利用PLC及特殊模块实现电子束焊接机专用控制电路的设计

1、概述

电子束焊机是包括真空、高压、电子技术、自动控制和计算机等多种专业学科的高能束焊接设备，它主要由真空系统、高压电源、栅偏电源、阴极加热电源及其它控制电源、工作台运动机构等部分组成。电子速焊机包括几十个开关量输入、模拟量和较多的开关量输出以及焊接过程控制。由于用一般的模拟控制系统难以实现这些功能的控制。因而在大型的电子束焊接设备中均采用计算机控制，如彩管补偿带钢的焊接生产线的过程和工艺控制等。而对于一般的电子束通用设备用采用PLC控制以实现焊接工艺和过程的控制，为了确保设备操作简单、可靠性高、自动化程度高和满足电子束焊接机的不同的焊接工艺需要，在电子束焊接工艺中，电子束焊接中的电子束流必须能够进行起弧和收弧控制，否则，零件在焊接起始阶段和结束阶段会出现缺陷，严重时会损坏零件，为此地控制电路中需要设计有起、起弧的专用电路。在PLC应用以前，大多用分立元件组成的积分电路来实现给定的起、收弧控制，电路结构比较复杂，梯度调节不方便，线性度差，调试难度大，可靠性也较差。而在高压电源控制电路中则必须设计软启动和软停止电路，以避免开机和停机对高压电源的冲击。高压电源的软启动和软停止电路在PLC的应用初期也是用分立电路构成的。另外，由于在焊接不同零件时，根据工艺要求要焊接不同的焊缝，所以一般的电子束焊机都配备了高精度的工作台运动机构。与此同时还要配备高精度的工作台驱动电源系统来保证工作台的精度，因此，电子束焊机专用工作台驱动电源系统一般采用伺服步进电机来实现工作台的各种运动，（如直线和旋转），以满足各种不同焊缝的焊接精度要求。其中也有用直流电机及其控制系统来完成以上功能的，但由于直流电机较贵，电流较大，不易实现与计算机的实时控制，而且要设计专用接口电路，因此在多工位的工作台控制系统中较少采用。在用步进电机控制系统来实现直线和旋转运动的控制系统中，以前的驱动电源系统设计中主要应用环形分配器、功率放大电路以及脉冲发生器等模拟电路，因而电路结构比较复杂、不易调试。本文根据电子束焊接工艺及设备功能的需要，并结合PLC控制技术的特点和功能，介绍一种利用简单电路来实现电子束流的起/收弧控制、高压电源的软启动和软停止以及工作台和运动控制等功能的方法。经实际运行证明。该控制系统具有可靠性高、结构简单、易于调试、调节方便等多种优点。

2、控制原理

电子束焊接机中的控制系统很多，这里主要结合PLC特殊模块的应用及与之相关联的系统作简要说明。它包括高压梯度控制、电子束流的起/收弧控制以及工作台的运动控制，利用PLC及其特殊模块设计了专用控制电路，其原理图如图1所示。图1中PLC为三菱公司的FX2N-80MT可编程程序控制器，其中PLC用来对整机进行控制，包括过程控制、开关输入和输出控制、模拟量和数字量的运算、条件连锁设置以及高速输出等功能控制。图1中的控制功能仅能实现上述三套系统的控制，其它系统的控制限于篇幅本文没有列出。FX0N-3A是该公司的特殊A/D功能模块，它具有2路电压和电流的模拟输入，1路电压和电流的模拟输出。模拟量输出和输入的电压规格为0～10V，电流规格为4～20mA。整个控制系统采用两块A/D特殊功能模块，一块用作电子束流的D/A转换，转换后的模拟量输出用来设定高压控制用的PI调节器的高压，而模拟量输入用作X轴的速度给定控制。另一块用来给定高压控制的D/A转换，其模拟量输出用作高压控制用的PI调节器高压，模拟量输入用作Y轴的速度给定，该输入经A/D转换后还可用于控制工作台的运动速度。辅助电源采用朝阳电源公司的集成一体化线性电源，该电源的稳定性很好。电位器分别用作模拟量的输入调节和输出模拟量的给定调节。步进电源为专用的驱动电源，工作性能稳定，具有制动和多种保护功能。

3、控制软件设计

控制软件主要由高压控制系统、电子束流控制系统和工作台运动速度A/D转换程序等组成。

3.1 高压控制原理及程序设计

高压控制系统原理框图如图2所示，PLC控制信号和反馈信号在PI调节器的作用下，经功率放大电路作为发电机的励磁电流，在发电机励磁电流发生变化后，其输出电压亦发生变化，并经高压变压器升压后，使得整流和滤滤后的直流高压发生变化，从而实现在不同给定量的作用下，获得不同的直流高压。电子束焊机用高压电源的直流高压在开高压电源和关高压电源时要求输出电压为一随时间线性变化的梯度曲线，波形如图3。

