基于A系列三菱PLC控制的電子束焊機(jī)改造完整系統(tǒng)

1、基于A系列三菱PLC控制的電子束焊機(jī)改造系統(tǒng)中核建中核燃料元件有限公司龐建新A/D-D/A轉(zhuǎn)換控制技術(shù)、摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了 CA330M2俄羅斯真空電子束焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造前的狀況和焊機(jī)的工藝流程，闡述了電氣系統(tǒng)改造的系統(tǒng)構(gòu)成，著重介紹了伺服系統(tǒng)控制技術(shù)、PLC與工控機(jī)通訊控制及上位機(jī)工藝過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面的組態(tài)技術(shù)在CA330M2俄羅斯真空電子束焊機(jī)電氣控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了 PLC控制軟件對(duì)束流等參數(shù)構(gòu)成的八段焊接參數(shù)控制及采 集程序的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電子束焊；PLC;通訊控制；數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)組態(tài)1前言本設(shè)備是一臺(tái)高束能焊接設(shè)備 -電子束焊機(jī)，從核動(dòng)力院四所購(gòu)買(mǎi)的舊設(shè)備，經(jīng)過(guò)維修，現(xiàn)

2、各 項(xiàng)性能都恢復(fù)了原有功能，準(zhǔn)備用于WER生產(chǎn)線，但要用于 VVER然料棒和導(dǎo)向管生產(chǎn)還存在以下問(wèn)題：1 ）現(xiàn)有焊接程序不能直接應(yīng)用在WEF核然料棒和導(dǎo)向管的焊接。2）程序沒(méi)有掉電保持功能和手/自動(dòng)自由切換功能，造成操作不靈活。3）硬件系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的存儲(chǔ)、計(jì)算、打印及生成報(bào)表功能。4）有些控制回路采用了繼電器控制，控制方法落后，線路復(fù)雜，故障點(diǎn)多。5）設(shè)備故障診斷和保護(hù)功能不夠。6）設(shè)備已進(jìn)入故障率高峰期，故障率高，加大了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。7）設(shè)備備品備件選擇渠道窄， 造成價(jià)格過(guò)高，維修成本高。8）容器長(zhǎng)度不夠，夾具等工裝須重新設(shè)計(jì)加工。 從而有必要進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造。針對(duì)上述問(wèn)題，本文詳細(xì)介紹在

3、該焊機(jī)技術(shù)改造中采用的控制策略， 具體改造方案如圖1,采用由PC和PLC組成的上位機(jī)（工業(yè) PC機(jī)）、下位機(jī)（PLC的這種模式，即 典型的集散控制系統(tǒng)（DCS，既滿足了真空電子束焊機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)可靠性及良好的抗干擾性要求，又高流、隹設(shè)集、打有可實(shí)現(xiàn) 壓、束 轉(zhuǎn)速、聚 參數(shù)的 定、采 存儲(chǔ)和 ??；具 數(shù)據(jù)查圖1新控制系統(tǒng)原理框圖基于A系列三菱PLC控制的電子束焊機(jī)電氣系統(tǒng)改造 詢系統(tǒng)、狀態(tài)查詢系統(tǒng)、故障診斷等功能。基于A系列三菱PLC控制的電子束焊機(jī)電氣系統(tǒng)改造2工藝流程及主要控制工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖 2：圖2燃料棒電子束焊工藝流程圖電子束焊機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站過(guò)程控制類(lèi)型主要有兩種：一

4、種是順序邏輯控制，第二種是模擬量控制。系統(tǒng)主要的過(guò)程控制包括上下料控制、真空控制、焊接過(guò)程控制、焊接參數(shù)控制與采集、通訊控制3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成如圖1系統(tǒng)原理框圖所示，本控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)單元（一體化工作站）、三菱PLC單元、伺服系統(tǒng)單元、閥門(mén)控制單元、真空計(jì)單元、位置傳感器單元、原有電子束真空焊機(jī) 主體、閥門(mén)、夾具、水氣系統(tǒng)等構(gòu)成。1#PLC主要功能是進(jìn)行抽真空、加熱、上下料、公轉(zhuǎn)、自傳、進(jìn)退棒、壓輪等工藝過(guò)程控制。2#PLC主要功能是取代焊接參數(shù)控制儀通過(guò)AD和DA模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間、束流、轉(zhuǎn)速、聚焦等焊接參數(shù)控制與采集。通過(guò)ADAM3016對(duì)束流、聚焦、高壓采樣信號(hào)放大后，經(jīng)A/D采集模塊處理

