基于嵌入式軟PLC的3A21真空釬焊過程控制系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

3A21波導零件廣泛用于制造各類天線，具有較好的可塑性和耐蝕性。但其結(jié)構(gòu)復雜，對零件的焊接要求較高，既需要確保焊接質(zhì)量，使焊縫勻?qū)崱o夾渣，根部圓角不超過0.3mm，又要控制口徑的形變大小，維持變形量在±0.02mm以內(nèi)[1,2]。實踐表明，真空釬焊是制造3A21波導零件的主要手段，且相關(guān)技術(shù)成熟，焊接過程中無需配置釬劑、無污染，焊后形變小，焊縫組織致密、一致性好。但釬焊質(zhì)量很大程度上取決于釬焊溫度、真空度等參數(shù)的控制，而焊接質(zhì)量也直接影響波導零件的電氣性能，因此，必須合理控制真空釬焊參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。

嵌入式軟PLC（Embedded Soft PLC，ESPLC）是基于IEC61131發(fā)展而來的一種開放式工業(yè)控制方案。該方案兼具傳統(tǒng)PLC控制的可靠性和嵌入式系統(tǒng)的實時性，通過多任務(wù)內(nèi)核實現(xiàn)過程狀態(tài)的在線控制[3,4]。本文結(jié)合3A21波導零件的真空釬焊工藝，利用ESPLC實開發(fā)了對釬焊溫度、真空度等參數(shù)的過程控制系統(tǒng)。

1 波導零件的真空釬焊工藝

某波導零件的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，需要焊實法蘭盤和波導管的連接處，焊縫間隙約0.6mm。其釬焊工藝為[5]：配件放入溫度80℃、濃度30%的硫酸中浸洗約10s，冷水沖洗后置于濃度30%的硝酸中浸洗10s，熱水洗凈后干燥→釬焊爐內(nèi)裝波導零件→焊縫間隙內(nèi)裝釬料→抽真空使爐內(nèi)為6.584×10-8atm，通1.32×10-4atm氬氣、4min內(nèi)加熱使爐溫升到550℃→關(guān)閉氬氣，使爐內(nèi)真空度為1.31×10-7atm→繼續(xù)升溫使釬件溫度達到610℃，停止加熱，并保溫5min→通氬氣冷卻到100℃以下，開爐取件。

圖1 某波導零件的三維結(jié)構(gòu)

2 控制方案

真空釬焊爐是3A21波導零件釬焊的主體設(shè)備，在釬焊過程中，需要按工藝要求抽真空、充氣、加熱、冷卻，如圖2所示。抽真空是一個順序控制過程，主要涉及對開關(guān)量的控制，爐門關(guān)閉后，主泵擴散閥開始預(yù)動作，旁路泵預(yù)抽真空，爐內(nèi)真空低于9.8×10-7atm，羅茨閥、擴散閥、機械閥組動作，將爐內(nèi)真空降低到約6.584×10-8atm。釬焊加熱是一個非線性、遲滯、強耦合控制過程，需要在規(guī)定時間內(nèi)控制釬焊溫度，使焊件溫度達到工藝要求，如圖2所示。

圖2 3A21波導零件真空釬焊參數(shù)控制

為確保參數(shù)控制的精度和可靠性，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方案，如圖3所示。爐內(nèi)配置真空計和熱電偶，抽真空時，以真空檢測為控制標準，順序控制開關(guān)閥組狀態(tài)；加熱時，熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，由PID控制器調(diào)節(jié)直流激勵。

圖3 控制方案

3 ESPLC系統(tǒng)設(shè)計

3.1 ESPLC框架結(jié)構(gòu)

ESPLC框架結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)[6]。開發(fā)系統(tǒng)基于PC環(huán)境和IEC61131-3編輯規(guī)則，通過CoDEsys編輯PLC梯形圖，編譯生成控制代碼；運行環(huán)境基于嵌入式ARM控制器和VxWorks操作系統(tǒng)，識別編譯下載的控制代碼，VxWorks執(zhí)行相關(guān)指令，由ARM控制器發(fā)出控制信號，驅(qū)動各類開關(guān)閥組、磁性調(diào)壓設(shè)備，確保爐內(nèi)達到理想的釬焊環(huán)境。

