西門子模塊6ES7214-1BD23-0XB8介紹說明前言

   高能束流焊接的功率密度（Power Density）可達到105W/cm2以上。束流可由單一的電子、光子、電子和離子或二種以上的粒子組合而成。目前，用在焊接領域的高能束流主要是等離子弧、電子束和激光束。TIG（Activating—Flux TIG）焊亦具有高能束流焊接的特點。爆炸焊能將相同的、特別是不同的金屬組合，簡單、迅速、和牢固的焊接在一起，其較大用途是制造大面積的不同形狀、不同尺寸、不同用途的雙金屬及多金屬復合材料。

1　高能束流焊接當前被關注的領域特點

   當前高能束流焊接被關注的主要領域是：

   ⑴高能束流設備的大型化 — 功率大型化及可加工零件（乃至零件集成）的大型化。

   ⑵新型設備的研制，諸如，脈沖工作方式以及短波長激光器等。

   ⑶設備的智能化以及加工的柔性化。

   ⑷束流品質的提高及診斷。

   ⑸束流、工件、工藝介質相互作用機制的研究。

   ⑹束流的復合。

   ⑺新材料的焊接

   ⑻應用領域的擴展。

2　激光焊接的較新進展

2.1　新型激光器

1) 直流板條式（DC　Slab）CO2激光器，這種激光器被譽為CO2激光器新的里程碑，光束質量較好（k > 0.8）,消耗氣體少（0.3L / h），運行可靠、免維修，運行費用低，商品型的已達3500W 。

2）二極管泵浦的YAG激光器，
    二極管泵浦可以使用近20000小時，而LAMP泵浦時，500小時左右就要更換泵浦燈，該類激光器商品型的已達5000W。

3）CO激光器， 波長5.3μm ，是CO2激光的一半，發散角也為CO2激光的一半，同樣的條件下，PD 為CO2的4倍 。

4）半導體激光器， 波長0.85～1.65μm ，可用光纖傳輸，體積小，輸出功率已達3 kW。

5) 準分子激光器， 波長處于紫外波段，范圍193～351nm ，約是YAG激光器的1/5和CO2激光的1/50，單光子能量比大部分分子的化學鍵能都高，能深入材料分子內部進行加工，加工基理是基于光化學作用，在非放熱效應下進行，因此，材料變形較小。準分子激光器還可調諧，功率水平在實驗室已達千瓦級。

2.2　激光器功率的大型化、脈沖方式以及高質量的光束模式

    以美國PRC(Penn Rebbbbbb Corporation)公司（北美較大的快速軸流CO2激光器制造廠家）為例，幾年前，用于切割的CO2激光器功率主要是1500～2000W，而近期的主導產品是4000～6000W，6000W可切割的不銹鋼厚度、碳鋼厚度分別為35mm和40mm。

    PRC激光器有三種脈沖方式。切割金屬板開始要打孔時，采用**脈沖可使金屬立即被蒸發而形成穿孔；切割時使用門脈沖可減小熱影響區，割縫窄，切割面光潔度高；采用脈沖（Hyperpulse）焊接反射性較強的Al、Cu時，脈沖尖峰先將材料表面溫度升高甚至熔化，以提高材料對激光能量的吸收，使連續波焊接穩定進行；對于表面鍍鋅材料，脈沖的尖峰可將其蒸發，以利于連續波激光焊接的進行；切割時采用脈沖，能減少甚至掛渣現象。不同功率范圍的激光，用于不同目的時，對光束模式的要求也不同。

