基于A系列三菱PLC控制的电子束焊机改造系统.doc

基于A系列三菱PLC控制的电子束焊机电气系统改造基于A系列三菱PLC控制的电子束焊机改造系统中核建中核燃料元件有限公司 庞建新摘要：本文简要介绍了CA330M2俄罗斯真空电子束焊机电气控制系统改造前的状况和焊机的工艺流程，阐述了电气系统改造的系统构成，着重介绍了伺服系统控制技术、A/D-D/A转换控制技术、PLC与工控机通讯控制及上位机工艺过程监控画面的组态技术在CA330M2俄罗斯真空电子束焊机电气控制系统改造中的应用，重点分析了PLC控制软件对束流等参数构成的八段焊接参数控制及采集程序的设计。关键词:电子束焊;PLC;通讯控制;数据采集;系统组态1前言手自动控制界面上位机自动报表PLC1放气PLC 2RS485加热抽真空上下料参数的采集及控制状态参数的监控控焊接动作冷却图1 新控制系统原理框图本设备是一台高束能焊接设备- -电子束焊机,从核动力院四所购买的旧设备，经过维修，现各项性能都恢复了原有功能，准备用于VVER生产线，但要用于VVER燃料棒和导向管生产还存在以下问题: 1）现有焊接程序不能直接应用在VVER核然料棒和导向管的焊接。2）程序没有掉电保持功能和手/自动自由切换功能，造成操作不灵活。3）硬件系统无法实现数据采集的存储、计算、打印及生成报表功能。4）有些控制回路采用了继电器控制，控制方法落后，线路复杂，故障点多。5）设备故障诊断和保护功能不够。6）设备已进入故障率高峰期，故障率高，加大了生产风险。7）设备备品备件选择渠道窄，造成价格过高，维修成本高。8）容器长度不够，夹具等工装须重新设计加工。从而有必要进行国产化改造。针对上述问题，本文详细介绍在该焊机技术改造中采用的控制策略，具体改造方案如图1,采用由PC和PLC组成的上位机（工业PC机）、下位机（PLC）的这种模式，即典型的集散控制系统（DCS），既满足了真空电子束焊机对控制系统可靠性及良好的抗干扰性要求，又可实现高压、束流、转速、聚焦参数的设定、采集、存储和打印； 具有数据查询系统、状态查询系统、故障诊断等功能。2工艺流程及主要控制工艺过程简图如图2：燃料棒上料转鼓进 关仓门加热抽电子枪抽容器真空焊接开仓门转鼓出放弃电子枪放气容器放气 转鼓进关仓门下料图2 燃料棒电子束焊工艺流程图冷却电子束焊机自动控制系统中，现场PLC控制站过程控制类型主要有两种： 一种是顺序逻辑控制,第二种是模拟量控制。系统主要的过程控制包括上下料控制、真空控制、焊接过程控制、焊接参数控制与采集、通讯控制.3 系统的结构与组成如图1系统原理框图所示，本控制系统由主控计算机单元(一体化工作站)、三菱PLC单元、伺服系统单元、阀门控制单元、真空计单元、位置传感器单元、原有电子束真空焊机主体、阀门、夹具、水气系统等构成。1#PLC主要功能是进行抽真空、加热、上下料、公转、自传、进退棒、压轮等工艺过程控制。2#PLC主要功能是取代焊接参数控制仪通过AD和DA模块实现时间、束流、转速、聚焦等焊接参数控制与采集。通过ADAM3016对束流、聚焦、高压采样信号放大后，经A/D采集模块处理后，可显示实时值及趋势曲线。利用计算机的RS-232接口与通信总线转换器FX-485PC-IF和PLC1、PLC2的通信模块A1SJ7lUC24-R4，按照特定的连线方式构成RS485总线通信网络结构单元，完成计算机与PLC1、PLC2的数据通信，通过组态王软件实现抽空、上下料控制、焊接控制、束流等焊接参数设定及显示画面的组态。4软件设计4.1 PLC编程软件本系统采用三菱公司提供的GX Developer 7.08J PLC编程软件。其运行环境为Win NT/Win 2000/Win XP,具有相当友好的界面，PLC程序主要完成对设备的自动控制，数据采集与处理，本系统软件结构采用模块式编程方法, 新颖的焊接参数算法, 从而提高了各种焊接工艺参数自动调节性和系统的可靠性，增加了系统的软保护，增强了系统的功能,大力提升工艺自动调节性、装备可靠性和工厂自主自动化水平。4.2 上位机监控软件 本系统采用组态王 65作为监控软件开发平台，是一种面向对象的开发软件，其基于Win 2000/Win XP平台设计，组态王中命令语言是一种在语法上类似语言的程序，工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。组态王支持Windows标准的Active X控件，从而使其设计具有很强的开放性、互通性、易维护性和易组态性。监控软件由数据监控站、工艺流程、状态查询、焊接曲线、焊接参数配方等画面组成，主要完成焊接参数实时显示、设备故障诊断、各种焊接工艺参数自动调节和状态实时查询等功能。