基于A系列三菱PLC控制的电子束焊机改造系统.ppt

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 n前言 n工艺流程及主要控制 n系统的结构与组成 n软件设计 n关键技术难点 n效益 n结论 设备现状 n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。 方案 n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 上位机 自动报表 PLC 1 放气 PLC 2 RS485加热 抽真空 上下料 参数的采集及控制 状态、参数的监控 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 n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 ： 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 系统的结构与组成 n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。 软件设计 n 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。 n 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。 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。 关键技术难点 n八段焊接参数控制程序的实现 l焊接参数DA输出控制算法 n可编程多段变速伺服控制系统的实现 n数据采集系统的实现 n通讯控制的实现 n系统组态控制的实现 焊接参数DA输出控制算法 n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。 焊接参数的控制曲线图 V 30r/s I1 1520mA U 75kv 转速 聚焦 高压 I 8mA 束流 0 t(s)时间 t1t2 t3t4 t5 t6 t6 t7 t8 图3 焊接参数的控制曲线图 焊接参数DA输出控制算法公式 p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 p 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 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=n+1 n=8 结束 Y Y N N 通讯控制的实现 nRS485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- 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 左上表 n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 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 123456789101112 offonoffononoffononononoffon 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： n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。 n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。 n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。 n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 d d 趋势画面趋势画面c 报警监控画面 图4 监控系统画面 效益 n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; n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