摘 要 ZD-7電子束焊機電氣部分原來采用人工開環(huán)控制，操作復雜、控制精度低且由于高壓電源紋波系數(shù)大，設(shè)備故障頻繁所以該電子束焊機電氣部分亟待改造；改造采用PLC和HMI人機界面操作屏組成的新型控制系統(tǒng)，高壓電源部分為高頻逆變電源，其余輔助電源部分也改為電子電路。
關(guān) 鍵 詞 PLC HMI MPI 電子電路板 高頻逆變電源

一． 引言
電子束焊接是一種特殊焊接工藝，從當初的試驗室應用發(fā)展到應用于工業(yè)電源走過了50年的發(fā)展歷程。電子束焊接的主要工作原理是在真空狀態(tài)下利用高壓靜電場把熱陰極發(fā)射的電子會聚成電子束經(jīng)電磁聚焦成一能量密度極高的小斑點（一般達105～8W/cm2），轟擊被焊工件，使焊縫兩側(cè)的金屬迅速熔化，實現(xiàn)焊接目的的一種工藝技術(shù)。它具有不用焊條、焊縫深而窄、熱影響區(qū)小、焊速高的特點，因而焊縫純凈，深寬比大，焊接熱變形量小，表面光滑亮澤，內(nèi)部晶相排列緊密。特別是對于諸如鎢、鈮、鉭等用普通焊接方式難以進行焊接的難熔金屬材料以及不同熔點（例如銅與鎢等）、不同厚度的工件，“電子束焊”是十分理想的焊接方法。
應用范圍：廣泛應用于航天、航空、核能、兵器和儀表、汽車、電工機械等行業(yè)，例如人造衛(wèi)星部件、鈦合金、鋯板等材料結(jié)構(gòu)件、組合件和彈性部件、膜盒、齒輪組件、汽車半軸、電工觸頭、雙金屬鋸帶和雙金屬材料等?；竟に嚾鐖D1所示












二． 系統(tǒng)概況和改造方案
某冶金研究所的“ZD-7”電子束焊機是北京電子組件十二廠1975年專門為該所設(shè)計生產(chǎn)的特殊焊接設(shè)備，它主要由高壓電源、真空系統(tǒng)，焊接輔助控制系統(tǒng)三大部分組成。限于當時電力電子器件，技術(shù)條件等方面的制約，該設(shè)備自投入使用三十年以來電氣部分始終存著控制精度差、故障率高，高壓紋波大的缺點，從而導致生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成品率低，無法保證正常生產(chǎn)。經(jīng)過反復研究該冶金研究所決定對這臺電子束焊機的電氣部分進行改造，我有幸成為了這個項目的設(shè)計負責人。根據(jù)技術(shù)要求提出如下方案：
1. 將原來的接觸器。繼電器式的電磁控制系統(tǒng)改為由PLC和HMI人機界面操作屏組成的新型控制系統(tǒng)，這樣通過清晰美觀的組態(tài)畫面進行操作既提高了操作的自動化程度和直觀性，又提高了焊接的控制精度。
2. 將原有的手動閥門全部變?yōu)殡姶砰y以實現(xiàn)真空系統(tǒng)的自動抽真空過程。
3. 該電子束焊機的聚焦、偏轉(zhuǎn)及焊件進給的公、自轉(zhuǎn)部分原來采用圓盤式陶瓷電阻開環(huán)調(diào)節(jié)，精度低、占用空間大，操作不方便；現(xiàn)用電子板配合PLC模擬量的反饋可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，精度高、占用空間小，操作靈活方便。
4. 電子束焊機的燈絲加熱電源采用單相調(diào)壓調(diào)節(jié)陰極燈絲加熱電流。連接燈絲變壓器副邊繞組的陰極鎢絲冷態(tài)直流電阻值只有0.5~1Ω，所以當調(diào)節(jié)燈絲變壓器原邊繞組電壓時(間接調(diào)節(jié)陰極燈絲加熱電流)，由于燈絲變壓器副邊繞組極低的阻抗值造成原邊激磁電流會在很窄的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)變化很大(直接影響毫安級的電子束流)。因此燈絲加熱電源的控制同樣需要閉環(huán)控制以提高其控制精度和擴大調(diào)節(jié)范圍。
5. 其“核心”部分—高壓電源采用三相調(diào)壓器人工開環(huán)調(diào)壓，經(jīng)三相升壓變壓器升壓，二極管整流供電的方式，這種原始的控制和調(diào)節(jié)僅滿足于試驗研究和要求不高的應用場合。體積大、效率低、操作復雜和可靠性差是該電源的主要缺點。參照國內(nèi)外電子束焊機成形產(chǎn)品及相關(guān)資料，決定將原工頻高壓電源改為高頻高壓電源。

