三菱FX型PLC在电子束焊机中的应用

摘  要：根据电子束焊机的控制系统的要求，提出用三菱公司的FX系列的可编程逻辑控制器对电子束焊机进行数字量控制和模拟量控制。结合电子束焊机焊接工艺需要，分别对控制软件的作用和软件构成进行了说明。 
关键词：PLC 电子束焊机（EBW） 控制
1 概论
　　电子束焊接机是高能束技术在焊接设备中。由于电子束焊接具有焊缝成形好，不用焊条，效率高，不易氧化等优点而成功地广泛地应用于原子能、国防、汽车、航空航天、电工仪表、冶金等工业领域，并随当今计算机技术及其它新技术的推广应用更进一步加速了电子束焊接技术的工业应用[1]。电子束焊机技术复杂，主要涉及的专业技术有电子光学、电磁场理论、计算机及其控制技术、自动化技术、真空技术、精密制造技术、高电压工程等多种学科的综合应用。电子束焊机控制系统复杂，既有数字量控制，也有模拟量控制，同时还要对一些参数进行实时控制。三菱公司生产的FX系列可编程控制器的功能较好地满足了其控制系统的要求[2]，较好地实现了PLC对电子束焊机的整机控制。
2 电子束焊机控制系统的组成
　　2.1 电子束焊机的工作过程
　　电子束焊接机的工作过程是真空系统完成对电子枪和焊接室的抽真空任务后（此时电子枪及焊接室的真空度满足工作要求），分别加上聚焦电源和偏压电源，聚焦电源为电子枪建立聚焦磁场，偏压电源控制和调节电子束流的大小。打开闸阀，加上阴极电源后合上高压，至此焊接机处于等待焊接状态，如果工件及工作台位置准备好，按下焊接按钮设备开始下束，通过调节电子束流给定和工作台速度大小来实现对焊接线能量的调整，以满足焊接工艺的要求，如果需要对电子束进行“搅拌”焊接可以加上扫描电源，电子束被扫描成圆、椭圆、半圆等多种图形以实现“搅拌”焊接的作用。零件焊接完成后，按下充气按扭打开焊接室拿出零件，第一次焊接任务完成。如果要继续焊接其它零件，重复以上过程。焊接室及电子枪的抽真空可以用手动或者自动程序完成，手动程序时人工控制有关泵及阀的操作，各种操作状态由人工管理。自动程序则由PLC按照程序要求自动管理有关泵及阀门的开启、真空状态、联锁条件等，自动完成设备的抽真空任务，使之满足设备需要的真空度。在抽气及焊接过程中，如果联锁条件不满足或者水、气等故障，PLC则自动判断工作状态，使设备恢复到有关的状态，或者发出故障指示供操作人员调整。
　　2.2 控制系统组成
　　控制系统组成的原理图如图1所示，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，PLC为三菱公司生产的FX2N-128MT可编程的逻辑控制器，实现对设备的各种逻辑控制。A/D、D/A单元亦为该公司的特殊模块，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。各控制系统的原理如下。
　　高压控制系统：高压控制系统由PID调节器、高压电源、反馈环节、功率放大等组成，PLC经内部运算和D/A转换输出模拟信号给PID调节器，PID调节器在反馈环节的闭环控制作用下控制高压电源的高压输出，以实现高压的稳定和调节以及对高压的联锁控制。高压控制系统的主要功能有高压的梯度上升和下降、焊接过程中的高压打火保护、急停、故障显示等。
　　束流控制系统：束流控制系统由PID调节器、偏压电源、反馈环节、功率放大等组成。PLC经内部运算和D/A转换输出模拟信号给PID调节器，PID调节器在反馈环节的闭环控制作用下控制偏压电源的偏压输出，以实现对电子束流的稳定和调节以及对焊接工艺控制。束流控制系统的主要功能有束流的梯度上升和下降、束流的大小调节、焊接过程中的工艺控制、急停、故障显示等。
　　聚焦控制系统：聚焦控制系统由聚焦电源、聚焦线圈及PLC的控制指令组成，PLC管理聚焦电源的开启及与其他控制系统的联锁，保证设备处于聚焦状态。
