CN101676826A - 双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统 - Google Patents

Abstract

一种双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，主要由总体控制系统(1)、钢带递送与成型机运行的协调控制子系统(2)、内外焊枪与保护气体的开关协调控制子系统(3)、焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统(4)和焊缝跟踪与焊接质量控制子系统(5)组成，其中，总体协调控制系统(1)采用可编程控制器PLC为上位机主控制器，并与各子系统相连接，各子系统分别采用单片机或DSP作为下位机分控制器进行子系统的智能控制。本发明控制系统组成简捷、结构简单实用，成本低，易于调试、维护，能够平稳、准确、高精度地实现复合管成型焊接的协调控制。

Description

双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统

技术领域

本发明涉及一种采用可编程控制器PLC作为上位机主控制器进行总体协调，各子系统分别采用单片机或DSP作为下位机分控制器进行子系统智能控制的方法，尤其是适用于双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统。

背景技术

复合管由两种或两种以上不同材料构成，管层之间通过各种变形和连接技术形成紧密结合。衬塑复合钢管因寿命、耐热等因素的制约，重要场合就必须采用双金属复合管。

双金属复合管有两种结构：一种是外包覆，另一种是内复合。外包覆的双金属管大量用于装饰和结构用管，其制造技术已很成熟；内复合双金属管则主要用在流体输送中防止有害介质对管道的腐蚀，这种管子既提高了管道的防腐蚀能力，又节约了大量的贵金属材料，从而降低了成本，因此已经在腐蚀性较强的石油、化工、核工业、医药、食品加工、电力、能源行业以及民用给水和消防工程中得到越来越广泛的应用。

目前国内外在具有耐腐蚀性，用于输送气体、液体等介质的复合管制造技术，基本上是首先将不锈钢板(带)经成型焊接为不锈钢管，然后将其装入碳钢管中，经冷拔或冷扩使基覆层紧密结合为一体而成的复合管。

双金属复合管的成型方法虽然很多，但都具有局限性。其中复合管螺旋焊接成型技术可以实现复合管成型的连续性、灵活性，它使用材料是碳钢和不锈钢钢带，通过对不锈钢和碳钢钢带进行螺旋复合焊接成型形成复合管，具有很强的实用性。

为了确保螺旋复合管的成型质量，使成型设备的各机构能够平稳协调的运作，设计一种用于双金属螺旋复合管成型焊接设备的智能协调控制系统是十分必要的。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种基于双金属螺旋复合管成型焊接设备的协调控制系统，其采用可编程控制器PLC作为上位机主控制器进行协调控制，各子系统则分别采用单片机或DSP等作为下位机分控制器进行子系统的智能控制，进而从整体上控制整个螺旋复合管成型质量。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，主要包括：总体协调控制系统(1)、钢带递送与成型机运行的协调控制子系统(2)、内外焊枪与保护气体的开启与关闭协调控制子系统(3)、焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统(4)和焊缝跟踪与焊接质量控制子系统(5)，其中：所述的总体协调控制系统(1)采用可编程控制器PLC作为上位机主控制器对各子系统进行总体协调，并且通过驱动模块分别与成型机、递送机和内外焊枪焊缝跟踪器相连接，总体协调控制系统设有启动开关、急停开关、协调控制与子系统调试切换开关，为了便于对子系统进行调试或局部控制设置成型机开关、递送机开关和内外焊枪焊缝跟踪开关，在PLC的输入端连接所需的各种传感器，其中各子系统分别采用单片机或DSP作为下位机分控制器的多模块、多处理器结构完成子系统的智能控制。

所述的钢带递送与成型机运行协调的控制子系统(2)，主要以钢带两侧压应力监测模块测量的应力情况进行分析计算，将所得的结果与系统中预设的应力值作为进行比较的判据，用以模糊智能控制和调节钢带的递送速度。

所述的内外焊枪与保护气体的开、关、延时协调控制子系统(3)，主要以内外焊枪开启与否，保护气体按设定提前开启与否、延时和对焊枪进行工作状况检测的信号为比较判据用以协调控制焊枪与保护气体开与关的协调控制。

