電子束焊機中的PLC特殊模塊應(yīng)用技術(shù)

摘要：介紹了利用PLC特殊功能模塊實現(xiàn)對電子束流的起/起弧的梯度控制、高壓電源的軟啟動和軟關(guān)機、工作臺的運動速度控制等功能。給出了應(yīng)用特殊模塊設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路、并對用該方法設(shè)計的幾種控制系統(tǒng)的控制原理進行了重點說明。

關(guān)鍵詞：電子束焊機 高壓 電子束流 梯度 工作臺

1 概述

電子束焊機是包括真空、高壓、電子技術(shù)、自動控制和計算機等多種專業(yè)學(xué)科的高能束焊接設(shè)備，它主要由真空系統(tǒng)、高壓電源、柵偏電源、陰極加熱電源及其它控制電源、工作臺運動機構(gòu)等部分組成。電子速焊機包括幾十個開關(guān)量輸入、模擬量和較多的開關(guān)量輸出以及焊接過程控制。由于用一般的模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)這些功能的控制。因而在大型的電子束焊接設(shè)備中均采用計算機控制，如彩管補償帶鋼的焊接生產(chǎn)線的過程和工藝控制等[1]。而對于一般的電子束通用設(shè)備用采用PLC控制以實現(xiàn)焊接工藝和過程的控制，為了確保設(shè)備操作簡單、可靠性高、自動化程度高和滿足電子束焊接機的不同的焊接工藝需要，在電子束焊接工藝中，電子束焊接中的電子束流必須能夠進行起弧和收弧控制，否則，零件在焊接起始階段和結(jié)束階段會出現(xiàn)缺陷，嚴(yán)重時會損壞零件，為此地控制電路中需要設(shè)計有起、起弧的專用電路。在PLC應(yīng)用以前，大多用分立元件組成的積分電路來實現(xiàn)給定的起、收弧控制，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，梯度調(diào)節(jié)不方便，線性度差，調(diào)試難度大，可靠性也較差。而在高壓電源控制電路中則必須設(shè)計軟啟動和軟停止電路，以避免開機和停機對高壓電源的沖擊。高壓電源的軟啟動和軟停止電路在PLC的應(yīng)用初期也是用分立電路構(gòu)成的。另外，由于在焊接不同零件時，根據(jù)工藝要求要焊接不同的焊縫，所以一般的電子束焊機都配備了高精度的工作臺運動機構(gòu)。與此同時還要配備高精度的工作臺驅(qū)動電源系統(tǒng)來保證工作臺的精度，因此，電子束焊機專用工作臺驅(qū)動電源系統(tǒng)一般采用伺服步進電機來實現(xiàn)工作臺的各種運動，（如直線和旋轉(zhuǎn)），以滿足各種不同焊縫的焊接精度要求。其中也有用直流電機及其控制系統(tǒng)來完成以上功能的，但由于直流電機較貴，電流較大，不易實現(xiàn)與計算機的實時控制，而且要設(shè)計專用接口電路，因此在多工位的工作臺控制系統(tǒng)中較少采用。在用步進電機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)運動的控制系統(tǒng)中，以前的驅(qū)動電源系統(tǒng)設(shè)計中主要應(yīng)用環(huán)形分配器、功率放大電路以及脈沖發(fā)生器等模擬電路，因而電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、不易調(diào)試。本文根據(jù)電子束焊接工藝及設(shè)備功能的需要，并結(jié)合PLC控制技術(shù)的特點和功能，介紹一種利用簡單電路來實現(xiàn)電子束流的起/收弧控制、高壓電源的軟啟動和軟停止以及工作臺和運動控制等功能的方法。經(jīng)實際運行證明。該控制系統(tǒng)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)試、調(diào)節(jié)方便等多種優(yōu)點。

