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