水下切割小车电气控制系统设计designofelectricalcontrolsystemforunderwatercu
摘 要摘 要随着我国海洋强国战略的实施，海洋中的作业也在增多，在海洋工程的建造和维护中，水下焊接与切割必不可少。我国在水下焊接方面进展迅速，但对于水下切割技术和设备方向，投入较少，自动化程度较低。水下切割小车是水下自动化切割技术的重要组成部分，但是现有的水下切割小车种类较少，无法满足工程的需要。因此，研发可爬坡和转弯的水下自动切割小车，可提高水下切割的工作效率，具有较大的实用价值。本文研究开发了一种履带式双轴水下切割小车的电气控制系统并进行了模拟测试。论文对焊接自动化与水下切割的研究现状进行了综述。根据切割小车工作环境与各项指标的需要，设计出了一套由PLC、双轴切割小车、显示屏以及切割配套设备等组成的可调速、转向和爬坡的水下自动化切割小车的电气控制系统。本文所设计的水下切割小车的控制系统根据实际操作的技术要求，通过两个步进电机的开闭来实现转向，手动控制割嘴到钢板的距离，而切割的长度、速度则依靠与之连接的控制柜设定。同时使用可编程控制器（PLC）与按钮和显示屏来作为人机交互界面，方便使用，以实现在水下复杂环境下的自动化切割。关键词水下切割；步进驱动；PLC；自动化
Keywords: Underwater cutting; Stepper drive; PLC; Automation 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 水下自动化方法 1
1.2.1 焊接自动化的现状与发展趋势 1
1.2.2水下机器人的现状与发展趋势 2
1.3 水下切割技术 3
1.3.1 水下切割技术分类 3
1.3.2 水下切割国内外研究现状 4
1.4 本课题研究目的及内容 5
1.4.1 研究目的 5
1.4.2 研究内容 5
第二章 自动化切割小车与控制系统设计 7
2.1 水下切割小车系统 7
2.1.1 切割电源 7
2.1.2 送丝机 8
2.1.3 水下割炬 9
2.1.4 切割小车 9
2.2 控制系统组件 10
2.2.1 PLC控制器 10
2.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2 步进系统 14
2.2.3 继电器 15
2.2.4 可视操作界面 16
2.3本章小结 17
第三章 控制系统软件程序设计 18
3.1 控制系统软件结构 18
3.2 电路设计 19
3.3 人机界面设计 23
3.4 PLC程序开发 24
3.4.1 PLC程序运行系统流程图 24
3.4.2 PLC各指令说明 25
3.5 本章小结 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着陆地资源的不断减少和跨洋贸易日益频繁，人们加快了对海洋航道的利用和海底能源的开发，用于海洋运输和海底开发的轮船、海底石油管道、钻井平台等越来越多。由于海况复杂等因素，这些构件经常会被腐蚀或者损坏。在维修海洋工程结构物时，必须考虑到对损坏件的回收与修复，其中最重要的便是水下的切割[1,2]。如何解决这些环境下的切割，是全世界各国工程技术人员所面临的难题。
本文所采用的水下熔化极电弧热切割方法因为其设备较为简单、安全性高、灵活性好，方便实现半自动化以及自动化切割，切割效率快，具有较好的工程应用前景。目前水下切割工作多由焊工完成，人工切割的水平与技术工人的工作经验有关。为了适应复杂情况下的自动化切割、改善切割质量、提高效率、实现资源合理的利用[3]，采用自动化水下切割小车进行远程控制是大势所趋。
目前实验室中的水下切割小车使用的是单轴控制，小车可以直线行走并进行了模拟200m水深下的切割。但是目前小车局限性比较大，只能进行直线切割，小车转向时需要人为控制。因此，本文根据现有的设备着手，选择硬件设备，搭建电气控制系统，改进控制算法与指令，以实现新型水下切割小车的自动化运行。
1.2 水下自动化方法
工业生产的自动化是目前制造业的方向，自动化控制广泛应用于化工、机械、航天、能源、建筑以及电子等行业。伴随着科学技术的快速发展，焊接工程也逐渐从简单的修修补补，发展成为一种精加工方法。各式的自动化机器人活跃在汽车厂、机械加工厂、手机装配厂等科技前沿，其核心在于实现自动化的系统控制。将焊接自动化和水下机器人利用一套可靠性强的电气控制系统结合起来，能够为我国海洋工业的发展添砖加瓦。
