（光学工程专业论文）工业用灯泵浦大功率ndyag固体激光器控制系统研究.pdf

摘要 激光器是激光加工系统的基础部分，目前国产的激光器大多是中小功率的激 光器，大功率激光器基本靠进口。针对这种现状，研制出大功率固体激光器显得 尤为必要，本人参与了北京市市经贸委的技术创新项目“工业用大功率n d ：y a g 固体激光加工系统的研制”，本文的内容就是工业用大功率n d ：y a c , 固体激光加 激光器的控制系统。 工业用灯泵浦大功率固体激光器不仅具有高电压、大电流的电源以及多密封 面的真空腔体，而且在运行过程中产生大量的热量需要进行冷却，对温度变化也 比较敏感，因此灯泵浦大功率固体激光器是一种较为复杂的工业设备，需要采用 智能式控制系统。本文采用p l c 主从式控制系统。p l c 作为下位机采集水流量、 温度以及各点的状态信号，并对这些数据进行处理后传入上位机，同时在上位机 的指令下，p l c 控制激光器的安全开启以及其激光功率的大小，并在有故障时能 及时中断工作状态且实现报警。论文主要内容包括系统总体设计、硬件设计、软 件设计和上下位机通信。 首先，阐述了系统的总体设计，通过比较工控机、单片机、p l c 的各自特点 及使用范围后，确定了本论文的p l c 主从式控制系统。在确定了被控对象后，设 计了的总体方案。 其次，介绍了硬件设计选用，根据电路需要以及性价比，对p l c 、各种低压 电器等这些硬件进行了挑选，并在严格遵守电气设计标准的条件下，对大功率固 体激光器的控制电路进行了设计以及布局。 第三，论述了软件设计和上下位机通信。采用了p l c 的汇编语言编写了整个 控制系统。通过r s 2 3 2 串行口上下位机进行了通信。 最后，在实践的基础上论证了该控制系统。 关键词：p l c ；控制；激光功率；水流量；温度；报警 a b s t r a c t l a s e ri st h eb a s i cp a r to fl a s e rs y s t e m u pt on o w ，m a i n l ym e d i u mm a dl o w p o w e r l a s e r sa r ed o m e s t i cl a s e r s h i g hp o w e rl a s e r sm o s t l yn e e dt ob ei m p o r t e d t ot h i s s i t u a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dm a k eh i g hp o w e rl a s e r s 1p a r t i c i p a t ei n t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni t e mo fb e i j i n ge c o n o m yc o m m i t t e ef o rt h ei t e m “t h es t u d y o f h i g hp o w e r n d ：y a gl a s e rs y s t e mu s e di ni n d u s t r y ”t h ec o n t e n to f t h i sp a p e ri s t h ec o n t r o ls y s t e mo f l a m pp u m p i n gf o rh i g hp o w e rn d ：y a gs o l i d - s t a t el a s e r l a m pp u m p i n gf o rh i g hp o w e rs o l i d - s t a t el a s e rn o to n l yh a v eh i g hv o l t a g ea n dg r e a t c u r r e n tp o w e ra n dm a n yh e r m e t i cs i d e sv a c u u mc a v i t y ，b u ta l s op r o d u c eag r e a td e a l q u a n t i t yo f h e a tw h i c hn e e db e e nc o o l i n g i ti sr e l a t i v e l ys e n s i t i v i t yt ov a r i e t yo f t e m p e r a t u r e s ol a m pp u m p i n gf o rh i g hp o w e rs o l i d s t a t el a s e ri saq u i t ec o m p l i c a t e d i n d u s t r ye q u i p m e n t i tn e e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m t h i si t e ma d o p tp l cp r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t