所述的焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统(4)，通过弧压跟踪器，对螺旋成型与焊接过程中焊接弧压及短路频率进行监测，以外层钢带成型速度为依据，求出与不同成型速度相匹配的焊接速度，以及相应的弧压、送丝速度等焊接参数初值，并根据CO₂短路频率适当调节并优化送丝速度和弧压参数值，用以协调控制焊接速度与钢带成型速度的一致。

所述的焊缝跟踪与焊接质量控制子系统(5)，以焊枪(电弧)相对于焊缝中心位置的偏差作为主要判据和调整量，采用DSP作为核心控制器产生信号，产生大偏差时系统采用比例控制，小偏差时采用模糊控制，用以控制协调焊缝的跟踪和焊接质量的控制。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明采用可编成控制器PLC为总控制器，由于整个系统的各个执行单元都是通过各个子系统来进行直接控制的，所以总控制器PLC直接与各个子系统相连接，对整个系统进行协调和管理，总控制器PLC通过驱动模块分别与成型机、递送机、内外焊枪焊缝跟踪器相连接，这些驱动控制模块主要是为了在焊接过程中对成型机、递送机、内外焊枪焊缝跟踪器进行子系统运行操作或单独调试。

2、本发明为了更加方便可靠地对总控制系统进行控制，系统设置有启动开关、急停开关、自动开关、手动开关、成型机开关、递送机开关以及内外焊枪焊缝跟踪开关；启动开关、急停开关、自动开关和手动开关可以对整个总控制器系统进行直接控制，而成型机开关、递送机开关以及内外焊枪焊缝跟踪开关是为了在调试和故障的时候方便对相应的执行机构进行局部控制的而设的。

3、本发明在总控制器PLC的输入端连接有各种传感器，是为了确保整体系统正常协调运行，它们的作用是为了检测各个关键部件的受力或位移等是否处于正常范围之内，如果某部件的受力或位移超出系统设定的正常范围，总控制系统将停止整个系统的运作并报警，以使得整个系统不会因为某一部件或某一局部的故障而受到损害，从而使得系统整体运行更协调。

4、本发明针对成型设备运行过程中传感的非线性，焊接过程的不确定性、时变性，以及焊缝跟踪过程难以用数学解析精确的建立数学模型等特点，采用模糊智能控制原理，达到满意的控制效果。

5、本发明协调控制内覆不锈钢双金属螺旋焊接管成型设备的各构件有效、平稳、准确、高精度运行，系统组成简捷，结构性简单，造价低廉，在使用过程中易于调试和维护。

附图说明

图1为本发明总体控制系统图

图2为本发明钢带递送与成型机运行协调控制原理框图

图3为本发明钢带递送与钢带成型速度协调控制程序流程图

图4为本发明焊枪与保护气体控制程序流程图

图5A为本发明保护气体意外情况监控中断程序流程图

图5B为本发明焊枪工作意外情况监控中断程序流程图

图6为本发明焊缝跟踪控制工作原理框图

图7为本发明模糊控制器结构图

图8为本发明焊缝自动跟踪系统程序流程图

具体实施方式

由图1示出，本发明总体协调控制系统，一种双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，主要包括：总体协调控制系统1、钢带递送与成型机运行的协调控制子系统2、内外焊枪与保护气体的开启与关闭协调控制子系统3、焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统4和焊缝跟踪与焊接质量控制子系统5，其中：所述的总体协调控制系统1采用可编程控制器PLC作为上位机主控制器对各子系统进行总体协调，并且通过驱动模块分别与成型机、递送机和内外焊枪焊缝跟踪器相连接，总体协调控制系统设有启动开关、急停开关、协调控制与子系统调试切换开关，为了便于对子系统进行调试或局部控制设置成型机开关、递送机开关和内外焊枪焊缝跟踪开关，在PLC的输入端连接所需的各种传感器，其中各子系统分别采用单片机或DSP作为下位机分控制器的多模块、多处理器结构完成子系统的智能控制。

