基于A系列三菱PLC控制的电子束焊机改造系统1

焊接参数的控制曲线图
V 30r/s 转速
聚焦 I1 1520mA U 75kv I 8mA
高压
束流
t1
t2
t3
t4
t5
t6 t6
t7
t8
0
图3 焊接参数的控制曲线图
t(s)时间
焊接参数DA输出控制算法公式
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①: f(xn)=k[xn－1+1/10tn(xn- xn－1)] ----------- ① 式①中xn: n段参数的设定植 xn－1: 参数当前值 n: n=1—8 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②： f(in)=kN[in－1+1/10tn(in- in－1)] ----------- ② 式②中in: n段的设定植 in－1: 参数当前值 N：束流范围段数（越大 越接近） n: n=1—8 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
图5 系统通讯网络示意图
燃料棒上料 转鼓进 关仓门 加热 抽电子枪 抽容器真空
焊接
电子枪放气
容器放气
开仓门
转鼓出
下料
转鼓进关仓门
冷却 图2 燃料棒电子束焊工艺流程图
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-485PCIF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。
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
目录

前言 工艺流程及主要控制 系统的结构与组成 软件设计 关键技术难点 效益 结论
设备现状
本设备是从核动力院四所购买进的旧设备，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。

焊接参数DA输出控制算法程序流程图
初始化
下传设定参数
启动焊接
调用f(xn)算法 N tn 记 时 到 否 Y n=n+1
N
n=8 Y 结束
通讯控制的实现
RS485总线串口通信网络结构使用方便 快捷。如图5只须利用计算机的RS-232 接口与RS232/RS485转换器FX-485PCIF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左上表 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4 2）将开关（SW1）按如左下表设置 3）2台PLC的STATION NO(站号)分别设为 00CH和01CH
关键技术难点

①
② ③
八段焊接参数控制程序的实现 焊接参数DA输出控制算法 可编程多段变速伺服控制系统的实现 数据采集系统的实现 通讯控制的实现 系统组态控制的实现
焊接参数DA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。
软件设计


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。 上位机监控软件 本系统采用组态王 6．5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Ｃ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。 命令语言都是靠事件触 发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根 据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件 命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令 语言和画面命令语言等。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。

方案

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：
手自动控制界面
自动报表
上位机
状态、参数的监控
加热 PLC 1
RS485 PLC 2 参数的采集及控制
抽真空
上下料 放气 焊接动作 冷却
图1 新控制系统原理框图
工艺流程及主要过程控制

电子束焊机自动控制系统中，现场PLC控制站需要控制的类型主要有 三种： 一种是顺序逻辑控制,第二种是模拟量控制,第三种是伺服控制。 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.设备的工艺过程简图如图2：
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、各种焊接工艺自动调节和状态 实时查询等功能,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。同时也为公司节 约了大笔设备改造费用，并提升了相关技术和维 修人员的人才队伍建设。
谢谢！

设置项 波特率： 数据位长度 停止位长度 奇偶校验位
缺省值 9600 8 1 偶校验
推荐值 9600 8 1 偶校验
1 off
2 on
3 off
4 on
5 on
6 off
7 on
8 on
9 on
10 on
11 offຫໍສະໝຸດ 12 on系统组态控制的实现




监控画面如图4所示，采用组态王 6．5作为监控软件开发平台， 可以方便的实现以下功能： 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。 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。 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。 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。
监控画面
a 主画面
b 软控制画面
c 报警监控画面 图4 监控系统画面
d 趋势画面
效益



为公司节约了大笔设备购置费用，如果从 俄罗斯进口一台新的电子束焊机需1000左 右万人民币，而本次设备从购买到改造完 只花费了100万人民币左右; 每年要节约大笔维护费用,改变了原设备备 品备件选择渠道窄，造成价格过高，维护 成本高的历史; 同时提升了相关技术和维修人员的人才队 伍建设;