西门子6ES7334-0KE00-0AB0功能介绍

一． 引言
电子束焊接是一种特殊焊接工艺，从当初的试验室应用发展到应用于工业电源走过了50年的发展历程。电子束焊接的主要工作原理是在真空状态下利用高压静电场把热阴极发射的电子会聚成电子束经电磁聚焦成一能量密度极高的小斑点（一般达105～8W/cm2），轰击被焊工件，使焊缝两侧的金属迅速熔化，实现焊接目的的一种工艺技术。它具有不用焊条、焊缝深而窄、热影响区小、焊速高的特点，因而焊缝纯净，深宽比大，焊接热变形量小，表面光滑亮泽，内部晶相排列紧密。特别是对于诸如钨、铌、钽等用普通焊接方式难以进行焊接的难熔金属材料以及不同熔点（例如铜与钨等）、不同厚度的工件，“电子束焊”是十分理想的焊接方法。
应用范围：广泛应用于航天、航空、核能、兵器和仪表、汽车、电工机械等行业，例如人造卫星部件、钛合金、锆板等材料结构件、组合件和弹性部件、膜盒、齿轮组件、汽车半轴、电工触头、双金属锯带和双金属材料等。二． 系统概况和改造方案
某冶金研究所的“ZD-7”电子束焊机是北京电子组件十二厂1975年专门为该所设计生产的特殊焊接设备，它主要由高压电源、真空系统，焊接辅助控制系统三大部分组成。限于当时电力电子器件，技术条件等方面的制约，该设备自投入使用三十年以来电气部分始终存着控制精度差、故障率高，高压纹波大的缺点，从而导致生产效率和产品成品率低，无法保证正常生产。经过反复研究该冶金研究所决定对这台电子束焊机的电气部分进行改造，我有幸成为了这个项目的设计负责人。根据技术要求提出如下方案：
1. 将原来的接触器。继电器式的电磁控制系统改为由PLC和HMI人机界面操作屏组成的新型控制系统，这样通过清晰美观的组态画面进行操作既提高了操作的自动化程度和直观性，又提高了焊接的控制精度。
2. 将原有的手动阀门全部变为电磁阀以实现真空系统的自动抽真空过程。
3. 该电子束焊机的聚焦、偏转及焊件进给的公、自转部分原来采用圆盘式陶瓷电阻开环调节，精度低、占用空间大，操作不方便；现用电子板配合PLC模拟量的反馈可以实现闭环控制，精度高、占用空间小，操作灵活方便。
4. 电子束焊机的灯丝加热电源采用单相调压调节阴极灯丝加热电流。连接灯丝变压器副边绕组的阴极钨丝冷态直流电阻值只有0.5~1Ω，所以当调节灯丝变压器原边绕组电压时(间接调节阴极灯丝加热电流)，由于灯丝变压器副边绕组极低的阻抗值造成原边激磁电流会在很窄的调节范围内变化很大(直接影响毫安级的电子束流)。因此灯丝加热电源的控制同样需要闭环控制以提高其控制精度和扩大调节范围。
5. 其“核心”部分—高压电源采用三相调压器人工开环调压，经三相升压变压器升压，二极管整流供电的方式，这种原始的控制和调节仅满足于试验研究和要求不高的应用场合。体积大、效率低、操作复杂和可靠性差是该电源的主要缺点。参照国内外电子束焊机成形产品及相关资料，决定将原工频高压电源改为高频高压电源。
三． 改造实施及现场调试
1． PLC和HMI
本机选用的PLC为西门子公司生产的S7-300系列可编程逻辑控制器 ， 由它 实 现 对设 备 的 各种逻辑控制。CPU单元 为315-2DP，配有64K闪存卡以存贮用户程序。 通过 PLC的逻辑运算模拟量输出来控制高压 、束 流 、聚焦、偏转、焊件公/自转的 给 定 ；通过 PLC的逻辑运算模拟量输入来 显示高 压 电压值，束 流 、聚焦、偏转电流值，焊件公自转的 速度；通过PLC的开关量输入显示返回状态并且实现电气联锁；通过PLC的关量输出驱动所有外围设备启动或停止；315-2DP功能较强，内部集成了许多SFC(系统功能)，可以对高压、束流进行斜坡函数软启动、PID调节，实现动态调节，另外模拟量模板的分辨率是12位足以满足控制精度。HMI同样选用西门子OP270操作面板，与S7-300的通讯方式为MPI。高压 、束 流 、聚焦、偏转、焊件公/自转的给定和控制均可以在HMI操作，同时在上面读出相应的值和状态。HMI为10 英寸液晶屏，外形轻薄，可直接嵌入安装在控制柜门上节省了大量空间。HMI自带Win95操作系统，加上所作的工艺画面完全实现了人机界面，操作起来方便简单。整个PLC和HMI 系统配置如图2 所示：