ec o n t r o ls y s t e m a sh y p o g y n o u sc o m p u t e r ，p l cc o l l e c tf l u xo fw a t e r ， t e m p e r a t u r ea n ds t a t es i g n a l ；d e a lw i t ht h e s ed a t aa n ds e n dt oe p i g y n o u sc o m p u t e r u n d e ri n s t r u c t i o no f e p i g y n o u sc o m p u t e r ，p l cc o n t r o ll a s e rs a f et u r n i n g - o no f l a s e r a n dm a g n i t u d eo fl a s e rp o w e r i tc a ni n t e r m i tw o r k i n gs t a t ea n dg i v ea na l a r mw h e n t h e r ea r em a l f u n c t i o n ，t h em a i nc o n t e n to f p a p e ri n c l u d e sd e s i g n i n gc o l l e c t i v i t yo f s y s t e m ，h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dc o n m a n n i c a t i n gb e t w e e np l c a n dc o m p u t e r f i r s t ，e x p a t i a t ed e s i g n i n gc o l l e c t i v i t yo fs y s t e m ，c o m p a r ec h a r a c t e r i s t i ca n du s i n g r a n g eo fi n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r ，s i n g l e c h i p ，p l c m a k es u r et h a tp l cp r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t ec o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e di nt h i si t e ma f t e rc o n f i r mo b j e c t st h a ta r e c o n t r o l l e d ，d e s i g nc o l l e c t i v i t yp r o j e c t s e c o n d l y i n t r o d u c et h em e t h o d so f d e s i g n i n ga n ds e l e c t i n go f h a r d w a r e a c c o r d i n g t o n e e do fr o u t ea n dp r i c e ，s e l e c tp l ca n dd i v e r s i f i e dl o wv o l t a g ew r i n g w i t hs t r i c t s t a n d i n gt os e l e c td e s i g ns t a n d a r d ，d e s i g na n dl a y o u tc o n t r o lc i r c u i to fl a m pp u m p i n g - i i 摘要 f o rh i g hp o w e rs o l i d - s t a t el a s e r t h i r d l y ，d i s c u s sd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i n gb e t w e e np l ca n dc o m p u t e r a d o p ta s s e m b l el a n g u a g eo fp l cc o m p i l i n gw h o l es o f t w a r e c o m m u n i c a t eb e t w e e n p l ca n dc o m p u t e rv i ar s 2 3 2 ， f i n a l l y ，o nt h eb a s eo f p r a c t i c e ，a r g u m e n t a t i o nt h i sc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：p l c ；c o n t r o l ；p o w e ro f l a s e r ；f l u xo f w a t e rt e m p e r a t u r e ；g i v ea n a l a r m 。 