1.2.1 焊接自动化的现状与发展趋势
目前我国已连续多年保持全球最大的钢材生产和消费国，2015年中国粗钢产量占全球50.16%，可产能利用率却持续下滑，下降至66.99%。，产能利用率的下降导致钢材价格大幅下跌，焊接行业是钢材的最大消费户，其成本亦大幅下降，原有的设备无法满足新形势下的需要，故焊接自动化装备的需求也越来越大，促使我国在加紧研发自动化焊接技术及装备[4]。
焊接自动化行业作为新兴行业，在我国的应用率正在快速提高，未来的发展潜力极大。时代在变革，自动化技术的大幅应用是实现我国装备制造业向着西方制造业迎头赶上的重要契机，是我国装备制造业由人员集中型向技术集中型转变的重要手段。焊接自动化技术的使用，可以提高焊接加工效率、减少工人数量和节约生产成本，从而提高产业活力，加速经济发展。
在20世纪80年代，工业机器人开始在西方发达国家逐渐普及，1999年底全世界装备的工业机器人达到74.3万台，焊接机器人大约占一半。我国焊接机器人到2001年底刚达到1040台[5]，还比较少，现如今国内工业机器人购入量大幅提升，预测显示，到2018年，我国工业机器人保有量将达到全世界的1/3以上。
与此同时，各种焊接专机的也被大幅度使用。在我国，更多的采用的是低成本的自动化技术与设备比如装有焊接机头的焊接操作机和焊接滚轮架等，这些也是更适合发展中国家的趋势[6]。然而在焊接结构中，有时会出现复杂的构建例如300kt以上的远洋货轮，跨省跨国输油输气管线，大跨度桥梁，1000MW以上水力、火力和核能发电设备，海洋采油平台，大型客车和高速铁路车辆等等，需求高精度、高性能、高度自动化的焊接设备，作为大国，依旧需要我国对其进行研究。由我国自主研发的BIPT3型无导轨全位置智能焊接机器人，利用PLC模块作为控制核心，可以说是创造了属于我国自己的新型焊接机器人。
1.2.2水下机器人的现状与发展趋势
根据水下机器人的信号源和动力源传输和接受位置，可以将水下机器人分为两大类：无缆水下机器人（AUV）和有缆水下机器人（ROV）。AUV和母船之间没有电缆，自带智能控制系统以及动力电源，能够按照智能系统的指示进行自行决策和控制，完成工作[7]。我国在上世纪80年代末便开始研究AUV，在90年代初研制出了第一台AUV“探索者”。1995年，中科院沈阳自动化研究所等各家单位联合研发的“CR01A”在夏威夷附近海域适航，结果成功下潜至5.3km，从而使得我国成为少数几个可以研制6km水深AUV的国家与地区之一。
Keywords: Underwater cutting; Stepper drive; PLC; Automation 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 水下自动化方法 1
1.2.1 焊接自动化的现状与发展趋势 1
1.2.2水下机器人的现状与发展趋势 2
1.3 水下切割技术 3
1.3.1 水下切割技术分类 3
1.3.2 水下切割国内外研究现状 4
1.4 本课题研究目的及内容 5
1.4.1 研究目的 5
1.4.2 研究内容 5
第二章 自动化切割小车与控制系统设计 7
2.1 水下切割小车系统 7
2.1.1 切割电源 7
2.1.2 送丝机 8
2.1.3 水下割炬 9
2.1.4 切割小车 9
2.2 控制系统组件 10
2.2.1 PLC控制器 10
2.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2 步进系统 14
2.2.3 继电器 15
2.2.4 可视操作界面 16
2.3本章小结 17
第三章 控制系统软件程序设计 18
3.1 控制系统软件结构 18
3.2 电路设计 19
3.3 人机界面设计 23
3.4 PLC程序开发 24
3.4.1 PLC程序运行系统流程图 24
3.4.2 PLC各指令说明 25
3.5 本章小结 27
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
