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