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名垄女兔塞魄呈坚三5 - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名孝哓隽 翩躲弱趟胁坐z r 第一章绪论 1 1 引言 激光作为二十世纪的重大发明具有无穷的魅力，成为推动当代高新技术发展 的动力。它的应用已经渗透到众多的领域：信息，材料加工，医学和生命科学， 检测和军事等领域，并且发挥着非常重要的作用。工业化发达国家的政府十分注 重激光技术的发展，美国1 9 9 8 年制定的2 1 世纪光科学与工程的发展规划一 哈罩森光计划( h a r n e s s i n gl i g h to p t i c a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n gf o rt h e 2 1 s tc e n t u r y ) ，日本2 0 0 1 年制定的光科学与工程的发展规划光世纪( r d i n s t i t u t ef o rp h o t o n i c se n g i n e e r i n g ) 以及德国教研部2 0 0 2 年制定的光学技 术促进计划，都是各国政府为保持国民经济的持续发展，争夺预计为1 0 0 0 亿美 元以上的激光技术市场而明确制定的国家规划。 在激光应用领域中，发展最快、市场最大的是激光加工，比如激光切割、焊 接、涂敷、表面处理等。激光加工系统是集光、机、电为一体的工程系统。国外 先进国家激光加工技术已经广泛应用于汽车、钢铁、宇航、造船等工业生产中， 并且在国民生产总值中占有越来越大的比重。目前，美国、日本、德国三个国家 激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展水平。美国2 0 0 0 年就有2 0 0 0 0 多 台激光器用于材料加工，日本占当今世界上工业用激光设备的3 0 左右，激光加 工是日本重要的基础制造技术之 1 6 1 。德国企业( 主要是r o f i n s i n a r 激光公司、 t r u m p f 激光技术公司、h a a s 固体激光公司、l a m b d ap h y s i k 公司等) 几乎占了 世界市场的4 0 ，处于领先的地位。在激光光源方面c 0 2 占4 2 ，n d ：y a g 占3 5 ： 在激光系统方面c 0 2 激光加工系统5 6 ，n d ：y a g 激光加工系统占4 0 。瑞典歌德 堡的沃尔沃( v o l v o ) 汽车公司用n d ：y a g 激光焊接机焊接的焊缝总长度已超过 1 0 0 万米，美国福特汽车公司利用5 米长的光纤将n d ：y a g 激光器2 k w 的连续输 出功率传输到i r 7 6 1 1 2 5 型机器人的焊接头上用于车身装配线口0 1 。据统计，2 0 0 4 年全世界范围激光器的销售额达到5 4 亿美元，比2 0 0 3 年增长了10 ，其中用 于金属加工( 例如焊接，切割，打孔等) 、半导体和微电子制造、各种材料的打 标、以及其他材料加工方面的激光系统销售额达到1 4 7 亿美元。激光加工已经 逐渐成为现代工业不可缺少的重要组成部分。 。1 北京i 业大学1 学硕士学位论文 1 2 固体激光器的现状及发展趋势 作为2 l 世纪重大科技成就之一而载入史册的激光是以1 9 6 0 年世界上第一台 红宝石激光器的发明为标志的。近4 0 年来，固体激光器历经了6 0 年代的迅速发 展时期，7 0 年代的相对缓慢发展和8 0 年代的“复苏”时期【1 2 1 。进入9 0 年代以后， 固体激光保持了持续发展的势头，并不断开拓新的重要应用领域。其中，以高功率 固体激光器和二极管泵浦固体激光器( dpl ) 以及其应用研究的新进展尤为引 人瞩目。 迄今，固体激光器已在工业材料加工、激光医学、激光化学、科学研究与发 展以及国防军事等方面获得广泛应用，形成了相当广泛的世界固体激光市场。而 大功率固体激光器作为其中一部分已经得到越来越广泛的应用。 目前，用闪光灯泵浦的单棒n d ：y a g 激光器连续输出功率已达7 5 0 w ，采用多 棒串接激光器已达5k w 以上，美国、日本、德国、加拿大等己能批量生产商品 化的多棒串接激光器，如两棒6 0 0 w 、三棒1 8 k w 、六棒2 4 k w 等系统。国际有 代表性的用于材料加工的高功率n d ：y a g 棒状激光器的公司主要有：h a s s 、 m a r t e k 、q u a n r o n i x 、r o f i n s i n a r 、t r u m p f 、f l i b e r l i i i ( 柏林固体激光所) 和 日本电气公司( n e c ) 、东芝公司等。t r u m p f 公司拥有的固体激光器一灯泵浦h l 系列，有了超过5 k w 的激光输出和低于2 5 一m mm r a d 的激光光束质量，t r u m p f 建 立起世界上功能最强大的灯泵浦固体激光器。