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1、基于基于A A系列三菱系列三菱PLCPLC控制的电子束控制的电子束焊机改造系统焊机改造系统中核建中核燃料元件有限公司中核建中核燃料元件有限公司中核建中核燃料元件有限公司中核建中核燃料元件有限公司 庞建新庞建新庞建新庞建新目录目录n n前言前言 n n工艺流程及主要控制工艺流程及主要控制n n系统的结构与组成系统的结构与组成 n n软件设计软件设计 n n关键技术难点关键技术难点n n效益效益 n n结论结论 设备现状设备现状设备现状设备现状n 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，准备用于恢复了
2、原有功能，准备用于VVERVVER生产线，但要用于生产线，但要用于VVERVVER燃料棒和导燃料棒和导向管生产还存在以下问题向管生产还存在以下问题: : 1 1）现有焊接程序不能直接应用在）现有焊接程序不能直接应用在VVERVVER核然料棒和导向管的焊接。核然料棒和导向管的焊接。2 2）程序没有掉电保持功能和手）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。自动自由切换功能，造成操作不灵活。3 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。）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 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，
3、故障点）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。多。5 5）设备故障诊断和保护功能不够。）设备故障诊断和保护功能不够。6 6）设备已进入故障率高峰期，故障率高，加大了生产风险。）设备已进入故障率高峰期，故障率高，加大了生产风险。7 7）设备备品备件选择渠道窄，造成价格过高，维修成本高。）设备备品备件选择渠道窄，造成价格过高，维修成本高。8 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）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。改造。 方案方案方案方案n 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，针对上述问题
4、，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：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 2RS485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工艺流程及主要过程控制工艺流程及主要过程控制工艺流程及主要过程控制 n n电子束焊机自动控制系统中，现场电子束焊机自动控制系统中，现场PLCPLC控制站需要控制的类型主要有控制站需要控制的类型主要有三种：三种： 一种是顺序逻辑控制一种是顺序逻辑控制, ,第二种是模拟量控制第二种是模拟量控制, ,第三种是伺服控制。第三种是伺服控制。系统主要的过
5、程控制包括上下料控制、真空控制、焊接过程控制、焊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、通讯控制接参数控制与采集、通讯控制. .设备的工艺过程简图如图设备的工艺过程简图如图2 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系统的结构与组成系统的结构与组成系统的结构与组成 n n如图如图1 1系统原理框图所示，本控制系统由主控计算机单元系统原理框图所示，本控制系统由主控计算机单元( (一体化工作一体化工作站站) )、三菱、三菱PLCPLC单元、伺服系统单
6、元、阀门控制单元、真空计单元、位单元、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。构成。1#PLC1#PLC主要功能是进行抽真空、加热、上下料、公转、自传、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。进退棒、压轮等工艺过程控制。 2#PLC2#PLC主要功能是取代焊接参数控制仪通过主要功能是取代焊接参数控制仪通过ADAD和和DADA模块实现时间、模块实现时间、束流、转速、聚焦等焊接参数控制与采集。通过束流、转速、聚焦等焊接参数控制与采集。通
7、过ADAM3016ADAM3016对束流、对束流、聚焦、高压采样信号放大后，经聚焦、高压采样信号放大后，经A/DA/D采集模块处理后，可显示实时值采集模块处理后，可显示实时值及趋势曲线。利用计算机的及趋势曲线。利用计算机的RS-232RS-232接口与通信总线转换器接口与通信总线转换器FX-485PC-FX-485PC-IFIF和和PLC1PLC1、PLC2PLC2的通信模块的通信模块A1SJ7lUC24-R4A1SJ7lUC24-R4，按照特定的连线方式构，按照特定的连线方式构成成RS485RS485总线通信网络结构单元，完成计算机与总线通信网络结构单元，完成计算机与PLC1PLC1、PLC
8、2PLC2的数据通的数据通信，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。参数设定及显示画面的组态。软件设计软件设计 n n PLCPLC编程软件编程软件 本系统采用三菱公司提供的本系统采用三菱公司提供的GX Developer 7.08J PLCGX Developer 7.08J PLC编程软件。其运编程软件。其运行环境为行环境为Win NT/Win 2000/Win XP,Win NT/Win 2000/Win XP,具有相当友好的界面，具有相当友好的界面，PLCPLC程序程序主要完成对设备
9、的自动控制，数据采集与处理，本系统软件结构采用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模块式编程方法, , 新颖的焊接参数算法新颖的焊接参数算法, , 从而提高了各种焊接工艺参数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。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 n 上位机监控软件上位机监控软件 本系统采用组态王本系统采用组态王 6 65 5作为监控软件开发平台，是一种面向对象
10、的作为监控软件开发平台，是一种面向对象的开发软件，其基于开发软件，其基于Win 2000/Win XPWin 2000/Win XP平台设计，组态王中命令语言是平台设计，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。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
