電子束焊機(jī)用高壓電源中的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了電子束焊機(jī)用高壓電源及其控制系統(tǒng)的要求，根據(jù)PLC控制技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件電路及其相關(guān)軟件。試驗(yàn)表明：控制系統(tǒng)的硬件、軟件工作可靠，滿(mǎn)足電子束焊接工藝之需要。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；控制；電子束焊機(jī)；高壓電源

1    引言

    在20世紀(jì)50年代，由于原子能工業(yè)焊接鋯棒的需要，而產(chǎn)生的高能束焊接設(shè)備——電子束焊機(jī)，經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)已成為高精尖的精密焊接設(shè)備，并在尖端工業(yè)領(lǐng)域，例如航天、航空、國(guó)防、兵器等部門(mén)得到了成功應(yīng)用。當(dāng)今，計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)在電子束焊接機(jī)中的應(yīng)用，更加拓寬了電子束焊接的應(yīng)用范疇。其中PLC控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在電子束焊接機(jī)中的應(yīng)用，提高了設(shè)備操作的方便性和工作的可靠性,也更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接或生產(chǎn),包括設(shè)備診斷、各種焊接工藝自動(dòng)調(diào)節(jié)和歷史記錄等。其中高壓電源及其控制系統(tǒng)是電子束焊接設(shè)備的關(guān)鍵部分，它的性能好壞直接關(guān)系著設(shè)備工作的可靠性和電子束焊接工藝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞工件并引起設(shè)備和人身事故^[1]。本文結(jié)合對(duì)高壓電源和控制系統(tǒng)的要求，利用可靠性高的工業(yè)化產(chǎn)品PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束焊機(jī)的自動(dòng)控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路以提高系統(tǒng)工作可靠性，工藝調(diào)節(jié)和設(shè)備操作的靈活性。

2    PLC和特殊功能模塊技術(shù)指標(biāo)

    整機(jī)以PLC為核心，分別對(duì)設(shè)備各控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬和數(shù)字控制。本機(jī)采用的PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX2N－128MT可編程的邏輯控制器，由它實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種邏輯控制^[2～3]。A/D、D/A單元亦為三菱公司提供的特殊模塊，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度給定的A/D轉(zhuǎn)換和高壓、束流的D/A轉(zhuǎn)換，通過(guò)PLC的邏輯運(yùn)算輸出模擬量來(lái)控制高壓、束流的給定。在控制系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊為FX2N—4AD，主要用作高壓、束流反饋的模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊為FX2N—4DA，主要用作高壓、束流和工作臺(tái)速度的給定，PID輸出等。

2.1    基本單元FX2N—128MT

    FX2N有一個(gè)16位微處理器和一個(gè)專(zhuān)用邏輯處理器，其執(zhí)行速度為0.08μs/步,是目前運(yùn)行速度最快的小型PLC之一。FX2N—128MT的主要功能是系統(tǒng)監(jiān)控、程序執(zhí)行、解釋及信號(hào)的輸入輸出。

2.2    模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N—4AD

    FX2N—4AD為4通道12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，其基本技術(shù)指標(biāo)為：

    輸入信號(hào)范圍    DC－10V～＋10V

                    最大值±15V

            或者    DC－20mA～＋20mA

                    最大±32mA

    數(shù)字輸出        帶符號(hào)的16位二進(jìn)制數(shù)，有效位為11位（－2048～＋2047）

    分辨率          5mV或者20μA

    驅(qū)動(dòng)電源        DC24（1±10％）V55mA

    轉(zhuǎn)換速度        15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）綜合精度±1％

    在FX2N系列可編程控制器中，它作為高壓、束流的反饋和工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度給定等的A/D轉(zhuǎn)換用。

2.3    數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊FX2N—4DA

    FX2N—4DA為4通道12位D/A轉(zhuǎn)換模塊，其基本技術(shù)指標(biāo)為：

    數(shù)字輸入    帶符號(hào)的16位二進(jìn)制數(shù)，有效位11位（－2048～＋2047）

    輸出信號(hào)范圍    DC－10V～＋10V

            或者    DC－20mA～＋20mA

    分辯率          5mV或者20μA

    驅(qū)動(dòng)電源        DC24（1±10％）V200mA

    轉(zhuǎn)換速度        2.1ms/4通道

    綜合精度        ±1％

    在FX2N系列可編程控制器中，它作為PID調(diào)節(jié)輸出，用以分別顯示和調(diào)節(jié)高壓和束流的D/A轉(zhuǎn)換器用。

3    高壓電源及其控制系統(tǒng)的組成

    電子束焊機(jī)高壓電源控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1，主要由主電路、控制電路和PLC控制軟件組成。主電路由EMC濾波電路、晶閘管直流調(diào)壓模塊、半橋逆變電路、高頻變壓器、高頻高壓整流濾波電路、高壓、束流測(cè)量和采樣等環(huán)節(jié)組成。其工作原理是電網(wǎng)電壓經(jīng)EMC濾波電路和晶閘管直流調(diào)壓模塊后整流為可調(diào)的直流電壓，作為逆變器的供電電源，半橋逆變器把直流電壓逆變成20kHz的方波電壓，再通過(guò)高頻變壓器的升壓和高頻高壓整流濾波后輸出脈動(dòng)很小的直流高壓，為電子槍提供高壓加速電場(chǎng)。