2.3　設備的智能化及加工的柔性化

   尤其是對YAG激光，由于可用光纖傳輸，給加工帶來了較大的方便。瑞士LASAG公司的FLS 系列YAG固體激光機頗在這方面有代表性。其主要特點是：

⑴一機多用，一臺激光機同時具有焊接、切割、打孔和剝離（Laser Ablation）等功能。

⑵采用一臺激光機可進行多工位（可達6個）加工。既可進行不同工位的分時加工，也可進行幾個（多至6個）工位的同時加工（能量多工位分配）。

⑶光纖長度（從激光加工機到工位的距離）較長可達60m 。

⑷開放式的控制接口，可與CNC、PLC、PC等直接相連。

⑸具有遠距離診斷功能。

2.4　束流的復合

    較主要的是激光 — 電弧復合（Laser Arc Hybrid）。復合加工時，激光產生的等離子體有利于電弧的穩定；復合加工可提高加工效率；可提高焊接性差的材料諸如鋁合金、雙相鋼等的焊接性；可增加焊接的穩定性和可靠性；通常，激光加絲焊是很敏感的，通過與電弧的復合，則變的容易而可靠。

    激光 — 電弧復合主要是激光與TIG、Plasma以及GMA。通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進而產生良好的復合效應。

    GMA (GAS bbbbl Arc)，使用填絲，適用性強，缺點是熔深淺、焊速低、工件承受熱載荷大。激光焊可形成深而窄的焊縫，焊速高、熱輸入低，但投資高，對工件制備精度要求高，對鋁等材料的適應性差。Laser-GMA的復合效應表現在：電弧增加了對間隙的橋接性（Ability of gap bridging），其原因有二：一是填充焊絲，二是電弧加熱范圍較寬；電弧功率決定焊縫**部寬度；激光產生的等離子體減小了電弧引燃和維持的阻力，使電弧更穩定；激光功率決定了焊縫的深度；更進一步講，復合導致了效率增加以及焊接適應性的增強。

    激光 — 電弧復合在1970年就已提出，然而，穩定的加工直至近幾年才出現，這主要得益于激光技術以及弧焊設備的發展，尤其是激光功率和電流控制技術的提高。

    激光電弧復合對焊接效率的提高十分顯著。這主要基于兩種效應，一是較高的能量密度導致了較高的焊接速度，工件對流損失減小；二是兩熱源相互作用的疊加效應。焊接鋼時，激光等離子體使電弧更穩定，同時，電弧也進入熔池小孔，減小了能量的損失；焊接鋁時，由于疊加效應幾乎與激光波長無關，其物理機制和特性尚待進一步研究。

    Laser-TIG Hybrid可顯著增加焊速，約為TIG焊接時的2倍；鎢極燒損也大大減小，壽命增加；坡口夾角亦減小焊縫面積與激光焊時相近。阿亨大學弗朗和費激光技術學院研制了—種激光雙弧復合焊接（HyDRA－Hybrid Welding With Double Rapid Arc），與激光單弧復合焊相比，焊接速度可增加約三分之一，線能量減小25% 。

   金相試樣切割機主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，在冶金、汽車、航空航天等制造業中應用較為廣泛。目前國內缺乏大型的金相試樣切割機，對較大的零件例如汽車曲軸直接進行取樣比較困難，根據試樣切割前后金相組織不變的基本要求，在滿足各種零件的切割效率同時，本文對大型金相試樣切割機進行了設計與研究，較大切割直徑可達150mm，縱向切割范圍可達300mm，滿足了較大零件的截取和下料。

    同普通機械行業中的金屬切割不同，切割金相試樣對保持原有組織狀態比較嚴格，即必須**所截取試樣的金相組織與原部件組織一致，這就要求在截取試樣的過程當中試樣受熱、受外力作用要盡量小，因為這兩種情況都會引起一定的組織變化。因此，在機械切割金屬試樣時要力求試樣溫度不**過150℃，使切口無過燒現象，試樣真實性好。金相試樣切取的方法可根據取樣零件的大小、材料的性能、現場的實際條件靈活的選擇。盡管有多種截取試樣的方法，但是在金相實驗室切取試樣的要求為：切割面比較光滑平整，截面與軸線的垂直度好，砂輪切割機適用性強，可以切割軟的金屬零件如銅鋁和較硬的金屬零件如淬火后的碳鋼、高速鋼；并可以切割超硬材料如硬質合金、陶瓷等。另外，還要求切割速度快，勞動強度低，操作簡單、靈活，切取試樣尺寸準確，大小適宜，切割等優點。根據以上要求，結合國內外現有切割機的特點和優點，開始研發大型切割機。