由图2和图3示出钢带递送与成型机运行的协调控制子系统2的工作原理框图和程序流程图。钢带递送与成型机运行的协调控制子系统2的目的，主要是通过应力监测与反馈，自动控制和调节钢带的递送速度，使钢带的递送速度保持平衡稳定，以确保钢带的成型质量。

此系统控制的基本原理为：除了保持递送速度保持稳定外，关键是要保证钢带两侧压紧力均匀一致，防止跑偏。事先将钢带两侧压紧力调成一致，保持递送速度平稳，根据钢带压应力适当调节递送速度。钢带压应力可间接通过外套筒上的压应力来测量。为此应在螺旋复合管成型的过程中，通过装在成型机外套筒上的应力传感器，对外套筒上的压应力进行实时监控，并对监测到的应力情况进行分析计算，并将所得的计算结果与系统中应力预设值进行比较，然后根据比较而得的结果调节钢带递送机的递送速度。

由于在成型的过程中成型机的外套筒的受力是非线性的，难以建立准确的数学物理模型，传统的控制理论难以达到满意的控制效果，因此采用模糊智能控制。根据其控制要求，建立其控制规则如表1所示。

表1钢带递送速度与钢带成型速度协调控制规则表

由图3，图4，图5A和图5B示出内外双焊枪与保护气体的开与关协调控制子系统3的程序流程图，内外双焊枪与保护气体的开启与关闭协调控制的目的是为了确保焊接过程及其保护气体的协调一致。

为了保证焊缝质量，保护气体要求要在焊枪开启前两秒开启，并在焊枪的关闭后两秒才能关闭。其系统控制原理为：当内外双焊枪开关开启时，控制系统将自动开启保护气体，并对焊枪进行延时，同时对保护气体的开启情况进行检测，当保护气体正常开启两秒后再自动对焊枪进行开启；当焊机开关关闭时，控制系统将自动关闭焊枪，并对焊枪进行检测，焊接停止两秒后再自动关闭保护气体。同时为了防止焊接过程中的意外情况，在焊接的过程中传感器同时实时地对焊枪和保护气体进行监控，当由于意外焊接停止时，控制柜将自动关闭焊枪，并发出警报，在两秒后自动将保护气体关闭；而当保护气体因意外停止供应时，控制系统将发出警报，并马上关闭焊枪，两秒后关闭保护气体，提醒操作者检查焊枪和气体保护。

由图6，图7和图8示出，焊缝跟踪与焊接质量控制子系统的工作原理图，模糊控制器结构图和焊缝自动跟踪系统流程图。

焊接质量的控制，主要通过对焊缝的跟踪监测，实时地调整焊枪的运行，以焊枪(电弧)相对于焊缝中心位置的偏差为调整量，通过传感测量，控制焊枪使其在整个焊接过程中始终与焊缝对正，实现精确的焊缝跟踪，是保证自动焊接质量的关键。

焊缝跟踪系统的控制工作原理为：用激光跟踪系统对焊缝进行实时跟踪监测，对这些监测得到的数据信息进行分析处理，得出焊缝信息，然后根据焊缝信息对焊枪的位置进行调整，以弥补焊接过程中产生的焊接缺陷。本专利采用激光焊缝传感器测量焊缝位置的自动跟踪系统，系统中采用DSP作为核心控制器产生信号，驱动焊枪横向步进电机和纵向步进电机动作，实现焊接机器人焊枪对焊缝的实时自动跟踪。

由于焊接过程的不确定性、时变性，焊缝跟踪过程不能用精确的数学模型来描述，应用传统的控制理论包括现代控制理论很难获得满意的效果。因此，本专利采用Fuzzy-P双模分段控制。该控制器的工作原理是：在大偏差时采用比例控制，以提高系统的响应速度、减少调节时间；而小偏差时采用模糊控制，减少系统的超调，提高系统响应的平稳性和控制精度。两种控制方式的切换是根据预先确定的偏差阈值来实现的。根据实验，本系统选取的分段阈值为ep＝4mm，即：当偏差大于4mm时，采用比例控制；当偏差小于或等于4mm时，采用模糊控制。

在公式法模糊控制中，常用的模糊控制数学模型为：

U＝[αE+(1-α)Ec]α∈(0，1)