2 0 的激光能量被设计保留用于光 源老化和光束制导，这样保证了加工件所需的特定的激光输出。r o f i n - s i n a r 公 司拥有的固体激光器二极管泵浦的固体激光器已经拥有最大功率为6 0 0 0 瓦，又 极好的光束质量和效果。在固体激光器的商品中，有功率达到4 4 0 0 瓦，光束质 量为1 2 毫米毫幅度的产品。 在我国，在大功率激光器方面远落后于其它发达国家，还未研制出能用于生 产的千瓦级大功率固体激光器。我国从事激光加工系统开发和生产的骨干单位 有：中国大恒公司、华工科技、电子十一所、武汉楚天光电集团等。武汉楚天光 电集团公司生产的激光焊接机，最大输出功率1 2 8 0 w ，发散角1 5 m r a d ，8 h 、1 0 0 0 w 连续输出等【1 ”。但总的看来我国研制出来的大功率激光器远远落后于先进国家， 还未能形成稳定的产品用于实际的工业生产。 第一章结论 1 3 控制系统的现状及发展趋势 大功率固体激光器是一个工业用途的设备，其控制系统是基于工业控制计算 机基础之上的。工业控制计算机是指被用于工业环境、适应工业要求的、完成工 业过程的数据采集和控制的计算机系统。在我国习惯上称为“工业控制机”或简 称为“工控机”。随着计算机技术、通讯技术和c r t 显示技术的发展，工业控制 计算机得以迅猛发展，其应用几乎遍及工业所有行业，已成为现代工业发展自动 化不可缺少的工具【l o 】。 工业控制计算机系统突出特点就是必须满足工业过程控制的要求：( 1 ) 满足 工业过程控制实时性要求，实时地采集和处理反映工业过程运行的参数，并把各 种操作分成不同的优先性，高优先性的操作应该首先得到处理，这是与通用计算 机不同的重要特点；( 2 ) 高可靠性，工业控制计算机直接控制着生产过程，要求 工业环境连续稳定运行，也就是说要求能够在具有粉尘、高温、振动和电磁干扰 的环境中长时间连续可靠地工作，能够抗工业电网的浪涌、失波、跌落和尖峰干 扰等；( 3 ) 必须具有现场信号的输入与控制信号的输出能力，工业控制计算机要 求直接从工业现场采集表征生产过程的各种参数，经过处理运算送给人机接口进 行显示、把控制信号送给执行器去控制生产过程；( 4 ) 可维护性，这也是工业过 程控制本身的要求，一旦计算机发生故障将影响生产的正常操作，要求工控机系 统结构便于维修、硬、软件故障诊断功能强，以利于快速查找故障，缩短维修时 间【3 l 】。 典型的工业控制计算机系统，由人机接口、计算机和输入输出通道三部分所 组成。这里的“计算机”是泛指，可以好似一个简单的处理系统，或是一个共总 线的多处理机系统，还可以是一个用通信网络联结起来构成的分布式计算机系统 【25 1 1 3 i 工控机的种类 目前我国大中小企业广泛应用的工业控制机有以下三种类型： l 、 分布式工业控制计算机系统，简称d c s ( d i s t r i b u t e dc o m p u t e r s y s t e m ) 。 2 、p l c 可编程控制器。 3 - 北京工业大学工学硕士学位论文 3 、 各种总线结构的o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n t l a n a f a c t u r e s ) 工业 控制机板级系列产品。 上述各类产品是适应工业不同行业的需要发展起来的，并应用于不同的场 合，其作用可相互补充，但随着技术的发展，特别是计算机科学技术的发展，各 类产品的功能又在相互渗透、相互竞争、促进发展4 1 。 1 3 2 各类工控机现状及应用 ( 1 ) d c s d c s 是基于4 c 技术( c o m p u t e r ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n 和c r t ) 的综合 性计算机控制系统。它采用网络通信将分布在现场的控制站，采集站与操作中心 的操作战、工程师站及管理站连接起来共同实现分散控制、集中管理 23 1 。 早期的计算机控制系统是一种集中控制系统，其主要特点是由单一的计算机 完成所有的功能和控制 2 2 。优点是结构简单、清晰、数据库易于管理、并容易保 持数据的一致性。但缺点也较多： 各种功能集中于一台计算机中，使得软件系统相当庞大，任务量的增加导致 系统开销增大，计算机运行效率下降，且易导致系统可靠性下降。 系统的可扩展性差。由于将所有功能集中于一台计算机上，增加了由于计算 机失效或故障对整个系统的危害性4 0 1 。 随着控制系统越来越来庞大复杂，集中式控制已无法满足应用的要求。d c s 就成为解决问题的途径，其基本设计原则为： 用多台计算机分担控制功能，各计算机处于平等地位，运用中互相不存在依 赖关系。 不同的计算机实现不同的功能，每台计算机的处理尽量单一化，以提高计算 机的运行效率，且软件结构简单，提高了软件的可靠性。 应用网络解决系统扩充和升级，实现数据共享，集中管理和操作。 d c s 一般由四个基本部分组成，即系统网络、现场i o 控制站、操作员站和 工程师站。它们分别完成数据采集、控制；监视、报警、记录；系统组态、系统 管理等功能。所有这些都通过网络连接起来，成为一个完整的系统，以实现分敖 控制和集中监视、集中操作1 2 7 】。 