电子束焊机用高压电源中的PLC控制系统的设计

摘要：介绍了电子束焊机用高压电源及其控制系统的要求，根据PLC控制技术的特点，设计了控制系统的硬件电路及其相关软件。试验表明：控制系统的硬件、软件工作可靠，满足电子束焊接工艺之需要。

关键词：可编程控制器；控制；电子束焊机；高压电源

1    引言

    在20世纪50年代，由于原子能工业焊接锆棒的需要，而产生的高能束焊接设备——电子束焊机，经过几十年的技术发展，现已成为高精尖的精密焊接设备，并在尖端工业领域，例如航天、航空、国防、兵器等部门得到了成功应用。当今，计算机和自动控制技术在电子束焊接机中的应用，更加拓宽了电子束焊接的应用范畴。其中PLC控制技术和计算机技术在电子束焊接机中的应用，提高了设备操作的方便性和工作的可靠性,也更容易实现自动化焊接或生产,包括设备诊断、各种焊接工艺自动调节和历史记录等。其中高压电源及其控制系统是电子束焊接设备的关键部分，它的性能好坏直接关系着设备工作的可靠性和电子束焊接工艺，严重时会损坏工件并引起设备和人身事故^[1]。本文结合对高压电源和控制系统的要求，利用可靠性高的工业化产品PLC来实现对电子束焊机的自动控制，代替传统的模拟电路以提高系统工作可靠性，工艺调节和设备操作的灵活性。

2    PLC和特殊功能模块技术指标

    整机以PLC为核心，分别对设备各控制系统进行模拟和数字控制。本机采用的PLC为三菱公司生产的FX2N－128MT可编程的逻辑控制器，由它实现对设备的各种逻辑控制^[2～3]。A/D、D/A单元亦为三菱公司提供的特殊模块，实现工作台运动速度给定的A/D转换和高压、束流的D/A转换，通过PLC的逻辑运算输出模拟量来控制高压、束流的给定。在控制系统中，数模转换模块为FX2N—4AD，主要用作高压、束流反馈的模数转换。数模转换模块为FX2N—4DA，主要用作高压、束流和工作台速度的给定，PID输出等。

2.1    基本单元FX2N—128MT

    FX2N有一个16位微处理器和一个专用逻辑处理器，其执行速度为0.08μs/步,是目前运行速度最快的小型PLC之一。FX2N—128MT的主要功能是系统监控、程序执行、解释及信号的输入输出。

2.2    模/数转换模块FX2N—4AD

    FX2N—4AD为4通道12位A/D转换模块，其基本技术指标为：

    输入信号范围    DC－10V～＋10V

                    最大值±15V

            或者    DC－20mA～＋20mA

                    最大±32mA

    数字输出        带符号的16位二进制数，有效位为11位（－2048～＋2047）

    分辨率          5mV或者20μA

    驱动电源        DC24（1±10％）V55mA

    转换速度        15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）综合精度±1％

    在FX2N系列可编程控制器中，它作为高压、束流的反馈和工作台运动的速度给定等的A/D转换用。

2.3    数/模转换模块FX2N—4DA

    FX2N—4DA为4通道12位D/A转换模块，其基本技术指标为：

    数字输入    带符号的16位二进制数，有效位11位（－2048～＋2047）

    输出信号范围    DC－10V～＋10V

            或者    DC－20mA～＋20mA

    分辩率          5mV或者20μA

    驱动电源        DC24（1±10％）V200mA

    转换速度        2.1ms/4通道

    综合精度        ±1％

    在FX2N系列可编程控制器中，它作为PID调节输出，用以分别显示和调节高压和束流的D/A转换器用。

3    高压电源及其控制系统的组成

    电子束焊机高压电源控制系统框图见图1，主要由主电路、控制电路和PLC控制软件组成。主电路由EMC滤波电路、晶闸管直流调压模块、半桥逆变电路、高频变压器、高频高压整流滤波电路、高压、束流测量和采样等环节组成。其工作原理是电网电压经EMC滤波电路和晶闸管直流调压模块后整流为可调的直流电压，作为逆变器的供电电源，半桥逆变器把直流电压逆变成20kHz的方波电压，再通过高频变压器的升压和高频高压整流滤波后输出脉动很小的直流高压，为电子枪提供高压加速电场。