對于釬焊爐的ESPLC，一是需要配置ARM控制器及VxWorks操作系統(tǒng)，便于寫入嵌入式PLC指令，并按3A21波導零件的焊接工藝控制釬焊參數(shù)；二是在ARM控制器和釬焊爐間配置CAN總線通信，利用CAN通信控制真空閥組等I/O。

圖4 ESPLC框架

3.2 ESPLC硬件設(shè)計

依據(jù)ESPLC框架，硬件部分要實現(xiàn)對真空釬焊爐的過程控制，開發(fā)硬件為裝有CoDEsys軟件的PC機，控制硬件為ARM控制器和真空釬焊爐電控系統(tǒng)。如圖5所示，嵌入式系統(tǒng)配置外部輸入（觸摸屏、LED按鍵）、通信接口（USB、CAN、UART）和內(nèi)部存儲（SRAM、Nor Flash）。

圖5 嵌入式模塊

ARM控制器為適于工業(yè)控制的32位ARM7內(nèi)核和增強型I/O的STR730FZ，具有豐富的外設(shè)資源，含有112個多功能雙向I/O、4個4通道DMA、10個16位定時器，為釬焊過程控制提供良好的外設(shè)選擇。片上通信接口豐富，帶有2個IIC口、3個SPI、4個UART和3個CAN接口，可實現(xiàn)釬焊設(shè)備與嵌入式ARM的CAN總線通信。控制器包含16個ADC10模塊，其轉(zhuǎn)換效率高，便于采集、轉(zhuǎn)換釬焊過程的溫度、真空度。該控制器內(nèi)置多個快速中斷，64個可屏蔽IRQ、16個外部中斷，片上具有高速的存儲器，集成高速單電壓256K Flash和片內(nèi)高速16K RAM。該控制芯片采用5V電源供電，包含SLOW、LPWAIT、WAIT、STOP和HALT 5種節(jié)電模式，通過6MHz晶振產(chǎn)生振蕩時鐘，由內(nèi)部RC驅(qū)動喚醒STOP模式，以適于不同批量波導零件釬焊的過程控制。

外部輸入采用觸摸屏和LED按鍵，觸摸屏配置LCD變換器，按鍵由GPIO總線與ARM控制器連接。CAN模塊采用GAL16V8控制器，銅鼓CAN總線控制釬焊爐I/O；ARM端并入MAX3232電平轉(zhuǎn)換，與PC進行串口通信，便于實現(xiàn)PLC程序的下載。

3.3 ESPLC軟件設(shè)計與功能實現(xiàn)

1）ESPLC軟件設(shè)計

ESPLC軟件由應(yīng)用層、系統(tǒng)層和設(shè)備層組成[7]。應(yīng)用層基于VxWorks操作系統(tǒng)，服務(wù)釬焊過程監(jiān)控，主要按工藝設(shè)定釬焊真空度和溫度等參數(shù)，實時采集、顯示釬焊數(shù)據(jù)。系統(tǒng)層為嵌入式ARM控制器，響應(yīng)VxWorks操作指令，使真空釬焊爐的控制過程滿足3A21波導零件的釬焊需求。設(shè)備層主要是真空釬焊爐的電控閥門、I/O模塊等。

2）3A21波導零件釬焊控制

上電后，ARM控制器通過CAN-BUS檢測各I/O狀態(tài)，HMI輸入釬焊工藝所需的真空度和溫度，系統(tǒng)自動運行，監(jiān)測過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對波導零件釬焊過程的智能控制，如圖7所示。

圖6 ESPLC軟件結(jié)構(gòu)

圖7 3A21波導零件釬焊控制流程

4 結(jié)論

真空釬焊是一個復雜的非線性、多變量、強耦合的控制過程，鑒于3A21波導零件對焊接質(zhì)量的高標準要求，采用兼具PLC可靠性、嵌入式實時性等特征，設(shè)計基于嵌入式軟PLC的控制系統(tǒng)。在PC端，利用CoDEsys開發(fā)、編譯PLC程序；釬焊爐控制端，配置ARM控制器和VxWorks操作系統(tǒng)，通過VxWorks系統(tǒng)處理編譯的PLC程序，由ARM控制釬焊爐過程參數(shù)，實現(xiàn)了波導零件制造的智能控制。

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