2　大型金相切割機機械設計

2.1金相試樣切割機的總體結構設計

    本設計通過機電一體化系統設計的思想對金相試樣切割機的機械主體部分進行了分析與設計，機電一體化技術使傳統的機械設計和改造有了新的思維方法和技術手段；而且信息處理技術是機電一體化技術中的部分，一個機械系統實現計算機控制，具有信息處理功能，才能實現生產過程的自動化。電子裝置的有機融入，代替了復雜的機械裝置，使設計的金相試樣切割機比以往切割機在滿足工作要求的前提下，結構簡單、操作方便、可靠性和穩定性高、自動化程度與生產效。

    切割機為立式結構形式，機械設備主要由動力傳動裝置、執行機構與卡具、冷卻系統、機體四大部分組成。根據工件運動和砂輪片運動形式可將金相切割機分為兩類，一類為工件運動，砂輪片固定不動的切割機；另一類為工件固定不動，砂輪片運動的切割機，而運動又分為曲線擺動和直線運動兩種形式。考慮到切割時砂輪片的受力和工件的重量，所以切割機設計為當切割較大工件時，砂輪片擺動而工件做往復運動的形式；當切割較小工件時，砂輪片擺動而工件固定不動的形式。

    切割過程中，可以上下擺動實現切割進給，工作臺可以實現橫向和縱向的雙向移動以方便切割。砂輪片固定在切割軸上，電動機的輸出轉速經過V帶傳動實現砂輪的高速旋轉。砂輪軸通過橫梁與2號軸相連，由步進電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動來實現切割進給運動，并可以調節切割進給的距離。考慮到砂輪軸的自身重量會增加蝸輪的負重而使得切割過程中產生振動影響切割質量，在夾板上通過定滑輪設配重將重量平衡。主電動機為三相異步電動機，通過變頻器實現無級調速。工作臺由橫向絲杠和縱向絲杠帶動，橫向絲杠通過導塊運動帶動工作臺移動。絲杠兩端分別安裝步進電機和手輪，以滿足不同的切割要求。

    箱罩上設推拉門方便取放加工工件，正面開玻璃以觀察切割進程。在切割時，由于磨削阻力會產生大量的熱，因此需加冷卻液**試樣的充分冷卻。為方便吊起整臺切割機，在底座的兩旁安裝吊環。工作臺下方安裝兩道篩子接取切割屑，底部安裝內置水箱循環提供冷卻液。

2.2傳動機構設計

    傳動采用V帶傳動，帶傳動是一種柔性傳動機構，它特別適合于軸間距比較大的場合。帶傳動是機械行業常用的傳動方式，它能夠緩沖和吸振，運行平穩，無噪聲，應用簡單。切割機系統中，主電機的功能為帶動切割片高速旋轉，由于帶傳動具有上述優點，系統選用帶傳動進行增速提高切割片的轉速。兩較傳動保擺臂旋動時不產生中心距的變化。

2.3冷卻系統的設計

    為了**切割前后試樣的金相組織不變，在切割的過程當中必須對試樣冷卻，冷卻系統由水箱、冷卻泵、出水管、回水管、過濾網組成。在上電后砂輪片旋轉的同時，冷卻泵開始工作，把水箱中的冷卻液泵出，通過出水管噴射到砂輪上，冷卻液在高速旋轉的砂輪離心力的作用下，流向試樣的切割部位，使得砂輪和試樣同時冷卻。冷卻液通過過濾網過濾掉切屑后，由回水管流回水箱，節省了水資源，**了切割質量。

2.4進給機構的設計

    由于大型試樣切割機具備了兩種切割模式，所以其進給也包括兩部分，一是砂輪擺臂運行到下限值，工作臺縱向運動，帶動工件進給，從而對夾持工件進行勻速切割。二是砂輪擺臂運行到切割部位，按要求進行勻速切割，當工件尺寸較大時，可采用砂輪臂間歇運動，工作臺縱向進給往復運動，擴大切割大型零件切割尺寸。而砂輪片的進給則是由步進電機通過蝸輪蝸桿帶動橫梁上下擺動，從而實現砂輪片的進給。