d c s 自1 9 7 5 年问世以来，经历了二十多年的发展历程，经过不断完善，功 4 第一革绪论 i i i ! i ! ! e ! ! 目自! ! 暑 能和性能都有巨大的提高。尤其是九十年代，增强了网络功能，使系统更加开放 化和标准化。随着工业p c 的发展，在d c s 中大量引入工业p c 机箱小型d c s 发展。 用户可用工业p c 、p l c 、智能仪表方便地构成性价比很高的d c s 系统。同时人工 智目和多媒体技术也在d c s 中得到了广泛应用。 正由于上述原因，d c s 不仅成功地应用于大型连续工业过程，如石化、乙烯、 化肥、钢铁、大型火电机组，也在小型自动化方面做出了贡献。 ( 2 ) p l c 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是 为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器称作可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，于7 0 年代产生于美国，它主 要用来代替继电器实现逻辑控制。随着电子及计算机技术的发展，出现了微处理 器和微计算机，并被应用于p l c 中，使其具备了逻辑控制、运算、数据分析、处 理以及传输等功能。因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称p c 。但是 为了避免与个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简称混淆，所以将可编程序控 制器简称p l c ”。 1 9 8 7 年，国际电工委员会( i e c ) 颁布了新的p l c 标准及其标准定义：可编 程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它 采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各 种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业 控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计 算机。它具有丰富的输入输出接口，具有很强的驱动能力，并且具有高抗干扰 性和高可靠性。在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需 根据控制要求进行设计编制。下表卜1 是p l c 的发展历程口8 】： p l c 近来发展的特点有：微小型化，系列化；利用个人计算机作为编程器的 硬件和软件环境；i o 功能增多和智能化；设置网络通信口，使大部分p l c 均可 与微型计算机互连通信。p l c 和其他控制系统之间界限越来越模糊，在应用方面 也出现了类似的情况。最流行的向p c 技术融合，p l c 日益加速渗入到d c s 中， p l c 走迸c n c 的领地。p l c 自身控制也分散化。在实时性要求不太高的场合，出 现了软p l c ( 用软件实现p l c 功能) 应用【“1 。 表1 1p l c 的发展历程 时间事件 1 9 6 8 提出p l c 概念 1 9 6 9基于硬件的c p u ( h a r d w a r eb a s e dc p u ) 1 9 7 2源码编辑( s o u r c ec o d ee d i t ) 多处理功能的p l c ( m u l t i p r o c e s s i n gp l c ) ： 逻辑、定时器 1 9 7 4 计数器、数据驱动、算术运算。8 k 存储器，1 0 2 4 点i o 1 9 7 5 远程输k 输出系统 带逻辑协处理器的基于微处理器的p l c ；l 位片c p u ，中速数据公 1 9 7 7 路； 1 9 8 0高性能分布式i o ，带智能t o 模块和块传输的系统 1 9 8 l热后备( h o tb a c k u p ) 1 9 8 2微编码( m i c r oc o d e d ) ，多处理器功能p l c 一3 1 9 8 3“b a s i c ”语言协处理器，海量存储器 1 9 8 5 i h m z 载带l a n 1 9 8 6 并行处理 1 9 8 7 容错系统 热后备 1 9 8 8 小型独立系统 1 9 8 9 控制网络( c o m t r o ；n e t w o r k i n g ) 1 9 9 0分布式处理( d is t r i b u t e dp r o c e s s i n g ) * i e c 在全世界出版并发行有关p l c 的一些标准； 全局( g l o b a l ) p l c 编程和文什系统； 高速通讯； 通用多语种p l c ：$ 分布式控制结 1 9 9 0 年以 构； 用1 ：人机界面设计的工作环境改造语言( e r g o n e m i cl a n g u a g e s ) ； 专家系统和人工智能的广泛应用；十人工神经网络： 模糊逻辑协处 理 目前，可编程控制器( p l c ) 及其网络架构是构成c i m s 系统的基础，被称为 现代工业自动化的三大支柱( p l c ，数控技术，工业机器人) 之一，在国内外p l c 已广泛应用于电力、冶金、纺织、机械、石油、化工、汽车、造纸、食品加工、 一6 - 第一苹绪论 占2 3 ；粮食加工占有1 6 4 ：化学制药占1 4 6 ：金属矿山占1 1 5 ：纸浆 造纸占1 1 3 ；其它占2 3 6 。