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