2 控制原理

電子束焊接機中的控制系統(tǒng)很多，這里主要結(jié)合PLC特殊模塊的應(yīng)用及與之相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)作簡要說明。它包括高壓梯度控制、電子束流的起/收弧控制以及工作臺的運動控制，筆者利用PLC及其特殊模塊設(shè)計了專用控制電路，其原理圖如圖1所示。圖1中PLC為三菱公司的FX2N-80MT可編程程序控制器，其中PLC用來對整機進行控制，包括過程控制、開關(guān)輸入和輸出控制、模擬量和數(shù)字量的運算、條件連鎖設(shè)置以及高速輸出等功能控制。圖1中的控制功能僅能實現(xiàn)上述三套系統(tǒng)的控制，其它系統(tǒng)的控制限于篇幅本文沒有列出。FX0N-3A是該公司的特殊A/D功能模塊，它具有2路電壓和電流的模擬輸入，1路電壓和電流的模擬輸出。模擬量輸出和輸入的電壓規(guī)格為0～10V，電流規(guī)格為4～20mA。整個控制系統(tǒng)采用兩塊A/D特殊功能模塊，一塊用作電子束流的D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出用來設(shè)定高壓控制用的PI調(diào)節(jié)器的高壓，而模擬量輸入用作X軸的速度給定控制。另一塊用來給定高壓控制的D/A轉(zhuǎn)換，其模擬量輸出用作高壓控制用的PI調(diào)節(jié)器高壓，模擬量輸入用作Y軸的速度給定，該輸入經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后還可用于控制工作臺的運動速度。輔助電源采用朝陽電源公司的集成一體化線性電源，該電源的穩(wěn)定性很好。電位器分別用作模擬量的輸入調(diào)節(jié)和輸出模擬量的給定調(diào)節(jié)。步進電源為專用的驅(qū)動電源，工作性能穩(wěn)定，具有制動和多種保護功能。

3 控制軟件設(shè)計

控制軟件主要由高壓控制系統(tǒng)、電子束流控制系統(tǒng)和工作臺運動速度A/D轉(zhuǎn)換程序等組成。

3.1 高壓控制原理及程序設(shè)計

高壓控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，PLC控制信號和反饋信號在PI調(diào)節(jié)器的作用下，經(jīng)功率放大電路作為發(fā)電機的勵磁電流，在發(fā)電機勵磁電流發(fā)生變化后，其輸出電壓亦發(fā)生變化，并經(jīng)高壓變壓器升壓后，使得整流和濾濾后的直流高壓發(fā)生變化，從而實現(xiàn)在不同給定量的作用下，獲得不同的直流高壓。電子束焊機用高壓電源的直流高壓在開高壓電源和關(guān)高壓電源時要求輸出電壓為一隨時間線性變化的梯度曲線，波形如圖3。為了實現(xiàn)這種功能，只要PI調(diào)節(jié)器的給定信號與圖3相同，則高壓輸出就是隨時間變化的斜坡輸出。根據(jù)高壓電源的輸出要求，利用PLC及其特殊功能模塊，用PLC程序便可以方便地獲得梯度給定上升和下降的斜坡輸出，由于PLC是數(shù)字量，因此要實現(xiàn)輸出為斜坡函數(shù)，必須在程序設(shè)計中適時地把數(shù)字量傳輸給D/A模塊，經(jīng)D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送給PI調(diào)節(jié)器，其工作程序流程如圖4所示。具體原理是利用PLC對數(shù)據(jù)寄存器的加法和減法運算來獲得隨時間變化的輸出。輸出過程時序圖如圖5所示，圖5中D5為上升步長，D6為下降步長，D7為中間數(shù)據(jù)寄存器。PLC把D7的數(shù)據(jù)不斷地傳輸給D/A單元。在D/A單元中，數(shù)字量0～255對應(yīng)的模塊量輸出是0～10V，如果255對應(yīng)的模擬量輸出為10V.則對D7清零，然后用PLC的時鐘振蕩器來控制中間繼電路，中間繼電器合上時，D7初值加上D5的數(shù)據(jù)給D7，同時PLC把D7的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻/A模塊，直到D7的數(shù)據(jù)為255時停止加法運算。此時D7的值為255，PLC也不斷地把D7=255傳輸給D/A單元。D/A單元隨時間輸出為0～10V的模擬信號給PI調(diào)節(jié)器作為給定，因而高壓的輸出也成為隨時間變化的直流高壓，從而保證了高壓電源的軟啟動。在以上傳輸過程中，只要存在關(guān)高壓信號，程序便開始執(zhí)行下降梯度減法運算，它的原理是根據(jù)關(guān)高壓信號時的D7值減去D6值。減法控制由時間振蕩器控制的是間繼電器的開關(guān)來實現(xiàn)，D7不斷地減去D6值，并把D7適時地傳輸給D/A單元，直到D7=0為止，這時D/A單元輸出為零，致使PI調(diào)節(jié)器的給定為零，從而使高壓輸出為零，這樣便可實現(xiàn)軟切斷高壓。由于高壓的梯度在設(shè)計中對設(shè)備來說是基本固定的，加上整機PLC控制程序中對D5和D6進行預(yù)先設(shè)置，從而保證了高壓電源在設(shè)備焊接過程中啟動和停止始終具有同一梯度的上升和下降。在圖5中，t0、t1…表示上升梯度控制時，中間繼電器在時鐘脈沖控制下閉合的時刻。t10、t20…表示下降梯度控制時中間繼電器在時鐘脈沖控制下閉合的時刻。