三． 改造實施及現(xiàn)場調(diào)試
1． PLC和HMI
本機選用的PLC為西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列可編程邏輯控制器 ， 由它 實 現(xiàn) 對設(shè) 備 的 各種邏輯控制。CPU單元 為315-2DP，配有64K閃存卡以存貯用戶程序。 通過 PLC的邏輯運算模擬量輸出來控制高壓 、束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)、焊件公/自轉(zhuǎn)的 給 定 ；通過 PLC的邏輯運算模擬量輸入來 顯示高 壓 電壓值，束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)電流值，焊件公自轉(zhuǎn)的 速度；通過PLC的開關(guān)量輸入顯示返回狀態(tài)并且實現(xiàn)電氣聯(lián)鎖；通過PLC的關(guān)量輸出驅(qū)動所有外圍設(shè)備啟動或停止；315-2DP功能較強，內(nèi)部集成了許多SFC(系統(tǒng)功能)，可以對高壓、束流進行斜坡函數(shù)軟啟動、PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，另外模擬量模板的分辨率是12位足以滿足控制精度。HMI同樣選用西門子OP270操作面板，與S7-300的通訊方式為MPI。高壓 、束 流 、聚焦、偏轉(zhuǎn)、焊件公/自轉(zhuǎn)的給定和控制均可以在HMI操作，同時在上面讀出相應的值和狀態(tài)。HMI為10 英寸液晶屏，外形輕薄，可直接嵌入安裝在控制柜門上節(jié)省了大量空間。HMI自帶Win95操作系統(tǒng)，加上所作的工藝畫面完全實現(xiàn)了人機界面，操作起來方便簡單。整個PLC和HMI 系統(tǒng)配置如圖2 所示：