2.5夾具的設計

    試樣在切割過程中由于受到砂輪片的徑向力和摩擦力，所以試樣的夾具應裝夾可靠，否則在切割時，不能**試樣的垂直度，而且砂輪片易損壞造成危險。此外，夾具應具有自鎖功能，裝夾方便。根據以上要求設計了一種快速夾緊夾具，其工作過程為：通過手柄推動夾具夾緊工件，然后旋轉手柄，使夾具產生一個作用于工件的力，從而實現夾具的自鎖。此夾具裝夾工作臺面上，隨著工作臺的進給而運動，切割時試樣受力均衡，可以防止截斷后毛刺的產生。而且操作簡單、裝夾方便，較大減輕了勞動強度，提高了切割的效率。

 1 嵌入式以太網技術

    由于互聯網的飛速發展，以太網絡通信技術得到了愈來愈廣泛的應用。嵌入式以太網因為速度快，帶寬較寬，互操作性好，可擴展性強，價格便宜等特點在嵌入式控制領域得到了廣泛的應用，變電站自動化系統選用嵌入式以太網絡技術代表了變電站自動化網絡技術發展的較新方向。

    用于智能設備的嵌入式微處理器、主頻速度、控制軟件的水平都有了很大的提高，再加上互聯網的迅速普及，這些計算機發展的新成就都有力的推動了嵌入式以太網絡技術在控制領域中的廣泛應用。代表世界電力標準發展**領域的IEC**標準化組織，為使不同廠商的自動化產品具有互操作性，已制定了關于變電站自動化系統的網絡通信體系IEC61850。盡管該標準還沒有頒布正式版本，但已經出版的IEC61850**草案中，已經明確定義了嵌入式以太網絡通信技術作為一的自動化領域的通信網絡，這將是技術發展的**大趨勢。

    2高壓監控的網絡體系結構

    基于以太網的高壓監控系統組網方式可以非常靈活，在小型變電站自動化系統中可以采用簡單的星型網絡拓撲結構，各智能設備直接通過以太網連接到主控通信單元。

    《IEC61850變電站通信網絡和系統》標準**大中型的自動化系統應該采用按間隔配置、面向對象的組網方式，如圖1所示。網絡體系大致分為三層結構。

    較上層為站控層。包括雙主控通信單元，雙機為冗余熱備用方式，主控通信單元負責管理全站范圍的智能通信單元，收集各智能單元的數據送往調度主站，并把主站下發的控制命令分發到相應的采集單元；雙機數據庫通過網絡同步刷新；其備份方式既可以為主備方式，也可并列運行。根據用戶的需求可以在網絡上配置高級應用管理單元，如當地功能，無功綜合控制服務器，無防控制服務器，備用電源自動投切服務器等高級應用功能，這些高級應用管理單元既可以以專用軟件模塊的方式集中在主控通信單元實現（當地功能除外），也可以分布到網絡的其它節點實現相應的管理功能。

    中間層為間隔通信單元。負責管理、收集本間隔內智能設備的數據，送往站控層；接收站控層的控制命令，分發到相應的智能設備，同時可以通過相應的軟件模塊完成本間隔內的自動控制功能。間隔通信單元也可以根據用戶的需要配置為雙機熱備用的方式。

    智能單元包括測控模塊和保護模塊，分別完成測控功能和保護功能。

    主控通信單元和間隔通信單元采用雙網分流、故障切換的通信模式。正常通信過程中，雙網分別傳輸不同的數據內容，一旦其中的一條網絡出現故障，則另一條網絡擔負起傳輸全部數據的功能。這樣不但提高了系統的實時性，也較大的提高了系統的可靠性。間隔通信單元與各智能設備之間通過10Mbit/s以太網傳輸實時數據。由于本網段內設備相對較少，完全可以**數據的實時性。