3.2 電子泫工藝控制原理

電子束流控制要求電子束流在超始和結(jié)束時的上升和下降梯度均可調(diào)。其它的工作情況與高壓的控制原理相同，其控制原理圖如圖6所示。電子束流的反饋和給定信號在PI調(diào)節(jié)器的作用下，輸出控制電壓信號經(jīng)功率放大并調(diào)節(jié)逆變器的電源電壓幅值，這使得隔離輸出后的逆奕電壓也得以調(diào)節(jié)，并使通過整流和濾波后的電子槍柵極上的電壓發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)電子束流的大小以實現(xiàn)穩(wěn)定。

4 工作臺電源控制原理

工作臺電源控制原理如圖7所示，它主要由給定電位器、電壓頻率變換器、PLC控制程序、驅(qū)動電源、步進電機及高精度X/Y軸直線工作臺等組成。電壓頻率變換器通過PLC的程序及特殊功能模塊來完成，驅(qū)動電源把脈沖信號轉(zhuǎn)化為脈沖分配，以實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動控制。工作臺控制由X、Y軸分別控制如啟動停止控制、速度給定控制、限位控制及以上工作臺運動狀態(tài)的輸出顯示等。由于工作臺驅(qū)動電源要求時鐘頻率為100Hz～300Hz，而D1的數(shù)字量為0～255，為了獲得40～3000Hz的脈沖頻率，必須利用PLC的乘法功能和比較功能語句使CP脈沖的數(shù)量和輸出頻率為40～3000Hz。在PLC的脈沖頻率轉(zhuǎn)換功能語句PLSR中要設(shè)定升降頻率、最大輸出脈沖數(shù)量和輸出脈沖頻率。輸出脈沖頻率由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)D14=10D1來決定，升降頻率在調(diào)試時應(yīng)按系統(tǒng)要求調(diào)整。經(jīng)PLSR轉(zhuǎn)換后的脈沖由PLC的高速輸出口Y0送到驅(qū)動電源的CP輸入端，PLC的Y2、Y3輸出口分別用來控制工作臺的運動方向和制動，以上是X軸的運動控制原理。Y軸的控制原理與X軸控制原理相同，脈沖其運動方向的制動情況。工作臺的運動方向、啟動和停止、限位、連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內(nèi)部程序進行連鎖及狀態(tài)指示均通過PLC的內(nèi)部程序進行連鎖保護，以確保工作臺的正常工作。根據(jù)以上原理設(shè)計的步進電機驅(qū)動工作臺控制系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定，并且對工作臺的精度調(diào)試以及系統(tǒng)最佳升降頻率的確定卻非常方便。

5 結(jié)束語

用PLC及其特殊功能AD模塊設(shè)計的高壓給定調(diào)節(jié)電路和束流給調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)簡單，線性度好，梯度調(diào)節(jié)方便，能很好地滿足電子束焊機的高壓控制要求和焊接工藝要求。另外利用特殊模塊的AD轉(zhuǎn)換功能的PLC的PWM高速輸出功能設(shè)計的工作臺驅(qū)動步進電機電源系統(tǒng)具調(diào)試方便、無需分立元件電路、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等優(yōu)點，能很好地滿足高精度工作臺的運動控制要求。

本文所述的三套系統(tǒng)僅用兩個特殊模塊，結(jié)合PLC的其它功能可使電子束焊機的控制系統(tǒng)更加簡單，并可降低控制系統(tǒng)的成本，有利于在電子束焊機的工作臺驅(qū)動電源控制系統(tǒng)中推廣和使用。