为了实现这种功能，只要PI调节器的给定信号与图3相同，则高压输出就是随时间变化的斜坡输出。根据高压电源的输出要求，利用PLC及其特殊功能模块，用PLC程序便可以方便地获得梯度给定上升和下降的斜坡输出，由于PLC是数字量，因此要实现输出为斜坡函数，必须在程序设计中适时地把数字量传输给D/A模块，经D/A模块将数字量转换成模拟量送给PI调节器，其工作程序流程如图4所示。

具体原理是利用PLC对数据寄存器的加法和减法运算来获得随时间变化的输出。输出过程时序图如图5所示，图5中D5为上升步长，D6为下降步长，D7为中间数据寄存器。PLC把D7的数据不断地传输给D/A单元。在D/A单元中，数字量0～255对应的模块量输出是0～10V，如果255对应的模拟量输出为10V.则对D7清零，然后用PLC的时钟振荡器来控制中间继电路，中间继电器合上时，D7初值加上D5的数据给D7，同时PLC把D7的数据传输到D/A模块，直到D7的数据为255时停止加法运算。此时D7的值为255，PLC也不断地把D7=255传输给D/A单元。D/A单元随时间输出为0～10V的模拟信号给PI调节器作为给定，因而高压的输出也成为随时间变化的直流高压，从而保证了高压电源的软启动。在以上传输过程中，只要存在关高压信号，程序便开始执行下降梯度减法运算，它的原理是根据关高压信号时的D7值减去D6值。减法控制由时间振荡器控制的是间继电器的开关来实现，D7不断地减去D6值，并把D7适时地传输给D/A单元，直到D7=0为止，这时D/A单元输出为零，致使PI调节器的给定为零，从而使高压输出为零，这样便可实现软切断高压。由于高压的梯度在设计中对设备来说是基本固定的，加上整机PLC控制程序中对D5和D6进行预先设置，从而保证了高压电源在设备焊接过程中启动和停止始终具有同一梯度的上升和下降。在图5中，t0、t1…表示上升梯度控制时，中间继电器在时钟脉冲控制下闭合的时刻。t10、t20…表示下降梯度控制时中间继电器在时钟脉冲控制下闭合的时刻。

3.2 电子泫工艺控制原理

电子束流控制要求电子束流在超始和结束时的上升和下降梯度均可调。其它的工作情况与高压的控制原理相同，其控制原理图如图6所示。电子束流的反馈和给定信号在PI调节器的作用下，输出控制电压信号经功率放大并调节逆变器的电源电压幅值，这使得隔离输出后的逆奕电压也得以调节，并使通过整流和滤波后的电子枪栅极上的电压发生变化，从而调节电子束流的大小以实现稳定。

4、工作台电源控制原理

工作台电源控制原理如图7所示，它主要由给定电位器、电压频率变换器、PLC控制程序、驱动电源、步进电机及高精度X/Y轴直线工作台等组成。电压频率变换器通过PLC的程序及特殊功能模块来完成，驱动电源把脉冲信号转化为脉冲分配，以实现对步进电机的驱动控制。工作台控制由X、Y轴分别控制如启动停止控制、速度给定控制、限位控制及以上工作台运动状态的输出显示等。由于工作台驱动电源要求时钟频率为100Hz～300Hz，而D1的数字量为0～255，为了获得40～3000Hz的脉冲频率，必须利用PLC的乘法功能和比较功能语句使CP脉冲的数量和输出频率为40～3000Hz。在PLC的脉冲频率转换功能语句PLSR中要设定升降频率、最大输出脉冲数量和输出脉冲频率。输出脉冲频率由A/D转换后的数据D14=10D1来决定，升降频率在调试时应按系统要求调整。经PLSR转换后的脉冲由PLC的高速输出口Y0送到驱动电源的CP输入端，PLC的Y2、Y3输出口分别用来控制工作台的运动方向和制动，以上是X轴的运动控制原理。Y轴的控制原理与X轴控制原理相同，脉冲其运动方向的制动情况。工作台的运动方向、启动和停止、限位、连锁及状态指示均通过PLC的内部程序进行连锁及状态指示均通过PLC的内部程序进行连锁保护，以确保工作台的正常工作。根据以上原理设计的步进电机驱动工作台控制系统工作可靠、性能稳定，并且对工作台的精度调试以及系统最佳升降频率的确定却非常方便。

5、结束语

用PLC及其特殊功能AD模块设计的高压给定调节电路和束流给调节电路结构简单，线性度好，梯度调节方便，能很好地满足电子束焊机的高压控制要求和焊接工艺要求。另外利用特殊模块的AD转换功能的PLC的PWM高速输出功能设计的工作台驱动步进电机电源系统具调试方便、无需分立元件电路、结构简单、工作可靠等优点，能很好地满足高精度工作台的运动控制要求。

本文所述的三套系统仅用两个特殊模块，结合PLC的其它功能可使电子束焊机的控制系统更加简单，并可降低控制系统的成本，有利于在电子束焊机的工作台驱动电源控制系统中推广和使用。

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