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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。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：手自动控制界面上位机自动报表PLC1放气PLC2RS485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PLC编程软件本系统采用三菱公司提供的GXDeveloper7.08JPLC编程软件。其运行环境为WinNT/Win2000/WinXP,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Win2000/WinXP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ActiveX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。关键技术难点八段焊接参数控制程序的实现①焊接参数DA输出控制算法②可编程多段变速伺服控制系统的实现③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。焊接参数的控制曲线图V30r/sI11520mAU75kv转速聚焦高压I8mA束流0t(s)时间t1t2t3t4t5t6t6t7t8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—8tn: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—8tn: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+1n=8结束YYNN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-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）按如左下表设置3）2台PLC的STATIONNO(站号)分别设为00CH和01CH设置项缺省值推荐值波特率：96009600数据位长度88停止位长度11奇偶校验位偶校验偶校验123456789101112offonoffononoffononononoffon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d趋势画面c报警监控画面图4监控系统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;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！图5系统通讯网络示意图