圖1    電源的系統(tǒng)框圖 

    控制電路由PWM控制電路、高壓反饋環(huán)節(jié)和PID調(diào)節(jié)器組成。具體原理圖如圖2所示。PWM電路主要控制逆變器的軟啟動(dòng)、提供40kHz方波脈沖和隔離驅(qū)動(dòng)、過(guò)流保護(hù)等。高壓反饋環(huán)節(jié)有高壓精密分壓器、高壓隔離電路和D/A轉(zhuǎn)換器組成。該環(huán)節(jié)把直流高壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的低電平信號(hào)，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入PLC，作為PID運(yùn)算的反饋量。給定環(huán)節(jié)由A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)設(shè)定單元和外接模擬電路組成，分手動(dòng)和自動(dòng)兩種情況。手動(dòng)時(shí)由模擬電位器給出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后變成數(shù)字量作為PID的給定；自動(dòng)時(shí)，給定值由PLC設(shè)定單元直接設(shè)定數(shù)字作為PID的給定。同時(shí)PLC內(nèi)部設(shè)計(jì)了梯度給定程序，使得PID輸出為一斜波輸出，作為高壓電源的軟啟動(dòng)。PID環(huán)節(jié)由PLC和D/A模塊組成，PID運(yùn)算由PLC的PID指令完成，包括采樣時(shí)間、比例常數(shù)、微分常數(shù)、積分常數(shù)、濾波常數(shù)的設(shè)定等。PID運(yùn)算后的數(shù)字經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為直流調(diào)壓模塊的控制電壓以調(diào)節(jié)其直流輸出。直流高壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)的工作原理是，當(dāng)由于外部原因使得輸出電壓下降時(shí)，經(jīng)反饋環(huán)節(jié)和PID運(yùn)算后使控制電壓提高，從而提高調(diào)壓模塊的輸出電壓，使逆變器的輸出電壓、高壓變壓器的輸出電壓和直流輸出電壓提高以達(dá)到直流高壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)。

圖2    電源的PWM及驅(qū)動(dòng)控制原理圖

4    軟件設(shè)計(jì)

    高壓控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)軟件由以下部分組成。

    初始化程序    對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖3    控制系統(tǒng)軟件流程圖

    梯度給定程序    產(chǎn)生PID給定信號(hào)，利用PLC的加法指令和特殊繼電器M8021來(lái)實(shí)現(xiàn)上升梯度，使得給定為斜波函數(shù)。下降梯度則由減法指令和M8021形成。

    A/D程序    高壓反饋信號(hào)和手動(dòng)給定信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，作為PID運(yùn)算的反饋量。

    D/A程序    把PID的運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)化為模擬量，用以控制可控調(diào)壓模塊的輸出。

    PID運(yùn)算程序    由PLC的PID運(yùn)算指令完成，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求設(shè)定采樣時(shí)間、比例常數(shù)、微分常數(shù)、積分常數(shù)、濾波常數(shù)等。

    END    結(jié)束程序

5    保護(hù)電路

    電子束焊機(jī)在工作時(shí)，電子槍內(nèi)的打火、電源操作及其它外部原因會(huì)在電源內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流以致?lián)p壞電源或IGBT、集成電路及工件，采取保護(hù)電路是抑制過(guò)電壓或過(guò)電流的有效措施。電源設(shè)置過(guò)壓保護(hù)、梯度上升及下降電路和過(guò)流保護(hù)電路。過(guò)流保護(hù)采用以下三重保護(hù)。

    1）EXB840電路本身的過(guò)流保護(hù)檢測(cè)功能，即在IGBT過(guò)流時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的腳6會(huì)檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)而直接封鎖輸出脈沖，關(guān)斷IGBT，同時(shí)EXB840的腳4經(jīng)過(guò)外接電路輸出信號(hào)給PLC，PLC經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算后，一方面發(fā)出過(guò)流信號(hào)指示，另一方面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號(hào)，關(guān)斷晶閘管主電路。

    2）利用TL494的內(nèi)部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當(dāng)檢測(cè)到的電流信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，TL494封鎖輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的關(guān)斷。

    3）高壓側(cè)電子束流過(guò)流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，束流取樣信號(hào)反饋到控制電路，控制電路發(fā)出過(guò)流信號(hào)給PLC，PLC分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過(guò)流顯示信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

    電源還設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)電路，能有效地對(duì)電源的過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)，在高壓電源的內(nèi)部還加裝了限流電阻及保護(hù)電阻，能有效地限制過(guò)電流和過(guò)電壓。為了克服開(kāi)機(jī)時(shí)市電對(duì)電源的沖擊，通過(guò)PLC內(nèi)部程序設(shè)置了軟啟動(dòng)斜坡函數(shù)，經(jīng)D/A模塊運(yùn)算后作為PI調(diào)節(jié)器的給定，實(shí)現(xiàn)電源的軟啟動(dòng)。

6    結(jié)語(yǔ)

    電子束焊機(jī)用高壓電源的控制系統(tǒng)采用PLC技術(shù)后，系統(tǒng)工作可靠性提高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于電子束焊接設(shè)備的焊接工藝調(diào)整和方便設(shè)備的維修和調(diào)試。