電子束焊機用高壓電源中的PLC控制系統的設計

摘要：介紹了電子束焊機用高壓電源及其控制系統的要求，根據PLC控制技術(shù)的特點(diǎn)，設計了控制系統的硬件電路及其相關(guān)軟件。試驗表明：控制系統的硬件、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；高壓電源

1 引言

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

2 PLC和特殊功能模塊技術(shù)指標

整機以PLC為核心，分別對設備各控制系統進(jìn)行模擬和數字控制。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(shí)現對設備的各種邏輯控制^[2～3]。A/D、D/A單元亦為三菱公司提供的特殊模塊，實(shí)現工作臺運動(dòng)速度給定的A/D轉換和高壓、束流的D/A轉換，通過(guò)PLC的邏輯運算輸出模擬量來(lái)控制高壓、束流的給定。在控制系統中，數模轉換模塊為FX2N—4AD，主要用作高壓、束流反饋的模數轉換。數模轉換模塊為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(gè)16位微處理器和一個(gè)專(zhuān)用邏輯處理器，其執行速度為0.08μs/步,是目前運行速度最快的小型PLC之一。FX2N—128MT的主要功能是系統監控、程序執行、解釋及信號的輸入輸出。

2.2 模/數轉換模塊FX2N—4AD

FX2N—4AD為4通道12位A/D轉換模塊，其基本技術(shù)指標為：

輸入信號范圍 DC－10V～＋10V

最大值±15V

或者 DC－20mA～＋20mA

最大±32mA

數字輸出 帶符號的16位二進(jìn)制數，有效位為11位（－2048～＋2047）

分辨率 5mV或者20μA

驅動(dòng)電源 DC24（1±10％）V55mA

轉換速度 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(dòng)的速度給定等的A/D轉換用。

2.3 數/模轉換模塊FX2N—4DA

FX2N—4DA為4通道12位D/A轉換模塊，其基本技術(shù)指標為：

數字輸入 帶符號的16位二進(jìn)制數，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

驅動(dòng)電源 DC24（1±10％）V200mA

轉換速度 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調節輸出，用以分別顯示和調節高壓和束流的D/A轉換器用。

3 高壓電源及其控制系統的組成

電子束焊機高壓電源控制系統框圖見(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壓模塊后整流為可調的直流電壓，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 電源的系統框圖