специалистами ЗАО «КБ АСТ» (г. Псков) автоматические программируемые микропроцессорные системы предназначены для управления исполнительными устройствами и механизмами электросварочного оборудования для контактной шовной и точечной сварки на переменном и выпрямленном токах, для контактной стыковой сварки сопротивлением и оплавлением.

Базовая комплектность системы управления является универсальной и может быть использована для изготовления нового оборудования или капитального ремонта и модернизации оборудования, работающего в производственных условиях.

Система управления рельсосварочной машиной МСР-6301

Основные характеристики и функциональные возможности предлагаемых автоматических систем управления рассмотрим на примере системы управления сварочной машины контактной стыковой сварки оплавлением железнодорожных рельсов типа МСО-6301, производства ЗАО «Псковэлектросвар». Система управления обеспечивает:

• управление исполнительными устройствами и механизмами сварочной машины, как в ручном, так и в полуавтоматическом режимах;

• управление технологическим циклом в соответствии с циклограммой работы сварочной машины с программированием его в функции перемещения подвижной станины с непрерывным или пульсирующим оплавлением;

• допусковый контроль и запись параметров сварочного цикла с выдачей паспорта на сваренный стык с указанием его годности или брака.

Состав системы управления

Система управления сварочной машиной состоит из следующих составных частей:

• шкафа управления (рис. 2);

• пульта управления.

Система управления выполнена на базе оборудования фирмы Siemens:

• управляющего контроллера SIMATIC S7-300 (процессорный модуль типа CPU 314C-2PtP с дополнительными модулями входов/выходов);

• промышленного компьютера с сенсорным 12-дюймовым ЖК экраном SIMATIC PANEL PC IL 70, который соединен с управляющим контроллером по MPI каналу связи (рис. 3). Непосредственное управление сварочной

машиной осуществляет контроллер типа SIMATIC S7-300 в соответствии с программным обеспечением, записанным в его память, и по технологической программе сварочного процесса, переданной ему по каналу связи из промышленного компьютера.

Промышленный компьютер предназначен для программирования процесса сварки и обеспечения функций допускового контроля основных параметров сварочного процесса, диагностики и визуализации состояния датчиков и исполнительных устройств и механизмов сварочной машины.

Блок модулей входов/выходов состоит из следующих элементов:

• модуля входов SM321 DI 32 —

24B — 32 цифровых входа;

• модуля выходов SM322 D0 2х4ге1 —

8 цифровых выходов;

• л Ф

I

А

• 9

Рис. 2. Шкаф управления рельсосварочной машиной

• модуля входов SM331 AI 8 — 8 аналоговых входов (могут быть настроены на измерение токового сигнала или напряжения);

• модуля центрального процессора:

• модуля цифровых входов/выходов Digital I/O DI24 + DO16 — 24 цифровых входа и 16 выходов;

• модуля аналоговых входов/выходов Analog I/O AI5 + AO2 — 5 аналоговых входов и2 выхода.

Шкафы системы управления включают

в себя следующие основные устройства:

• вводной автоматический выключатель;

• схему подготовки включения, аварийного отключения вводного автомата и индикации сигнала аварийного отключения;

• узел индикации наличия напряжения питания на вводе шкафов системы управления;

• схему местного освещения шкафов;

• узел контроля напряжения питания напряжения на первичных обмотках сварочных трансформаторов;

• схему измерения и преобразования напряжений на первичной и вторичной стороне сварочных трансформаторов, тока сварки на первичной стороне сварочных трансформаторов;

• фильтр подавления радиопомех;

• блок автоматических выключателей питания и защиты системы управления и гидростанции;

• узлы питания контроллера S7 300 и панели PC IL70 — SITOP POWER 40;

• схему фазового регулирования напряжения на первичной стороне сварочных трансформаторов;

• модуль питания датчика перемещения;

• управляющий контроллер;

• блок управления гидрораспределителем;

• панель ввода технологических параметров и диагностики (SIMATEC PANEL PC).

На пульте управления, расположенном непосредственно на сварочной машине, установлена панель оператора типа OP3 фирмы Siemens с двухстрочным ЖК индикатором, на который выводится информация о прохождении технологического цикла и о положении подвижной станины сварочной машины. С клавиатуры панели ОРЗ также обеспечивается управление устройствами и механизмами сварочной машины в наладочном режиме работы.

В качестве датчика положения подвижной станины сварочной машины используется аналоговая резистивная измерительная система фирмы Festo типа MLO-ROT на 150 мм.