图1    电源的系统框图 

    控制电路由PWM控制电路、高压反馈环节和PID调节器组成。具体原理图如图2所示。PWM电路主要控制逆变器的软启动、提供40kHz方波脉冲和隔离驱动、过流保护等。高压反馈环节有高压精密分压器、高压隔离电路和D/A转换器组成。该环节把直流高压信号转变成标准的低电平信号，再通过D/A转换器转换成数字信号送入PLC，作为PID运算的反馈量。给定环节由A/D转换器、数据设定单元和外接模拟电路组成，分手动和自动两种情况。手动时由模拟电位器给出的模拟信号经A/D转换器后变成数字量作为PID的给定；自动时，给定值由PLC设定单元直接设定数字作为PID的给定。同时PLC内部设计了梯度给定程序，使得PID输出为一斜波输出，作为高压电源的软启动。PID环节由PLC和D/A模块组成，PID运算由PLC的PID指令完成，包括采样时间、比例常数、微分常数、积分常数、滤波常数的设定等。PID运算后的数字经D/A转换成模拟信号作为直流调压模块的控制电压以调节其直流输出。直流高压稳定和调节的工作原理是，当由于外部原因使得输出电压下降时，经反馈环节和PID运算后使控制电压提高，从而提高调压模块的输出电压，使逆变器的输出电压、高压变压器的输出电压和直流输出电压提高以达到直流高压的稳定和调节。

图2    电源的PWM及驱动控制原理图

4    软件设计

    高压控制系统软件流程图如图3所示。控制系统软件由以下部分组成。

    初始化程序    对控制系统的参数进行设定。

图3    控制系统软件流程图

    梯度给定程序    产生PID给定信号，利用PLC的加法指令和特殊继电器M8021来实现上升梯度，使得给定为斜波函数。下降梯度则由减法指令和M8021形成。

    A/D程序    高压反馈信号和手动给定信号的模数转换，作为PID运算的反馈量。

    D/A程序    把PID的运算结果实时地转化为模拟量，用以控制可控调压模块的输出。

    PID运算程序    由PLC的PID运算指令完成，根据系统的实际要求设定采样时间、比例常数、微分常数、积分常数、滤波常数等。

    END    结束程序

5    保护电路

    电子束焊机在工作时，电子枪内的打火、电源操作及其它外部原因会在电源内部产生过电压或过电流以致损坏电源或IGBT、集成电路及工件，采取保护电路是抑制过电压或过电流的有效措施。电源设置过压保护、梯度上升及下降电路和过流保护电路。过流保护采用以下三重保护。

    1）EXB840电路本身的过流保护检测功能，即在IGBT过流时，IGBT驱动模块的脚6会检测到过流信号而直接封锁输出脉冲，关断IGBT，同时EXB840的脚4经过外接电路输出信号给PLC，PLC经过程序运算后，一方面发出过流信号指示，另一方面给晶闸管移相控制电路提供封锁脉冲信号，关断晶闸管主电路。

    2）利用TL494的内部放大器的脚15、16外接电流隔离传感器，当检测到的电流信号超过设定值时，TL494封锁输出脉冲，从而实现对IGBT的关断。

    3）高压侧电子束流过流保护，当出现过电流时，束流取样信号反馈到控制电路，控制电路发出过流信号给PLC，PLC分别发出关断主电路和过流显示信号，从而实现过流保护。

    电源还设置了过压保护电路，能有效地对电源的过电压进行保护，在高压电源的内部还加装了限流电阻及保护电阻，能有效地限制过电流和过电压。为了克服开机时市电对电源的冲击，通过PLC内部程序设置了软启动斜坡函数，经D/A模块运算后作为PI调节器的给定，实现电源的软启动。

6    结语

    电子束焊机用高压电源的控制系统采用PLC技术后，系统工作可靠性提高，电路结构简单，有利于电子束焊接设备的焊接工艺调整和方便设备的维修和调试。