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控制技術的特點，設計了控制系統的硬件電路及其相關軟件。試驗表明：控制系統的硬件、軟件工作可靠，滿足電子束焊接工藝之需要。

關鍵詞：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，由于原子能工業焊接鋯棒的需要，而產生的高能束焊接設備——電子束焊機，經過幾十年的技術發展，現已成為高精尖的精密焊接設備，并在尖端工業領域，例如航天、航空、國防、兵器等部門得到了成功應用。當今，計算機和自動控制技術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控制技術和計算機技術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,也更容易實現自動化焊接或生產,包括設備診斷、各種焊接工藝自動調節和歷史記錄等。其中高壓電源及其控制系統是電子束焊接設備的關鍵部分，它的性能好壞直接關系著設備工作的可靠性和電子束焊接工藝，嚴重時會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化產品PLC來實現對電子束焊機的自動控制，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指標

??? 整機以PLC為核心，分別對設備各控制系統進行模擬和數字控制。本機采用的PLC為三菱公司生產的FX2N－128MT可編程的邏輯控制器，由它實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，實現工作臺運動速度給定的A/D轉換和高壓、束流的D/A轉換，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16位微處理器和一個專用邏輯處理器，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位二進制數，有效位為11位（－2048～＋2047）

??? 分辨率????????? 5mV或者20μA

??? 驅動電源??????? 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，其基本技術指標為：

??? 數字輸入??? 帶符號的16位二進制數，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節組成。其工作原理是電網電壓經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??? 電源的系統框圖

??? 控制電路由PWM控制電路、高壓反饋環節和PID調節器組成。具體原理圖如圖2所示。PWM電路主要控制逆變器的軟啟動、提供40kHz方波脈沖和隔離驅動、過流保護等。高壓反饋環節有高壓精密分壓器、高壓隔離電路和D/A轉換器組成。該環節把直流高壓信號轉變成標準的低電平信號，再通過D/A轉換器轉換成數字信號送入PLC，作為PID運算的反饋量。給定環節由A/D轉換器、數據設定單元和外接模擬電路組成，分手動和自動兩種情況。手動時由模擬電位器給出的模擬信號經A/D轉換器后變成數字量作為PID的給定；自動時，給定值由PLC設定單元直接設定數字作為PID的給定。同時PLC內部設計了梯度給定程序，使得PID輸出為一斜波輸出，作為高壓電源的軟啟動。PID環節由PLC和D/A模塊組成，PID運算由PLC的PID指令完成，包括采樣時間、比例常數、微分常數、積分常數、濾波常數的設定等。PID運算后的數字經D/A轉換成模擬信號作為直流調壓模塊的控制電壓以調節其直流輸出。直流高壓穩定和調節的工作原理是，當由于外部原因使得輸出電壓下降時，經反饋環節和PID運算后使控制電壓提高，從而提高調壓模塊的輸出電壓，使逆變器的輸出電壓、高壓變壓器的輸出電壓和直流輸出電壓提高以達到直流高壓的穩定和調節。

圖2??? 電源的PWM及驅動控制原理圖

4??? 軟件設計

??? 高壓控制系統軟件流程圖如圖3所示。控制系統軟件由以下部分組成。

??? 初始化程序??? 對控制系統的參數進行設定。

圖3??? 控制系統軟件流程圖

??? 梯度給定程序??? 產生PID給定信號，利用PLC的加法指令和特殊繼電器M8021來實現上升梯度，使得給定為斜波函數。下降梯度則由減法指令和M8021形成。

??? A/D程序??? 高壓反饋信號和手動給定信號的模數轉換，作為PID運算的反饋量。

??? D/A程序??? 把PID的運算結果實時地轉化為模擬量，用以控制可控調壓模塊的輸出。

??? PID運算程序??? 由PLC的PID運算指令完成，根據系統的實際要求設定采樣時間、比例常數、微分常數、積分常數、濾波常數等。

??? END??? 結束程序

5??? 保護電路

??? 電子束焊機在工作時，電子槍內的打火、電源操作及其它外部原因會在電源內部產生過電壓或過電流以致損壞電源或IGBT、集成電路及工件，采取保護電路是抑制過電壓或過電流的有效措施。電源設置過壓保護、梯度上升及下降電路和過流保護電路。過流保護采用以下三重保護。

??? 1）EXB840電路本身的過流保護檢測功能，即在IGBT過流時，IGBT驅動模塊的腳6會檢測到過流信號而直接封鎖輸出脈沖，關斷IGBT，同時EXB840的腳4經過外接電路輸出信號給PLC，PLC經過程序運算后，一方面發出過流信號指示，另一方面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關斷晶閘管主電路。

??? 2）利用TL494的內部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當檢測到的電流信號超過設定值時，TL494封鎖輸出脈沖，從而實現對IGBT的關斷。

??? 3）高壓側電子束流過流保護，當出現過電流時，束流取樣信號反饋到控制電路，控制電路發出過流信號給PLC，PLC分別發出關斷主電路和過流顯示信號，從而實現過流保護。

??? 電源還設置了過壓保護電路，能有效地對電源的過電壓進行保護，在高壓電源的內部還加裝了限流電阻及保護電阻，能有效地限制過電流和過電壓。為了克服開機時市電對電源的沖擊，通過PLC內部程序設置了軟啟動斜坡函數，經D/A模塊運算后作為PI調節器的給定，實現電源的軟啟動。

6??? 結語

??? 電子束焊機用高壓電源的控制系統采用PLC技術后，系統工作可靠性提高，電路結構簡單，有利于電子束焊接設備的焊接工藝調整和方便設備的維修和調試。