目前，全世界有p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多个品种。全球p l c 发运件数1 9 9 8 年为1 4 5 6 万件，1 9 9 9 年为1 6 2 0 万件，2 0 0 0 年达到1 7 7 8 万件。相对p c 为基础的控制，优势在小型p l c 上。资料显示，i o6 4 点以下的销售额占整个p l c 的4 7 ，i o6 4 2 5 6 点的占3 1 ，两者之和为7 8 。 在p l c 使用成熟的美国，3 5 万家小型企业只有3 0 使用p l c ，这种情况表明小型 p l c 的发展潜力还很大。plc 将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上 升的势头。 ( 3 ) 各种总线结构的工控机 各种总线结构的工业控制计算机发展迅速，由早期的s t d 总线发展到i s a 、 m c a 、e i s a 、p c i 总线 2 4 1 。 s t d 总线尺寸小、高可靠性、低价格，适合于嵌入式系统。随着p c 总线工 控机的兴起，s t d 总线也像p c 技术靠拢，演变为新型s t d 总线，提出了“共识 总线”的概念。现在8 t d 总线主要是1 6 位，或采用扩展的s t d 3 2 总线标准。 i p c 是适合于工业控制的p c 机。i p c 在硬件上采用a l l i n o n e 形式，使平 均故障修复时间 2 0 m s ) 给启动( r u n ) 端i ：1 ，则启动指示灯亮，停 止指示灯灭，参与联机工作的激光电源将按号，号，号，号，号， 号，号，号的次序顺序触发。 4 、p l c 收到总点火成功的信号后，将控制器休眠： 作方式选择开关设 在”w o r k ”状态，即给与高电平”l ”。 5 、p l c 按照所需要的激光功率给与其相对应的电压信号，在给与的过程中需要 4 1 按照一定的比例逐步增加，不能一下就给与较大的电压信号否则会毁坏设备。控 制器将其收到的电压信号按定比例转化为电流信号再给激光电源，其将对应一 定的激光功率。 6 、在此过程中p l c 还可以时时查询反馈的激光功率以及激光电源的故障报警 信息。 p l c 输出的设定的电压信号，c o n 8 a 对应的设定电流如图4 - 3 所示： 一1 0 v 十m v 模拟量输出信号 模拟板输出转化图 激光电源控制器 转化图 输入的电压信号 酗4 3c o n 8 a 对应的设定电流 4 3 4 与上位机通信 通过r s 一2 3 2 串行接口，p l c 可以与上位机进行参数之间的传递以及处理。在 d m 6 6 4 5 与d m 6 6 4 6 中对通信进行p c 设定。本课题对其的设定如下： d m 6 6 4 5 ：1 0 0 1 一无协议通信方式。 d m 6 6 4 6 ：0 9 0 3 一采用停止位为1 位，数据长度为8 位，停止位为2 位，偶校验 且波特率为9 ，6 0 0 b p s 的通信方式。 p l c 的发送指令： 第四章控制系统软件设计 其具体参数图表4 7 所示： 表4 7t x d ( 4 8 ) s ：首源字 i r ，s r ，a r ，d m ，e m ，t t r ，t i m c n t ，l r c ：控制字 # ；被课题采用，9 0 0 0 0 一采用c p b 单元内置r s 一2 3 2 端口，发送是最高字 节在先。 n ：字节数 i r ，s r ，a r ，d m ，e m ，h r ，t i m c n t ，l r ，# 孽 其具体参数图表4 - 8 所示 r x d ( 4 8 ) d c n d ：目标首字 i r ，s r ，a r ，d m ，e m ，h r t i m c n t ，l r c ：控制字# ；被课题采用，# 0 0 0 0 一采用c p u 单元内置r s 一2 3 2 端口接收时是最 高字节在先。 n ：字节数 i r ，s r ，a r ，d m ，e m ，h r ，t i m c n t ，l r ，# 表4 - br x d ( 4 8 ) 通过一r x d 接收命令，p l c 接收上位机的指令以及设置的参数，通过一t x d 发送 指令，上位机采集到多种状态信号以及所需参数，读这些数据进行处理以及显示。 在与上位机通信过程中定义的数据格式如下： 凡6 接收数据格式：两个字 三亟三二工习 l r 人_ y j 第一个字第二个字 如果第一个字为“0 ”则表示上位机要求p l c 将给采集到的各种信息传给上 位机，如果第一个字为“l ”则表示上位机将所要求的功率大小传给p l c ，其中功 率大小在第二个字中。 