根据控制和工艺要求PLC程序框图如图3所示：

2． 聚焦偏转及焊件公自转
1) 电子束的聚焦、偏转线圈固定在电子枪内部，聚束极下方(电位接近阳极电位)，对电子束起到电磁聚焦和电磁偏转的作用，如果不稳定或脉动较大将直接影响电子束的能量，即焊件的焊接质量。所以要求输出的聚焦、偏转电压波形平直，调节起来平稳。对聚焦、偏转毫安级的电源来讲只要输出有足够大的滤波电容，采用合适的滤波形式(本设备为Π形滤波)可使UO=1.2~1.3U2完全满足要求。另外在电路上采用比例积分放大器，电压输出采用大功率三极管输出以(电流放大，β=40)，完全实现输出电压平滑可调。偏转线圈电压为正、负双向连续可调。
2) 保留原设备的公转、自转机械联锁，手动切换。公转（自转）电机是直流伺服电机，原设备的控制采用单相调压器调压，体积大，调节范围窄，速度不平稳。同样采用电子电路控制，通过霍尔变送器将速度值（电枢电压）送到PLC模拟量模板，经PLC程序规格化后由PLC模拟量输出模板再送回该电路板上的PI调节器形成闭环控制，增大了调节范围，稳定了转速。电枢电压的输出采用大功率三极管两极放大输出构成的“H”桥，可以保证直流伺服电机正、负方向运行和电路板承受足够的过载能力。
3) 聚焦偏转及焊件公自转既可以在HMI上预置也可以在操作盒上用电位计调节，方便实用。
3． 灯丝加热电流(束流控制)
如前所述，束流的控制依赖调节灯丝加热电流。在热状态下阴极钨丝产生大量的活跃电子，连续不断的活跃电子在静电场力的作用下形成电流，电流的大小取决于活跃电子的多少，而活跃电子的多少又取决于灯丝加热电流，即灯丝变压器原边电压的大小。原设备同样采用单相调压器调压，同样存在体积大，调节范围窄的缺点，要达到理想的控制要求必须改变控制方式。设计采用可控硅反并联(尽量不要采用双相可控硅)，控制板采用恒流的控制方式，将束流电流（不是加热流压）经霍尔变送器(经PLC程序规格化)反馈到控制板的PI调节器，只要焊接束流有变化，系统立即跟踪稳定束流。束流控制与高频高压电源恒压功能配合兼作内环，更起到稳定焊按电流的效果。该调压控制板具有故障(过流、过载、欠压等)保护功能。原理如图4 所示：

4． 高压电源
高压偏置电源(简称高压电源)是整个电子束焊机的心脏，它具有形成强电场和静电聚焦的双重任务，是评判一个电子束焊机性能的决定性指标，可以说改造电子束焊机就是改造高压电源。经过查找相关资料得知，不考虑其它因素原三相整流高压电源输出电压的纹波系数大于1%，只适合焊接一些粗放型工艺要求不高的产品，无法适应精密器件的焊接。随着电力电子器(如IGBT)的发展，高频高压电源无疑成为高压偏置电源的。新高压电源纹波系数小于1%，电压负载率+－1%。 