　　阴极加热电流控制系统：阴极加热电流控制系统控制阴极加热电流的大小，保证电子枪的阴极能发射出足够的电子数目。PLC控制阴极电源的开启和阴极与高压、真空、闸阀等的联锁。
　　真空及阀门控制系统：真空及阀门控制系统保证设备具有正常的真空工作环境，主要由各种真空泵、阀门等组成。PLC对真空系统的控制分为手动和自动两种功能，手动时PLC根据输入条件判断阀门、泵的正常状态，阀门、泵的开启由人工控制，其开关动作还是由PLC完成。自动时PLC根据程序要求自动完成对设备的抽真空任务，泵、阀门、真空度的状态判断和联锁条件均通过PLC软件来实现。
　　工作台运动控制系统：工作台运动控制系统由PWM信号发生器、驱动电源、步进电机、运动机构及夹具组成。工作台运动控制分为手动控制和计算机的联机控制，手动时PWM信号由PLC产生，具体的工作过程是速度模拟量给定经A/D转换输入给PLC，PLC通过内部功能处理，产生的PWM信号经高速信号输出口Y0、Y1分别送到X、Y轴的驱动电源的接口上，速度大小的调节通过改变模拟量给定的大小来实现，模拟量给定的改变后，经A/D转换后到PLC内部的数字量亦发生改变，经PLC运算后形成的PWM信号频率亦发生改变，从而实现对工作台运动的控制。计算机的联机控制时由计算机控制和管理工作台的各种运动、焊接过程及焊接工艺。
　　计算机联机控制：计算机联机控制是用来连接PLC和计算机之间的指令传输，PLC指令通过RS232通讯输入给计算机，计算机控制指令通过开关板和隔离板把计算机机信号输入给PLC，实现PLC对计算机和焊接过程的实时控制。
　　偏转扫描控制系统：由偏转电源和偏转线圈组成，实现对电子束的偏转和扫描。
　　测量及故障显示：用来测量有关焊接工艺参数，故障类型显示，供操作人员调整和控制。
3 软件构成
　　根据以上对电子束焊机的组成及控制原理的分析，电子束焊机的软件由以下程序构成，其流程图如图2所示，各程序的功能如下：
　　初始化程序：对一些数据寄存器及定时器清零复位，使设备处于初始工作状态。
　　高压控制程序：控制高压条件的联锁、高压给定、高压上升及下降梯度、急停等。
　　电子束流控制程序：控制电子束流的上升及下降梯度、电子束流的给定输出等。
　　检查程序：供维修人员使用，进入此程序后，联锁条件解除，焊接机完全由人工控制各部件的开启。
　　手动程序：处于手动程序时，人工操作真空泵及阀门的开关，使设备进入焊接等待状态，此时各部件之间的联锁通过PLC内部软件设置，保证设备和人身安全。
　　自动程序：自动条件满足时焊接机进入自动程序控制状态，PLC完全控制真空泵、阀的开启，使设备自动进入等待焊接状态。
　　计算机联机控制：联接计算机和PLC之间的指令传送，使计算机能适时控制工作台的运动及焊接工艺控制，进入计算机联机控制程序时，计算机管理焊接程序。
　　A/D D/A转换程序：实现A/D、D/A的数据转换，实现工作台速度给定的模拟量转换为数字量，供PLC运算并变换成一定频率的PWM信号，控制工作台的速度。同时实现高压、电子束流的数字量向模拟量的转换，用以分别控制高压、束流的大小和上升及下降梯度。
　　故障报警程序：根据输入信号的不同类型显示不同的故障类别，引起操作人员注意和帮助维修人员修理设备，确保设备和人身安全。
　　停机程序：执行本程序时，PLC按照设备所处的工作状态依次关闭有关部件、电源、真空泵、阀、加热电炉等。
　　结束程序：END
4 结语
　　电子束焊接机应用PLC控制，并结合PC机的通信技术，设备功能齐全，工作可靠，操作简单。PLC同时还能对工作台运动进行控制，使工作台驱动系统结构简单，控制方便。经过电子束焊机的运行，结果表明PLC控制电子束焊机的硬、软件安全可靠，提高了电子束焊机的自动化水平。
参考文献
　　1. 叶汉民. 电子束技术及应用简介. 适用技术市场.2000.1
　　2. 叶汉民. 真空电子束焊机中的PLC控制技术.真空,2000,3