5关键技术难点5.1 八段焊接参数输出控制算法高压、束流、转速、聚焦等焊接参数的控制曲线如图3，控制程序要实现八段控制（包括自转启动 拉束流 聚焦 散焦 冷却等工艺过程）并能随意更改设定值 ，从而保证其焊接产品质量得到控制。利用计算机的RS-232接口与RS485总线通信网络结构单元，完成计算机与PLC2的数据通信，通过组态王软件实现束流、自转、聚焦、高压等焊接参数设定及显示画面的组态。由于八段时间短的只有01秒要求响应时间要快，转速变速是靠伺服系统通过程序把变速数据写入伺服放大器的缓冲区来实现速度的快速切换，其中高压、束流、转速、聚焦等模仪量通过下面的算法实现。V30r/sI11520mAU 75kv转速聚焦高压I 8mA束流0 t(s)时间t1 t2 t3 t4 t5 t6 t6 t7 t8 图3 焊接参数的控制曲线图高压、转速、聚焦等焊接参数的控制电压和工程量值是线性关系,故高压、转速、聚焦在T1至T8时间段的控制算式如式:f(xn)=kxn1+1/10tn(xn- xn1) - 式中xn: n段参数的设定植 xn1: 参数当前值 n: n=18 tn: n段时间的设定植 f(xn)：参数控制电压对应的数字量 K：线性常数而束流的控制电压和工程量值是非线性关系,但可以用分段近似线性法让束流的控制电压和工程量值在一小段范围内近似为线性关系。控制算式如式：f(in)=kNin1+1/10tn(in- in1) - 式中in: n段的设定植 in1: 参数当前值 N：束流范围段数（越大越接近） n: n=18 tn: n段时间的设定植 f(in)：参数控制电压对应的数字量 KN：第N范围段修正常数焊接参数DA输出控制算法程序流程图如下： 初始化下传设定参数启动焊接调用f(xn)算法tn记时到否n=8n=8n=n+1n=n+1结束YYNN 5.2 通讯控制的实现本系统选用计算机的RS-232接口与RS232/RS485转换器FX-485PC-IF和PLC的通信模块A1SJ71UC24-R4，按照特定的连线方式构成RS485总线串口通信网络结构单元，RS485总线串口通信网络结构使用方便快捷。只须利用计算机的RS-232接口与RS232/RS485转换器FX-485PC-IF和PLC的通信模块，按照手册上的连线方式构成RS485总线通信网络结构单元，在通讯模块A1SJ71UC24-R4面板的通道设置针上选择该PLC系统的通道号，在上位计算机的组态软件硬件初始化中设置相应PLC通道号，在完成通讯模块A1SJ71UC24-R4面板上波特率切换设置针的选择后即可完成计算机与PLC的数据通信。具体通信参数设置如表1，计算机通信组件A1SJ71UC24-R4上的通讯参数设置如下:1）、将MODE拨盘指向8的位置,本协议只支持通信协议的模式42）、将开关（SW1）按如下设置123456789101112offonoffononoffononononoffon3）2台PLC的STATION NO(站号)分别设为00CH和01CH表1 PLC的推荐通信参数设置表设置项 缺省值 推荐值 波特率： 9600 9600 数据位长度 8 8 停止位长度 1 1 奇偶校验位 偶校验 偶校验 53 系统组态控制的实现 监控画面如图4所示，采用组态王 65作为监控软件开发平台，可以方便的实现以下功能：1） 画面切换功能：多种目标控制都可以一次分档编辑，明了、直观。画面之间的切换简明方便， 从主画面可直接进入任何画面，有软键盘功能，从而参数的设定更简便。2） 趋势：组态王的实时数据和历史数据除了在画面中以值输出的方式和以报表形式显示外，还可以曲线形式显示。组态王的曲线有趋势曲线、温控曲线和X-Y曲线。3） 报警监视：当报警和事件发生时，组态王把这些信息存于内存中的缓冲区中，报警和事件在缓冲区中是以先进先出的队列形式存储，所以只有最近的报警和事件在内存中。当缓冲区达到指定数目或记录定时时间到时，系统自动将报警和事件信息进记录。报警的记录可以是文本文件、开放式数据库或打印机。另外，用户可以从人机界面提供的报警窗中查看报警和事件信息。4） 配方管理：组态王提供的配方管理由两部分组成：配方管理器和配方函数集。配方管理器打开后，弹出对话框，用于创建和维护配方模板文件；配方函数允许组态王运行时对包含在配方模板文件中的各种配方进行选择，修改，创建和删除等一系列操作。本系统用于不同焊接参数组的修改、调用、下传。6结论改造后的新系统不仅满足了VVER工艺要求并且提高了系统的可靠性，而且具备了焊接参数实时显示、设备诊断