5、后，可顯示實(shí)時(shí)值及趨勢(shì)曲線。利用計(jì)算機(jī)的RS-232接口與通信總線轉(zhuǎn)換器FX-485PC-IF和PLC1 PLC2的通信模塊 A1SJ7IUC24-R4，按照特定的連線方式構(gòu)成RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元，完成計(jì)算機(jī)與PLC1 PLC2的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)抽空、上下料控制、焊接控制、束流等焊接參數(shù)設(shè)定及顯示畫(huà)面的組態(tài)。4軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC編程軟件本系統(tǒng)采用三菱公司提供的GX Developer 7.08J PLC 編程軟件。其運(yùn)行環(huán)境為WinNT/Win 2000/Win XP,具有相當(dāng)友好的界面，PLC程序主要完成對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集與處理，本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊式編程

6、方法，新穎的焊接參數(shù)算法，從而提高了各種焊接工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)性和系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的軟保護(hù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的功 能,大力提升工藝自動(dòng)調(diào)節(jié)性、裝備可靠性和工廠自主自動(dòng)化水平。4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件本系統(tǒng)采用組態(tài)王 6 . 5作為監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是一種面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)軟件，其基于Win 2000/Win XP平臺(tái)設(shè)計(jì)，組態(tài)王中命令語(yǔ)言是一種在語(yǔ)法上類(lèi)似C語(yǔ)言的程序，工程人 員可以利用這些程序來(lái)增強(qiáng)應(yīng)用程序的靈活性、處理一些算法和操作等。組態(tài)王支持Windows標(biāo)準(zhǔn)的Active X 控件，從而使其設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的開(kāi)放性、互通性、易維護(hù)性和易 組態(tài)性。監(jiān)控軟件由數(shù)據(jù)監(jiān)控站、工藝流程、狀態(tài)查詢、焊接曲

7、線、焊接參數(shù)配方等畫(huà)面組 成，主要完成焊接參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、設(shè)備故障診斷、各種焊接工藝參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢等功能。5關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)5.1八段焊接參數(shù)輸出控制算法高壓、束流、轉(zhuǎn)速、聚焦等焊接參數(shù)的控制曲線如圖3，控制程序要實(shí)現(xiàn)八段控制(包括自轉(zhuǎn)啟動(dòng)拉束流 聚焦散焦一冷卻等工藝過(guò)程)并能隨意更改設(shè)定值 ，從而保證其焊接產(chǎn)品質(zhì)量得到控制。利用計(jì)算機(jī)的RS-232接口與RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元，完成計(jì)算機(jī)與PLC2的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)束流、自轉(zhuǎn)、聚焦、高壓等焊接參數(shù) 設(shè)定及顯示畫(huà)面的組態(tài)。由于八段時(shí)間短的只有0. 1秒要求響應(yīng)時(shí)間要快，轉(zhuǎn)速變速是靠伺服系統(tǒng)通過(guò)程序把變速數(shù)據(jù)寫(xiě)入伺服放大

8、器的緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的快速切換，其中高壓、 束流、轉(zhuǎn)速、聚焦等模儀量通過(guò)下面的算法實(shí)現(xiàn)。高壓、轉(zhuǎn)速、聚焦等焊接參數(shù)的控制電壓和工程量值是線性關(guān)系，故高壓、轉(zhuǎn)速、聚焦在T1至T8時(shí)間段的控制算式如式：f(Xn)=kX n-l + 1/10tn(Xn- Xn-1) 式中Xn： n段參數(shù)的設(shè)定植Xn- 1:參數(shù)當(dāng)前值n: n=1 8tn：n段時(shí)間的設(shè)定植f(x n):參數(shù)控制電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量K :線性常數(shù)而束流的控制電壓和工程量值是非線性關(guān)系，但可以用分段近似線性法讓束流的控制電壓和工程量值在一小段范圍內(nèi)近似為線性關(guān)系。控制算式如式：f(in)=kNin 1+1/10tn(in-in-1) 式中in