p l c 发送数据格式： 北京工业_ 人学工学硕士学位论文 第1 个字第3 个字第5 个字 第7 2 2 个字第2 4 个字 第2 个字 第1 个字： 第2 个字： 第3 个字： 第4 个字： 第5 个字： 第6 个字： 第4 个字第6 个字第2 3 个字 主开开关( s 3 ) 状态； 高压开关( s 6 ) 状念： o - r u n 状态； 光闸状态； 加工光闸状态； 反馈的功率大小； 第7 - - 2 2 个字：水流量的大小，每路采集的水流量信号为频率信号占用两个 字，有八路水流量信号，则共有1 6 个字； 第2 3 个字：水温度大小； 第2 4 个字：低八位表示八路激光电源的状态信息。 4 4 本章小结 本章对水流量检测、水温度检测、功率控制、通信等子程序进行了详细的分 析，在流程图的指导下，对整个系统进行整体编程以及调试，其具体程序见附录 2 。 第五章系统仿真试验及现场调试 第五章系统仿真实验及现场调试 5 1 控制系统实验分析及仿真 5 1 1 水流量控制系统模拟部分 由于测量水流量的传感器的输出信号是频率信号，所以对于主控单元p l c 来 说，所需控制的量为频率信号。用5 5 5 集成芯片，电阻，电位器，电容组成频率 发生器。 根据传感器输出范围( 1 5 h z 2 2 5 h z ) ，可以确定其值如下： 两电阻阻值为2 0 0 欧，两电容，一值为0 0 1 微法，一值为l o 微法，电位器 是o 1 0 干欧。其电路图如5 l ： _ 一 、h hh5 1hh oooo (o () o ) 1 _ jl 础吲m 士咄 心性 、5 s 醯 八路频率输入信号 一一 图5 - i 水流量信号模拟 北京工业大学工学硕士学位论文 5 1 2 温度检测控制系统模拟部分 温度传感器输出信号为o 、l o 伏的模拟信号，所以对于p l c 来蜕所需控制和 判断的量为模拟量。用电位器，电阻组成分压系统使其能输出o 、1 0 伏的电压信 号。其电路图如5 - 2 ： 图5 2 温度模拟信号 5 1 3 光闸控制系统 对于p l c 主控单元来说，对于关闸的控制为开关量。通过开关调节手动档还 是自动档。通过输入数字信号p l c 来判断其状态，并且输出数字信号来控制关闸 的开关。 5 1 4 功率控制系统 , 1 6 第五苹系统仿真试验及现场调试 目_ - _ _ - _ _ _ _ 目_ 目_ _ | 自e | e ! _ _ | e 自_ | 目_ i i i e ! 目自目_ e _ _ _ | 自e g s 目| _ _ _ 对于p l c 主控单元来说，对于功率的控制为模拟量。p l c 输出一定的模拟值 对应一定的功率，而通过一定模拟值反馈，p l c 可知道激光器目前的功率值。目 前，p l c 对模拟量的输入输出调试成功，但还需与激光器电源联合调试。 5 1 5 实现的p l c 模拟控制电路 该电路实现了对水流量、温度的检测，且能安全有效的开启激光电源。其电 路图如图5 - 3 ： 、 一怡。5 。o 耘q 婶| 阿) ，9 巧丢g 蹿f i 牟剑u l l u 雌u _ _ l i _ r j 忆趔熟群秆丽_ b 7 一5 4 一。l l 驻、 一一 ，1 2 = | 一 。 j s 匿美濮：剥剿i 一 u 斗叫进 w 磐丘_ r 。_ l f ， “尊藏南燃匿翔 一k 一3 - 熊生潮燃建塑 压关) ( 高压开) 图5 - 3 实验室模拟p l c 控制 控制面板部分包括，s l ( 急停开关) ，s 2 ( 关闭) ，s 3 ( 开始) ，s 5 ( 高压关) ，s 6 ( 高压开) 。其具体操作过程入如下，上电后k 3 闭合，如图5 4 ( a ) 所示： a 么b 按s 3 ( 开始) 后，此灯亮，并且p l c 开始检测水流量、温度正常否，若e 常则p l c 输出信号，i 1 4 闭合。按下s 6 ( 高压开) ，状况如图5 5 所示： 图5 5 高压状态图 此时，k l ，k 2 ，k 5 都闭合，表明高压可以正常开启了。 若水流量，温度达不到所规定的范围，所说明其出现故障，p l c 进行报警， 且断开k 1 4 ，从而使得k l ，k 2 ，k 5 都断开，高压自动断开，且无法开庙了。等待 正常后，k 1 4 闭合。其报警状态图如5 - 6 所示 图5 6 报警状态图 5 2 工业用灯泵浦大功率n d ：y a g 固体激光器控制系统的现场 调试 按照设计好的电路控制原理图将控制电路搭接好，如图5 - 7 所示 ab 图5 7 控制电路图 该电路实现了水流量、温度的检测，能对功率大小、光闸进行时时控制，能 够进行报警，已基本实现了对大功率激光器的控制。 5 3 本章小结 本章在实验室环境中，逐步模拟实现了对水流量、温度等检测，以及功率大 小和光闸的控制，并在设计好的电路图的指导下，搭接好了大功率固体激光器的 控制电路，对设计好的软件程序进行了调试，最后实现了大功率的控制系统。 结论 结论 本文进行了如下几个方面的工作： 1 、比较了工控机、单片机、p l c 为主控制器的几种控制方案的优缺点以及 使用环境后，相比较而言，工控机的适应能力不足，单片机的控制功能及外接驱 动能力不足，而p l c 是专为工业现场环境设计的，p l c 应用于大功率固体激光器 的自动控制系统具有高抗干扰、抗振、耐高温等优点，且p l c 具有良好的接口性 能。