根據(jù)控制和工藝要求PLC程序框圖如圖3所示：



2． 聚焦偏轉(zhuǎn)及焊件公自轉(zhuǎn)
1) 電子束的聚焦、偏轉(zhuǎn)線圈固定在電子槍內(nèi)部，聚束極下方(電位接近陽極電位)，對電子束起到電磁聚焦和電磁偏轉(zhuǎn)的作用，如果不穩(wěn)定或脈動較大將直接影響電子束的能量，即焊件的焊接質(zhì)量。所以要求輸出的聚焦、偏轉(zhuǎn)電壓波形平直，調(diào)節(jié)起來平穩(wěn)。對聚焦、偏轉(zhuǎn)毫安級的電源來講只要輸出有足夠大的濾波電容，采用合適的濾波形式(本設(shè)備為Π形濾波)可使UO=1.2~1.3U2完全滿足要求。另外在電路上采用比例積分放大器，電壓輸出采用大功率三極管輸出以(電流放大，β=40)，完全實現(xiàn)輸出電壓平滑可調(diào)。偏轉(zhuǎn)線圈電壓為正、負雙向連續(xù)可調(diào)。
2) 保留原設(shè)備的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)機械聯(lián)鎖，手動切換。公轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）電機是直流伺服電機，原設(shè)備的控制采用單相調(diào)壓器調(diào)壓，體積大，調(diào)節(jié)范圍窄，速度不平穩(wěn)。同樣采用電子電路控制，通過霍爾變送器將速度值（電樞電壓）送到PLC模擬量模板，經(jīng)PLC程序規(guī)格化后由PLC模擬量輸出模板再送回該電路板上的PI調(diào)節(jié)器形成閉環(huán)控制，增大了調(diào)節(jié)范圍，穩(wěn)定了轉(zhuǎn)速。電樞電壓的輸出采用大功率三極管兩極放大輸出構(gòu)成的“H”橋，可以保證直流伺服電機正、負方向運行和電路板承受足夠的過載能力。
3) 聚焦偏轉(zhuǎn)及焊件公自轉(zhuǎn)既可以在HMI上預置也可以在操作盒上用電位計調(diào)節(jié)，方便實用。
3． 燈絲加熱電流(束流控制)
如前所述，束流的控制依賴調(diào)節(jié)燈絲加熱電流。在熱狀態(tài)下陰極鎢絲產(chǎn)生大量的活躍電子，連續(xù)不斷的活躍電子在靜電場力的作用下形成電流，電流的大小取決于活躍電子的多少，而活躍電子的多少又取決于燈絲加熱電流，即燈絲變壓器原邊電壓的大小。原設(shè)備同樣采用單相調(diào)壓器調(diào)壓，同樣存在體積大，調(diào)節(jié)范圍窄的缺點，要達到理想的控制要求必須改變控制方式。設(shè)計采用可控硅反并聯(lián)(盡量不要采用雙相可控硅)，控制板采用恒流的控制方式，將束流電流（不是加熱流壓）經(jīng)霍爾變送器(經(jīng)PLC程序規(guī)格化)反饋到控制板的PI調(diào)節(jié)器，只要焊接束流有變化，系統(tǒng)立即跟蹤穩(wěn)定束流。束流控制與高頻高壓電源恒壓功能配合兼作內(nèi)環(huán)，更起到穩(wěn)定焊按電流的效果。該調(diào)壓控制板具有故障(過流、過載、欠壓等)保護功能。原理如圖4 所示：


4． 高壓電源
高壓偏置電源(簡稱高壓電源)是整個電子束焊機的心臟，它具有形成強電場和靜電聚焦的雙重任務，是評判一個電子束焊機性能的決定性指標，可以說改造電子束焊機就是改造高壓電源。經(jīng)過查找相關(guān)資料得知，不考慮其它因素原三相整流高壓電源輸出電壓的紋波系數(shù)大于1%，只適合焊接一些粗放型工藝要求不高的產(chǎn)品，無法適應精密器件的焊接。隨著電力電子器(如IGBT)的發(fā)展，高頻高壓電源無疑成為高壓偏置電源的首選。新高壓電源紋波系數(shù)小于1%，電壓負載率+－1%。
電主電路系統(tǒng)(如下圖5)：


圖5
1) EMC濾波電路
開關(guān)電源工作時會產(chǎn)生傳導噪聲返回到市電網(wǎng)絡(luò)，影響電源控制電路的正常工作，并對其它的電器設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此必須加以克服。本電源采用EMC濾波電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。
2) 可控整流電路
可控整流電路由集成一體化可控整流模塊組成，電感和電容組成濾波電路以獲得較為平穩(wěn)的直流電壓，兩個高精密電阻組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩(wěn)定
3) IGBT逆變電路
逆變電路由電容、IGBT、高壓變壓器、保護元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號為1MBH600-100。經(jīng) IGBT逆變后的方波電壓經(jīng)高壓變壓器升壓到35kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數(shù)較多，在高頻時，寄生電容和自感會影響電源的輸出特性，因此須對線圈采取靜電屏蔽。阻容吸收組成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。
4) 高壓整流電路
高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護電阻及取樣電路組成。由于經(jīng)高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及較好的高頻性能，對電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源內(nèi)部過電壓的限流電阻和保護電阻，均采用具有熱性能穩(wěn)定、自感小、通流容量大，具有較強的耐受過電壓、電流沖擊能力的大功率電阻。取樣電路中的高壓取樣信號由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩(wěn)定。電子束流取樣亦通過精密無感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號進入控制電路。
控制電路
控制電路如圖6所示。