结合秦皇岛百工钢铁有限公司680M3高炉电气自动化仪表控制系统的现场实际情况，重点阐述了亿维UN200和UN300系列PLC扩展模块合理应用于上料系统、热风炉系统、布袋除尘系统、高炉上料配电系统、本体仪表检测系统、鼓风机房系统、水泵站系统及画面监视、软件功能等系统中成功案例。本文将主要介绍上料PLC主站、本体PLC主站、热风PLC主站、布袋PLC主站等四套PLC系统组成设计方案。
一、系统总体设计思想
根据高炉工艺，采用合理的方式，以低成本高性能的总体思想进行设计。自动化系统采用三电一体化开放式结构，为今后系统的扩展创造条件，留有区域级计算机及全厂管理计算机的接口能力。
根据高炉系统分散的特点，采用主从网络结构：分站通过网线再连接至主站系统，减少电缆用量、方便维护，使成本大大降低。如亿维的IM153-1就可作为单个从站，可在高炉设备就近配电室安装。布袋反吹采用矩阵的方式进行设计，结构简单，采用的模块点数成倍减少。
系统采用亿维PLC作为基础控制站，完成对现场工艺设备的控制及监测；上位操作采用亿维工控机作为操作站，进行人机对话，对现场设备运行情况及各种仪表参数进行实时监视。系统在正常生产情况下以全自动为主，各上位机互为备用，在设计上充分考虑上位机自动、手动和机旁箱手动，以保证在各种情况下生产的正常运行。
自动化装置的选用原则上采用目前检测水平的新技术、新设备，同时考虑控制系统的构成简单、实用、性能可靠，充分满足工艺要求。确保产品质量并保证系统整体满足工艺要求和性能的情况下减少投资。
二、系统配置
本系统完全为高炉操作提供服务，使被控设备能在主控楼的计算机上方便的进行集中操作，并对这些设备的运行情况做如实的记录
1、自动监控系统:
1.1 采用的网络结构
上位机采用工业以太网，充分满足上位机之间数据传输量大的要求；PLC与远程站之间采用PROFIBUS-DP现场总线，以满足现场数据传输的实时性和可靠性；主要有六台工控机作为操作站，分别为热风、布袋、工长操炉、本体仪表、矿槽上料、炉顶设备组成，可互为备用。PLC有四套siemens 400系列主PLC系统组成，上料PLC主站、本体PLC主站、热风PLC主站、布袋PLC主站，下设各自的扩展模块完成系统的控制和数据采集。经PROFIBUS-DP网络与操作站之间完 成数据交换。
1.2软硬件设备组成
☆PLC选用亿维200+300组成的高性能低成本模块结构。
☆ 计算机操作台：不锈钢面操作台
☆ 编程软件选用STEP7 V5.4,组态软件选用我WINCC 6.0 SP3
三、热风炉控制系统
本高炉配有三座热风炉，主要负责燃烧、蓄热、给冷风加热，并将热风送进高炉。由于一座热风炉是间断的热交换，而高炉需要连续的热风，所以三座热风炉按周期性工作，包括燃烧、闷炉、送风三个过程。
热风炉顺控系统设有以下几种操作方式：全自动、半自动方式、CRT手动方式、机旁箱操作
热风炉工作状态介绍
一个热风炉可在“送风”向“闷炉”至“燃烧”状态，也可从“燃烧”向“闷炉”至 “ 送风”转换。
“送风”指的是热风炉被充压，且冷风阀和热风阀两者均被打开，所有其它的阀门均关闭（不包括混风切断阀和换热器各阀门）。
“燃烧”指的是热风炉被减压，冷风阀、热风阀和冷风充风阀关闭，废气均压阀打开，助燃空气和煤气引入热风炉。
“闷炉”指的是热风炉所有阀门均关闭，但压力控制仍在工作，预备着一个热风炉随时变为充压或均压状态。
热风炉工作制度：
正常情况下热风炉采用并联送风，或二烧一送工作制，非正常操作为一烧一送工作制。
每座热风炉可以在“焖炉”、“送风”、“燃烧”三种状态之间自动转换，各阀开关受PLC程序控制，发出换炉指令后，热风炉设备按工艺要求顺序进行有关联锁动作。
四、高炉煤气干式净化控制系统
高炉煤气除尘设施是高炉的配套设施，其目的是净化高炉煤气，提高煤气质量。高炉煤气经重力除尘器除尘后，进入布袋主箱体下部，煤气穿过布袋时其所携带的灰尘被布袋截留，进行过滤净化后的煤气经高压阀组输送给热风炉或煤气管网供用户使用。布袋除尘过滤后的尘灰由脉冲阀冲扫，落至储灰仓；打开卸灰阀，由刮板机输出，用斗提机送入高位灰仓。
1、本套设施共设计了三种反吹方式，时间反吹（设定时间到）、压力反吹（压差高于设定值）、手动反吹。
2、除尘系统包括反吹和卸灰两个控制流程，均能单独实现手动、半自动和自动三种控制方式：
反吹自动方式为：差压反吹、定时反吹。差压反吹即当箱体差压高于设定差压值（3KPA）时开始自动反吹；定时反吹即当计时时间达到设定的反吹时间后开始自动反吹。