其中，U为输出的控制量；E(e)为偏差的模糊量；Ec(ec)为偏差变化率的模糊量。α为修正因子，α取0～1之间的值，它反映了偏差E和偏差变化率ec的不同权重。

在实际焊接中，由于受各种加工工况的影响，焊缝偏差情况和系统的工作状态非常复杂，采用固定α因子的模糊控制不能满足实际焊缝跟踪的需要。因此，本专利采用两因子自调整模糊控制方法，其数学模型如下：

α₁，α₂∈(0，1)，α₁＜α₂

根据确定的模糊控制规则，制成了模糊控制规则表，如表2所示。

表2焊缝跟踪控制规则表

在实际焊缝跟踪中，根据偏差的大小，可以选择不同的α因子，也就是选择了不同的模糊控制规则，通过对应的模糊控制规则表，得到所需的控制量。

又知，焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统4的控制原理是：由于外层钢带厚，故以外层钢带成型速度为依据，根据不同的成型速度由试验匹配的焊接速度，给出相应的弧压、送丝速度等焊接参数初值，并根据CO₂短路频率适当调节并优化送丝速度和弧压等参数，内层薄，故只要对中并一次给定焊接参数即可。为此可在焊枪上安装一个弧压跟踪器，它对钢带螺旋焊接成型过程中的焊接弧压及短路频率变化进行监测，并将测得的弧压数据传送给控制系统中的计算机，并以这个速度为依据进行计算，求出对应于钢带成型速度的送丝速度和弧压等参数，使焊接速度与钢带成型速度协调一致，确保焊缝成型的均匀，从而确保复合管的成型质量。

Claims (5)

1、一种双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，主要包括：总体协调控制系统(1)、钢带递送与成型机运行的协调控制子系统(2)、内外焊枪与保护气体的开启与关闭协调控制子系统(3)、焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统(4)和焊缝跟踪与焊接质量控制子系统(5)，其特征在于：所述的总体协调控制系统(1)采用可编程控制器PLC作为上位机主控制器对各子系统进行总体协调，并且通过驱动模块分别与成型机、递送机和内外焊枪焊缝跟踪器相连接，总体协调控制系统设有启动开关、急停开关、协调控制与子系统调试切换开关，为了便于对子系统进行调试或局部控制设置成型机开关、递送机开关和内外焊枪焊缝跟踪开关，在PLC的输入端连接所需的各种传感器，其中各子系统分别采用单片机或DSP作为下位机分控制器的多模块、多处理器结构完成子系统的智能控制。

2、根据权利要求1所述的双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，其特征在于：所述的钢带递送与成型机运行协调的控制子系统(2)，主要以钢带两侧压应力监测模块测量的应力情况进行分析计算，将所得的结果与系统中预设的应力值作为进行比较的判据，用以模糊智能控制和调节钢带的递送速度。

3、根据权利要求1所述的双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，其特征在于：所述的内外焊枪与保护气体的开、关、延时协调控制子系统(3)，主要以内外焊枪开启与否，保护气体按设定提前开启与否、延时和对焊枪进行工作状况检测的信号为比较判据用以协调控制焊枪与保护气体开与关的协调控制。

4、根据权利要求1所述的双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，其特征在于：所述的焊接速度与钢带成型速度的协调控制子系统(4)，通过弧压跟踪器，对螺旋成型与焊接过程中焊接弧压及短路频率进行监测，以外层钢带成型速度为依据，求出与不同成型速度相匹配的焊接速度，以及相应的弧压、送丝速度等焊接参数初值，并根据CO₂短路频率适当调节并优化送丝速度和弧压参数值，用以协调控制焊接速度与钢带成型速度的一致。

5、根据权利要求1所述的双金属螺旋复合管成型焊接的协调控制系统，其特征在于：所述的焊缝跟踪与焊接质量控制子系统(5)，以焊枪(电弧)相对于焊缝中心位置的偏差作为主要判据和调整量，采用DSP作为核心控制器产生信号，产生大偏差时系统采用比例控制，小偏差时采用模糊控制，用以控制协调焊缝的跟踪和焊接质量的控制。

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