В рабочих полостях гидроцилиндров перемещения и осадки используются датчики давления типа НМ-17 фирмы Bosch Rexroth.

В качестве исполнительного органа, управляющего перемещением подвижной ста-

нины, используется пропорциональный эле-ктрогидравлический клапан фирмы Bosch Rexroth.

Организация связи

Связь управляющего контроллера S7-300 с промышленным компьютером осуществляется по каналу связи MPI (MultiPoint Interface) со скоростью передачи данных 187,5 кбит/с. Контроллер имеет встроенный адаптер MPI интерфейса, для подключения компьютера используется дополнительный адаптер CP5611-MPI, представленный в форме PCI-платы. Связь контроллера с панелью оператора осуществляется с помощью интерфейса PROFIBUS. Связь с остальными элементами (устройствами управления, блоками индикации, силовыми элементами) организована с помощью модулей аналоговых и цифровых входов /выходов, которые устанавливаются на одну рейку с контроллером и связываются с ним по внутренним каналам связи.

Схемотехнические решения

Более подробно остановимся на схеме измерения и преобразования тока и напряжения, а также на схеме фазового регулирования.

Схема измерения и преобразования напряжений и тока (рис. 4) предназначена для преобразования токовых сигналов и напряжения к виду, пригодному для их измерения аналоговыми модулями управляющего контроллера.

Опишем работу основных узлов схемы:

1. Напряжение сварки через разделительный трансформатор TV2 поступает на плату преобразования сигналов ППС-01, где происходит его нормализация к уровню входа АЦП контроллера, выпрямление и фильтрация, а затем оно подается на аналоговый вход контроллера S7-300.

11 сварки 1) 1 свар. тр. I сварки I сварки

(2 обмотка свар. (1 обмотка свар. (измерит, транс. (измерит, транс,

транс.) транс.) токаТТ1) токаТТ2)

Рис. 4. Схема преобразования и измерения напряжения и тока

Рис. 5. Окно состояния машины

Рис. 6. Окно ввода программ сварки

2. Напряжение первичной обмотки сварочного трансформатора поступает на измерительный преобразователь ии, преобразуется в токовый сигнал 4-20 мА и подается на аналоговый вход контроллера 87-300.

3. Токовый сигнал, пропорциональный току сварки, с трансформатора тока ТТ1 через амперметр РА1 поступает на измерительный преобразователь тока Ш, преобразуется в токовый сигнал 4-20 мА и подается на аналоговый вход контроллера 87-300.

4. Токовый сигнал с трансформатора тока ТТ2 создает падение напряжения на резисторе сопротивлением 2 Ом, пропорциональное току сварки. Сигнал поступает на быстродействующую плату нормализации и преобразования сигналов МИП-02, а затем на аналоговый вход контроллера 87-300. Схема фазового регулирования работает

следующим образом.

Переменное напряжение первичного силового контура машины через развязывающий трансформатор поступает на модуль фазового управления и служит для его синхронизации. Модуль фазового управления формирует последовательность импульсов для включения тиристорного контактора КТ1 с углом включения, задаваемым системой управления. Каждый раз серия импульсов начинается с положительной полуволны питающего напряжения. Особенность работы модуля состоит в принудительном продлении серии импульсов включения тиристорного контактора до окончания отрицательной полуволны напряжения. Необходимость отработки такого алгоритма вызвана недопустимостью включения сварочного трансформатора дважды на одной и той же полуволне питающего напряжения, что связано с сильным насыщением сердечника трансформатора в процессе его работы.

Система диагностики

Система программирования, контроля, диагностики и визуализации измеряет на про-

тяжении всего цикла сварки и фиксирует с дискретностью 100 мс следующие параметры сварочного процесса:

• ток сварки;

• напряжение сварки;

• первичное напряжение сварочного трансформатора;

• перемещение;

• давление в цилиндре осадки;

• напряжение управления гидрозолотником;

• заданное перемещение.

Система реализована в виде интуитивно понятного оконного меню. Из главного меню возможен выход в соответствующие окна:

• окно выбора состава смены;

• окно состояния машины;

• окно ввода программы;

• окно работы с архивом сварок;

• окно вызова помощи.

В окне выбора состава смены осуществляется выбор фамилий мастера, сварщика, кода и номера стыка и номера технологической программы, на режимах которой будет производиться сварка.