    合理的網絡配置可以減小網絡沖突，提高系統的實時性和可靠性。

    3網絡通信協議的實現

    網絡通信協議是設備可互操作性的基礎，現階段，在變電站自動化領域還沒有可以直接遵循的**標準。IEC61850無疑是今后網絡通信架構的發展方向，但**標準的制定和頒布仍然需要一段時間。我們在網絡通信協議的制定上，采用了IEC61850的基本設計規范，即采用面向設備、面向對象的網絡體系結構。

    網絡通信規約建立在TCP/IP協議之上，分為三層體系結構。

    通信服務層建立在TCP/IP之上，完成通信鏈路的建立和維護，通信服務層給上一層提供可靠的端到端的通信服務。

    服務原語層把規約層的原語調用轉化為網絡報文結構，并通過通信服務層把數據發送出去。在異種機的網絡體系結構下，完成數據報文主機字節順序和網絡字節順序的互相轉化。本協議支持與IEC61850相一致的服務原語。支持的基本的服務原語有：數據對象服務層調用相應的服務原語完成客戶務器數據庫之間的同步刷新，設備管理，目錄服務等面向應用的功能。對象服務采用客戶/服務器模型。本網絡協議支持豐富的數據對象，每種數據對象定義了對象值和對象屬性兩個部分，數據對象包括實時數據對象、事件數據對象、控制對象、文件對象等類別。

    4嵌入式網絡管理

    電力系統中，變電站點多面廣，同時為適應減員增效和現代化管理的要求，很大一部分變電站都是無人值班變電站，這就要求變電站自動化系統應該有較高的可靠性和可維護性。隨著計算機互聯網的深入發展和國家電力數據網的建設，通過互聯網互聯各級自動化系統將成為一種新的發展趨勢。也為基于嵌入式web服務器的設備配置管理技術提供了良好的條件。

    新型高壓監控系統支持基于web方式的設備管理。經過授權的用戶可以在客戶端采用標準的web瀏覽器（如IE）在網絡的任一節點（甚至互聯網）方便、迅速的配置和管理設備，存取網絡信息。實現對變電站設備的在線管理，對采集數據的實時監測。當變電站運行設備出現異常時，可以根據用戶的設定自動發送電子郵件，或者手機短消息等報警信息到*用戶，及時通知管理人員處理設備故障。在正常運行期間，也可以根據用戶的設置，定期自動地向*電子郵件信箱發送設備運行日志等。

    基于web的設備管理方式大大減輕了設備運行人員的勞動，使得設備管理部門能夠及時了解變電站運行信息，對設備故障的處理也更加快速有效。伴隨著國家電力數據網的發展，基于web的設備維護將比以往基于遠程撥號的維護方式更加優越。

    5嵌入式自動控制

    隨著計算機技術和通信網絡技術的發展，用于變電站自動化智能設備的處理能力越來越強，網絡速度也越來越快，原來必須有一些獨立的裝置才能完成的自動功能，現在可以分布到新型監控系統中各智能設備上來實現，變電站自動化的發展方向也必然朝著全分散式系統發展。 通過強大、的以太網通信網絡，各智能設備之間可以很方便地實現信息共享。新型監控系統全面支持IEC61131-3定義的5種可編程邏輯控制語言。用戶定義自己的邏輯，實現各種自動控制功能，通過配置信息可以把自動控制功能分布到各個智能設備上，從而實現真正的分布式自動控制功能。如分布式無功綜合控制，分布式小電流接地選線，分布式電源備自投等自動化功能。

    6結束語

    新一代高壓監控系統中采用了**的變電站技術和計算機網絡通信技術，積極靠攏IEC**標準，使得系統具有良好的互操作性和開放性。采用嵌入式以太網技術，大大提高了系統的實時性和可靠性，具有良好的可擴充易使用的特點，能夠滿足日后變電站自動化發展的需求，它代表了變電站自動化發展的較新成果。

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