选择了p l c 主从式控制系统的方案。 2 、介绍了切断器、接触器、继电器等等这些低压电器的原理和特性。主要 根据电路的实际电流以及可靠性，选择了这些低压电器，同样根据性价比等因素， 选择了欧姆龙c q m l h p l c ，在确定被控对象后，根据电气设计标准，设计了整个 控制系统电路。 3 、介绍了欧姆龙c q m l h p l c 的编程软件环境，根据所要实现的功能设计了系 统软件流程，用汇编语言实现了整个系统的控制程序，且对所用的命令进行了介 绍。对通信格式和数据格式进行了定义。 4 、在实验室环境中模拟了各个部分的控制，在调试成功后，将设计好的控 制系统电路搭接好，并进行了最后的软硬件调试。 通过以上的步骤，最后实现了对大功率激光器的安全有效的控制。在调试的 过程中，碰到了一些实际问题，最主要的抗干扰的问题，通过合体的布局以及接 地、加屏蔽线等措施来消除和减小干扰。 由于这是第一台实验样机，其控制的点和功能还有待进一步完善，目前在调 试的过程中进行了以下方面进行改进： l 、 更加全面地考虑被控对象，增加被控制点，使得其安全性进一步 加强。 2 、 注意t t l 电平和p l c 所需的2 4 v 电平的转换，是电路布局更加合 理化、美观化。 3 、 增加标准c n c 接口，以便能同工业机械手等加工设备进行联接， 使机械手在加工过程中可以控制激光器光闸的开启、关闭以及激光器的 功率等。 北京工业大学工学硕士学位论文 参考文献 1 程周，电气控制技术与应用，福建科学技术出版社，p 1 7 7 6 2 史国生，电气控制与可编程控制器技术，化学二r 业出版社，p 6 9 p 3 1 - 4 1 3 宫淑贞，王冬青，徐世许，可编程控制器原理及应用，人民邮电出版社，p 1 3 3 1 3 5 4 马养武，陈钰清。激光器件，浙江大学出版社，p 1 1 9 1 6 3 5 严克宽，张仲超，电气二程和电力电子技术，化学：业出版社 6 樊友平，黄席樾，余吟山，火功率准分子激光器控制系统研制，揖子电子学报 7 c q m i h 系列编程手册以及操作手册，欧姆龙( 中国) 有限公司 8 廖无限，用经验框图法进行继电器和p l c 设计 9 张智杰，plc 控制系统设计，电气传动自动化，v 0 1 2 4 ，n o6de e ，2 0 0 2 1 0 段明祥，工业控制计算机技术的发展与国内产业发展概况 1 1 王莺，工业可编辑序控制器的现状与发展趋势，航天技术与民品，1 9 9 9 5 1 2 吕百达，季小玲，固体激光技术发展前景展望，重庆师范学院学报( 自 然科学版)第1 6 卷第4 期 1 3 苏宝容，我国的激光加丁现状及发展前景，激光与红外v 0 1 2 6 ，n o 3 1 4 t o s h i n o r ii s h i d a ，t a k u y at o g a w a ，h i r o y u k im o r i t a ，y o s h i k a z us u z u k i 6 k wa n d 1 0 k w ，h i g hp o w e rl a m pp u m p e dm o p an d ：y a gl a s e rs y s t e m s ，p r o c e e d i n go fs p i e ， v 0 1 3 8 8 8 ( 2 0 0 0 ) ，p 5 6 8 5 7 6 1 5 l o a n n i d e s ，m ，g d e s i g na n dl m p l e m e n t a t l o no fp l c b a s e dm o n i t o r i n gc o n t r o l s y s t e mf o ri n d u c t i o nm o t o r ，e n e r g y c o n v e r s i o n ，i e e et r a n s a c t i o n so n v o l1 9 ，2 0 0 4 9 ，p 4 6 9 4 7 6 1 6 t o s h i r o uk o i z u m i ，a m a d ae n g i n e e i n g c u r r e n ts t a t u sa n df u t u r ep r o s p e c to f b i g h p o w e r i n d u s t r i a ll a s e r sf o rm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，c e n t e rc o ，l t d ， i s b i d a 3 5 0 ，i s e h a r a s h i ，k a n a n g a w a k e n ，2 5 9 一1 1 1 6 ，j a p a n 1 7 s a n d u s k y 皿口p l ca n d p cs y s t e md o c u m e n t a t i o nc o n c e p t s ， e l e c