В окне состояния машины (рис. 5) представлена в схематическом виде сварочная машина с соответствующими датчиками и исполнительными устройствами. Включенное состояние датчиков, исполнительных устройств и механизмов показывается подсветкой зеленого цвета с соответствующим заполнением этим цветом штоковых или поршневых полостей гидроцилиндров. В этом окне также показываются некоторые основные параметры сварочного процесса — путь и время сварки, ток и напряжение сварки и т. д. Из данного окна возможен переход в окно контроля исходного положения механизмов и датчиков, участвующих в отображении исходного положения сварочной машины, датчиков, исполнительных устройств и механизмов гидростанции, а также в окно просмотра осциллограммы процесса сварки в режиме реального времени.

В окне ввода программы сварки (рис. 6) задаются все технологические параметры сва-

рочного процесса. Изменение параметров программы возможно только через парольную защиту, то есть человек, не знающий пароля, это сделать не сможет.

В окне работы с архивом сварок возможен выбор сварки по дате и просмотр паспорта сварки и осциллограммы основных и дополнительных параметров сварочного процесса. При просмотре осциллограммы пользователю предоставлены большие возможности — выбор любого участка, масштабирование по любой из осей, табличное представление данных процесса вместе с графическим и т. д. Из этого окна осуществляется распечатка выбранных данных на принтере в форме отчета сварки. Также возможно формирование сменного рапорта — списка всех сварок, сделанных за одну смену.

Отчет сварки содержит две страницы. Первая страница включает в себя:

• заголовок отчета, данные о машине и производителе;

• основные параметры (фамилии мастера и сварщика, код стыка, дата и время сварки);

• параметры свариваемых рельсов (год, тип);

• параметры программы сварки, включающие в себя номер программы сварки, количество участков, разрешение и параметры разведения, разрешение и параметры выжигания, способы задания и параметры осадки, разрешение и параметры термообработки, параметры пульсирующего оплавления на всех участках, способы задания, вариант и параметры коррекции. Вторая страница включает в себя осциллограмму сварки, таблицу заданных и истинных значений параметров цикла сварки с контролем вхождений значений этих параметров в заданные допуски, а также общий результат годности по сваренному стыку. К числу контролируемых параметров относятся: величина осадки, ее усилие и скорость, скорость форсировки, наличие проскальзывания при осадке, наличие короткого замыкания при форсировке, припуск на оплавление, продолжитель-

ность сварки, среднее значение напряжения питания, значение сопротивления короткого замыкания, затрачиваемая энергия, работа сил сжатия при осадке.

Отчет сменного рапорта состоит из одной страницы, которая содержит следующую информацию:

• информацию о смене: дата и время начала смены, номер смены, фамилии мастера и сварщика, год и тип рельса;

• таблица, содержащая основную информацию о сваренных стыках за смену — код стыка, время записи информации о сварке, величина осадки (Вел. ос, мм), усилие осадки (Ус. ос., т), скорость осадки (Ск. ос., мм/с), скорость форсировки (Ск. фор., мм/с), наличие проскальзывания при осадке (Проск. ос., да/нет), наличие короткого замыкания при форсировке (К. З. фор., да/нет), величина оплавления (Вел. опл., мм), продолжительность сварки (Врм. св., с), среднее значение напряжения питания (Нпр. св., В), значение сопротивления короткого замыкания (Спр. к.з., мкОм), работа сил сжатия при осадке (Раб. сж., кДж), затраченная энергия (Эл. эн., кВт-ч), заключение о годности стыка;

• заключительная информация — количество сваренных стыков, количество стыков, соответствующих норме. Место для печати и подписи.

Предусмотрена запись дополнительных параметров — напряжения управления следящим гидроклапаном, заданного положения и истинного положения подвижной станины. Данные дополнительные параметры необходимы для качественного анализа работы электрогидравлического привода перемещения. В программе работы контролера управления предусмотрен режим «Тест», при включении которого происходит возвратно-поступательное перемещение подвижной станины с записью всех параметров в архив.

В окне вызова помощи представлена подробная информация о работе с системой программирования, допускового контроля, диагностики и визуализации.

При отсутствии связи с контроллером в окне главного меню высвечивается ошибка связи, кнопка «Установить связь» предназначена для восстановления связи.

Построение системы управления на базе высоконадежных средств фирмы Siemens и создание программного обеспечения, обеспечивающего максимально дружественный интерфейс между средствами управления и обслуживающим персоналом, позволило создать представленную систему управления, на базе которой можно строить системы управления для широкого круга оборудования контактной электросварки.