電子束焊機用高壓電源中的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹了電子束焊機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，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路及其相關(guān)軟件。試驗表明：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；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，經(jīng)過幾十年的技術(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、國防、兵器等部門得到了成功應(yīng)用。當(dāng)今，計算機和自動控制技術(shù)在電子束焊接機中的應(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)和計算機技術(shù)在電子束焊接機中的應(yīng)用，提高了設(shè)備操作的方便性和工作的可靠性,也更容易實現(xiàn)自動化焊接或生產(chǎn),包括設(shè)備診斷、各種焊接工藝自動調(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)重時會損壞工件并引起設(shè)備和人身事故^[1]。本文結(jié)合對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來實現(xiàn)對電子束焊機的自動控制，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)

整機以PLC為核心，分別對設(shè)備各控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬和數(shù)字控制。本機采用的PLC為三菱公司生產(chǎn)的FX2N－128MT可編程的邏輯控制器，由它實現(xiàn)對設(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，實現(xiàn)工作臺運動速度給定的A/D轉(zhuǎn)換和高壓、束流的D/A轉(zhuǎn)換，通過PLC的邏輯運算輸出模擬量來控制高壓、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、束流和工作臺速度的給定，PID輸出等。

2.1 基本單元FX2N—128MT

FX2N有一個16位微處理器和一個專用邏輯處理器，其執(zhí)行速度為0.08μs/步,是目前運行速度最快的小型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運動的速度給定等的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 帶符號的16位二進(jìn)制數(shù)，有效位11位（－2048～＋2047）

輸出信號范圍 DC－10V～＋10V

或者 DC－20mA～＋20mA

分辯率 5mV或者20μA

驅(qū)動電源 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

電子束焊機高壓電源控制系統(tǒng)框圖見圖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，再通過高頻變壓器的升壓和高頻高壓整流濾波后輸出脈動很小的直流高壓，為電子槍提供高壓加速電場。

圖1 電源的系統(tǒng)框圖