随着陆地资源的不断减少和跨洋贸易日益频繁，人们加快了对海洋航道的利用和海底能源的开发，用于海洋运输和海底开发的轮船、海底石油管道、钻井平台等越来越多。由于海况复杂等因素，这些构件经常会被腐蚀或者损坏。在维修海洋工程结构物时，必须考虑到对损坏件的回收与修复，其中最重要的便是水下的切割[1,2]。如何解决这些环境下的切割，是全世界各国工程技术人员所面临的难题。
本文所采用的水下熔化极电弧热切割方法因为其设备较为简单、安全性高、灵活性好，方便实现半自动化以及自动化切割，切割效率快，具有较好的工程应用前景。目前水下切割工作多由焊工完成，人工切割的水平与技术工人的工作经验有关。为了适应复杂情况下的自动化切割、改善切割质量、提高效率、实现资源合理的利用[3]，采用自动化水下切割小车进行远程控制是大势所趋。
目前实验室中的水下切割小车使用的是单轴控制，小车可以直线行走并进行了模拟200m水深下的切割。但是目前小车局限性比较大，只能进行直线切割，小车转向时需要人为控制。因此，本文根据现有的设备着手，选择硬件设备，搭建电气控制系统，改进控制算法与指令，以实现新型水下切割小车的自动化运行。
1.2 水下自动化方法
工业生产的自动化是目前制造业的方向，自动化控制广泛应用于化工、机械、航天、能源、建筑以及电子等行业。伴随着科学技术的快速发展，焊接工程也逐渐从简单的修修补补，发展成为一种精加工方法。各式的自动化机器人活跃在汽车厂、机械加工厂、手机装配厂等科技前沿，其核心在于实现自动化的系统控制。将焊接自动化和水下机器人利用一套可靠性强的电气控制系统结合起来，能够为我国海洋工业的发展添砖加瓦。
1.2.1 焊接自动化的现状与发展趋势
目前我国已连续多年保持全球最大的钢材生产和消费国，2015年中国粗钢产量占全球50.16%，可产能利用率却持续下滑，下降至66.99%。，产能利用率的下降导致钢材价格大幅下跌，焊接行业是钢材的最大消费户，其成本亦大幅下降，原有的设备无法满足新形势下的需要，故焊接自动化装备的需求也越来越大，促使我国在加紧研发自动化焊接技术及装备[4]。
焊接自动化行业作为新兴行业，在我国的应用率正在快速提高，未来的发展潜力极大。时代在变革，自动化技术的大幅应用是实现我国装备制造业向着西方制造业迎头赶上的重要契机，是我国装备制造业由人员集中型向技术集中型转变的重要手段。焊接自动化技术的使用，可以提高焊接加工效率、减少工人数量和节约生产成本，从而提高产业活力，加速经济发展。
在20世纪80年代，工业机器人开始在西方发达国家逐渐普及，1999年底全世界装备的工业机器人达到74.3万台，焊接机器人大约占一半。我国焊接机器人到2001年底刚达到1040台[5]，还比较少，现如今国内工业机器人购入量大幅提升，预测显示，到2018年，我国工业机器人保有量将达到全世界的1/3以上。
与此同时，各种焊接专机的也被大幅度使用。在我国，更多的采用的是低成本的自动化技术与设备比如装有焊接机头的焊接操作机和焊接滚轮架等，这些也是更适合发展中国家的趋势[6]。然而在焊接结构中，有时会出现复杂的构建例如300kt以上的远洋货轮，跨省跨国输油输气管线，大跨度桥梁，1000MW以上水力、火力和核能发电设备，海洋采油平台，大型客车和高速铁路车辆等等，需求高精度、高性能、高度自动化的焊接设备，作为大国，依旧需要我国对其进行研究。由我国自主研发的BIPT3型无导轨全位置智能焊接机器人，利用PLC模块作为控制核心，可以说是创造了属于我国自己的新型焊接机器人。
1.2.2水下机器人的现状与发展趋势
根据水下机器人的信号源和动力源传输和接受位置，可以将水下机器人分为两大类：无缆水下机器人（AUV）和有缆水下机器人（ROV）。AUV和母船之间没有电缆，自带智能控制系统以及动力电源，能够按照智能系统的指示进行自行决策和控制，完成工作[7]。我国在上世纪80年代末便开始研究AUV，在90年代初研制出了第一台AUV“探索者”。1995年，中科院沈阳自动化研究所等各家单位联合研发的“CR01A”在夏威夷附近海域适航，结果成功下潜至5.3km，从而使得我国成为少数几个可以研制6km水深AUV的国家与地区之一。
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