9、: n段的設(shè)定植in-1：參數(shù)當(dāng)前值N :束流范圍段數(shù)(越大越接近)n: n=1 8tn： n段時(shí)間的設(shè)定植f(i n):參數(shù)控制電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量Kn :第N范圍段修正常數(shù)焊接參數(shù)DA輸出控制算法程序流程圖如下：初始化tn記時(shí)到否n=n+1n=8結(jié)束5.2通訊控制的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)選用計(jì)算機(jī)的 RS-232接口與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器FX-485PC-IF和PLC的通信 模塊A1SJ71UC24-R4，按照特定的連線方式構(gòu)成RS485總線串口通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元，RS485總線串口通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用方便快捷。只須利用計(jì)算機(jī)的 RS-232接口與RS232/RS485轉(zhuǎn)換器FX-485PC-IF和PL

10、C的通信模塊，按照手冊(cè)上的連線方式構(gòu)成RS485總線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元，在通訊模塊 A1SJ71UC24-R4面板的通道設(shè)置針上選擇該P(yáng)LC系統(tǒng)的通道號(hào)，在上位計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件硬件初始化中設(shè)置相應(yīng)PLC通道號(hào)，在完成通訊模塊A1SJ71UC24-R4面板上波特率切換設(shè)置針的選擇后即可完成計(jì)算機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)通信。具體通信參數(shù)設(shè)置如表1,計(jì)算機(jī)通信組件 A1SJ71UC24-R4上的通訊參數(shù)設(shè)置如下：1） 、將MODE撥盤(pán)指向8的位置，本協(xié)議只支持通信協(xié)議的模式42）、將開(kāi)關(guān)（SW1）按如下設(shè)置123456789101112offonoffononoffononononoffon3）2 臺(tái) PLC

11、 的 STATION NO站號(hào)）分別設(shè)為 00CH和 01CH表1 PLC的推薦通信參數(shù)設(shè)置表設(shè)置項(xiàng)缺省值推薦值波特率：96009600數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度88停止位長(zhǎng)度11奇偶校驗(yàn)位偶校驗(yàn)偶校驗(yàn)5. 3系統(tǒng)組態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示，采用組態(tài)王 6 . 5作為監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以方便的實(shí)現(xiàn)以下功 能：1）畫(huà)面切換功能：多種目標(biāo)控制都可以一次分檔編輯，明了、直觀。畫(huà)面之間的切換簡(jiǎn)明方便，從主畫(huà)面可直接進(jìn)入任何畫(huà)面，有軟鍵盤(pán)功能，從而參數(shù)的設(shè)定更簡(jiǎn)便。2）趨勢(shì)：組態(tài)王的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)除了在畫(huà)面中以值輸出的方式和以報(bào)表形式顯示外，還可以曲線形式顯示。組態(tài)王的曲線有趨勢(shì)曲線、溫控曲線和X-Y曲線。

12、3）報(bào)警監(jiān)視：當(dāng)報(bào)警和事件發(fā)生時(shí)，組態(tài)王把這些信息存于內(nèi)存中的緩沖區(qū)中，報(bào)警 和事件在緩沖區(qū)中是以先進(jìn)先出的隊(duì)列形式存儲(chǔ)，所以只有最近的報(bào)警和事件在內(nèi) 存中。當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到指定數(shù)目或記錄定時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將報(bào)警和事件信息進(jìn) 記錄。報(bào)警的記錄可以是文本文件、開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)或打印機(jī)。另外，用戶可以從人 機(jī)界面提供的報(bào)警窗中查看報(bào)警和事件信息。4）配方管理：組態(tài)王提供的配方管理由兩部分組成：配方管理器和配方函數(shù)集。配方 管理器打開(kāi)后，彈出對(duì)話框，用于創(chuàng)建和維護(hù)配方模板文件；配方函數(shù)允許組態(tài)王 運(yùn)行時(shí)對(duì)包含在配方模板文件中的各種配方進(jìn)行選擇，修改，創(chuàng)建和刪除等一系列 操作。本系統(tǒng)用于不同焊接參數(shù)組的修改、調(diào)用、下傳。6結(jié)論改造后的新系統(tǒng)不僅滿足了 VVER工藝要求并且提高了系統(tǒng)的可靠性，而且具備了焊接參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、設(shè)備診斷、各種焊接工藝自動(dòng)調(diào)節(jié)和狀態(tài)