11、、事件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。组态王支持语言和画面命令语言等。组态王支持WindowsWindows标准的标准的Active XActive X控件，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
12、参数实时显示、设备故障诊断、各种焊方等画面组成，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。接工艺参数自动调节和状态实时查询等功能。关键技术难点关键技术难点 n n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 n n通讯控制的实现 n n系统组态控制的实现 焊接参数焊接参数DADA输出控制算法输出控制算法n 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
13、数的控制曲线图V30r/sI11520mAU 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焊接参数DADA输出控制算法公式输出控制算法公式pp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, ,故高故高压、转速、聚焦在压、转速、聚焦在T1T1至至T8T8时间段的控制算式如式时间段的控制算式如式: : f(xnf(xn)=)=kxnkxn1+1/10tn(xn- 1+1/10tn(xn- xnxn1) - 1) - 式式中中xnxn: n:
14、n段参数的设定植段参数的设定植 xnxn1: 1: 参数当前值参数当前值 n: n=18 n: n=18 tntn: n: n段时间的设定植段时间的设定植 f(xnf(xn) )：参数控制电压对应的数字量：参数控制电压对应的数字量 K K：线性常数：线性常数pp 而束流的控制电压和工程量值是非线性关系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。控制算式如式制算式如式： f(inf(in)=)=kNinkNin1+1/10tn(in- in
15、1+1/10tn(in- in1) - 1) - 式式中中in: nin: n段的设定植段的设定植 inin1: 1: 参数当前值参数当前值 NN：束流范围段数（越大：束流范围段数（越大越接近）越接近） n: n=18 n: n=18 tntn: n: n段时间的设定植段时间的设定植 f(inf(in) )：参数控制电压对应的数字量：参数控制电压对应的数字量 KNKN：第：第NN范围段修正常数范围段修正常数焊接参数焊接参数DADA输出控制算法程序流程图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YYNN通讯控制的实现通讯控制的实
16、现 n nRS485RS485总线串口通信网络结构使用方便总线串口通信网络结构使用方便快捷。快捷。如图如图5 5只须利用计算机的只须利用计算机的RS-232RS-232接口与接口与RS232/RS485RS232/RS485转换器转换器FX-485PC-FX-485PC-IFIF和和PLCPLC的通信模块，按照手册上的连的通信模块，按照手册上的连线方式构成线方式构成RS485RS485总线通信网络结构单总线通信网络结构单元，在通讯模块元，在通讯模块A1SJ71UC24-R4A1SJ71UC24-R4面板的面板的通道设置针上选择该通道设置针上选择该PLCPLC系统的通道号，系统的通道号，在上位计
17、算机的组态软件硬件初始化中在上位计算机的组态软件硬件初始化中设置相应设置相应PLCPLC通道号，在完成通讯模块通道号，在完成通讯模块A1SJ71UC24-R4A1SJ71UC24-R4面板上波特率切换设置面板上波特率切换设置针的选择后即可完成计算机与针的选择后即可完成计算机与PLCPLC的数的数据通信。具体通信参数设置如左上表据通信。具体通信参数设置如左上表n n计算机通信组件计算机通信组件A1SJ71UC24-R4A1SJ71UC24-R4上的通上的通讯参数设置如下讯参数设置如下: :1 1）将）将MODEMODE拨盘指向拨盘指向8 8的位置的位置, ,本协议只支本协议只支持通信协议的模式持
18、通信协议的模式4 42 2）将开关（）将开关（SW1SW1）按如左下表设置）按如左下表设置3 3）2 2台台PLCPLC的的STATION NO(STATION NO(站号站号) )分别设为分别设为00CH00CH和和01CH01CH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 123456789101112offonoffononoffononononoffon系统组态控制的实现系统组态控制的实现系统组态控制的实现系统组态控制的实现 监控画面如图监控画面如图4 4所示，采用组态王所示，采用组态王 6 65 5作为监控
19、软件开发平台，作为监控软件开发平台，可以方便的实现以下功能：可以方便的实现以下功能：n 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，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。能，从而参数的设定更简便。n 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、以报表形式显示外，还可以曲线
20、形式显示。组态王的曲线有趋势曲线、温控曲线和温控曲线和X-YX-Y曲线。曲线。n 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，
21、用户可以从人机界面提供的本文件、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。报警窗中查看报警和事件信息。n 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方进行选择，修改，创建和删除等一系
22、列操作。本系统用于不同焊接参数组的修改、调用、下传。参数组的修改、调用、下传。监控画面监控画面监控画面监控画面 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 监控系统画面效益效益效益效益 n 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 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，维护成本高的历史;n n同时提升了相关技术和维修人员的人才队伍建设;结论结论 n n 改造后的新系统不仅满足了改造后的新系统不仅满足了VVERVVER工艺要求并且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实时查询等功能, ,大力提升工艺自动调节性、装备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。修人员的人才队伍建设。 谢谢！图图5 5 系统通讯网络示意图系统通讯网络示意图
