PLC 在中頻無芯感應(yīng)電爐中的應(yīng)用

孫 濤

（銅陵有色股份銅冠黃銅棒材有限公司 安徽 銅陵 244000）

0 引言

中頻無芯感應(yīng)電爐是一種節(jié)能，高效率的熔化爐。 按照工藝要求分為無芯爐溫度控制、檢測(cè)，液壓系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水等系統(tǒng)的控制。 整個(gè)控制系統(tǒng)要求自動(dòng)化程度高、可靠性高。 涉及到大量的傳感器、電磁閥、電機(jī)按照程序要求和邏輯關(guān)系的開停操作。 以及根據(jù)工藝要求對(duì)溫度、壓力、流量的控制。 選用西門子公司的S7-400 PLC 為主控制系統(tǒng)。 既可以實(shí)現(xiàn)在線的組態(tài)編程和下載， 又可以用于在線監(jiān)控的運(yùn)行狀態(tài)， 形成具有現(xiàn)場(chǎng)控制層和協(xié)調(diào)控制層的分散式控制系統(tǒng)。

1 無芯感應(yīng)電爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 無芯感應(yīng)電爐的結(jié)構(gòu)

無芯爐使用中頻電源。 爐子的水平截面可以看出其結(jié)構(gòu)：可移動(dòng)式的干燥陶瓷、水泥結(jié)構(gòu)、絕緣層、線圈和扼流圈。垂直截面的結(jié)構(gòu)有：水泥結(jié)構(gòu)、可移動(dòng)式的干燥陶瓷、熔化金屬和爐子頂部的排煙罩。

爐子頂?shù)呐艧熣郑?限位開關(guān)給出的信號(hào)用于調(diào)節(jié)排煙閥，外加排煙系統(tǒng)。

1.2 工作原理及特點(diǎn)

爐子內(nèi)的殘留熔體可以確保爐子最小容量時(shí)對(duì)碎屑的最佳處理。 殘留熔體看上去體積較大，要考慮到陰極銅和廢料包要盡量浸入熔液中。 只有在這種情況下，才可達(dá)到最佳的熱效率。 在長(zhǎng)時(shí)間操作的情況下，爐子可完全被清空，完全切斷能源。

由于采用雙汽缸，爐子的傾角可達(dá)95°。由液壓缸自身的供能，液壓能源包位于爐子附近。 液壓驅(qū)動(dòng)可傾系統(tǒng)要防止碎裂的管道和軟管。 電能不足的情況下，可以使用應(yīng)急電源。所有的液壓部件可手動(dòng)操作。

溫度測(cè)量設(shè)備（手動(dòng)）給出正確的溫度。 在保溫和過熱情況下，與稱重系統(tǒng)一起自動(dòng)控制能量供應(yīng)。

爐子排煙罩上部有碎屑加料系統(tǒng)。 通過懸垂直的按鈕啟動(dòng)（手動(dòng)操作）。 在此操作中，爐子一直處于低功率狀態(tài)。隨著加料的增多，功率逐漸加大。 即使是冷啟動(dòng)時(shí)，改變合金，爐子內(nèi)部也沒有殘留熔體。 在這種情況下，一旦給爐子加料就啟動(dòng)能源，而且隨著加料的增多而加大。 使用殘留熔體，可以提高效率，減少能耗。 使用中頻變頻器和感應(yīng)器的線圈產(chǎn)生的功率使原料熔化到一定溫度。 達(dá)到熔化溫度后，可以將熔液從爐中倒進(jìn)預(yù)加熱的流槽內(nèi)。 所需能耗通過處理器來計(jì)算，計(jì)算的依據(jù)是料重。 料重由爐子底部的稱重系統(tǒng)提供。

所需的電能由變壓器、中頻IGBT－變頻器、電容器導(dǎo)軌包括電氣控制設(shè)備產(chǎn)生。 通過水冷電纜供應(yīng)給爐子。

開關(guān)帶有西門子的SPS。 所有加熱和上料的控制部件都是布好線、經(jīng)過測(cè)試的。 位于爐子附近的控制臺(tái)帶有西門子的PLC，用于提供操作時(shí)的信息和可視化系統(tǒng)（JOKS）。

2 系統(tǒng)硬件的配置

該系統(tǒng)選用西門子公司的SIMATIC S7PLC-400，帶有一個(gè)擴(kuò)展模塊。 PLC 由UR2 底板、PS405 4A 電源摸板、CPU4142-2 和CP 4431-1 工業(yè)以太網(wǎng)通訊摸板組成。 遠(yuǎn)程站選用的是SIMATIC ET200M16 套，搭載一定數(shù)量的DI、DO 摸板，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制。

3 軟件組成

PLC 編程采用的是西門子公司的STEP7 編程軟件，它是用于SIMATIC S7-400 PLC 和基于PC 控制產(chǎn)品的組態(tài)、編程和維護(hù)的項(xiàng)目管理工具。 通過STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫、調(diào)試；在線診斷PLC 的硬件狀態(tài)；控制PLC和I/O 通道的狀態(tài)等。

HMI 組態(tài)軟件采用的是西門子公司的WINCCV5。 保證了與S7-400 PLC 的完全兼容。WINCC 是基于32 位操作系統(tǒng)WINDOWS95/98 或WINDOWSNT 的面向?qū)ο蟮?2 位應(yīng)用軟件，它提供了基于全面開放式接口的解決方案，具有標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口， 通過標(biāo)準(zhǔn)接口ODBC 和SQL 能訪問WINCC所集成的過程數(shù)據(jù)。 總之，該軟件接口開放、功能強(qiáng)大，圖庫(kù)豐富，能方便地進(jìn)行生產(chǎn)過程的監(jiān)視控制，并提供事件處理，報(bào)警登錄和歷史記載等多種手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4 中頻無芯感應(yīng)電爐的控制系統(tǒng)

作為對(duì)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視的核心－PLC, 從系統(tǒng)的可靠性、平穩(wěn)性。 性價(jià)比等方面綜合考慮采用西門子S7-400 系列的產(chǎn)品。

西門子公司的400 系列PLC 具有先進(jìn)的編程的特性、易于組態(tài)、體積小、便于安裝、成本低、性能高等特點(diǎn)。 能方便的用于繼電器和接觸器控制到復(fù)雜的中型自動(dòng)化控制系統(tǒng)的場(chǎng)合。 它的CPU 具有強(qiáng)大的功能，如結(jié)構(gòu)化編程，中斷控制、間接尋址實(shí)時(shí)鐘、IEC 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及測(cè)試功能模塊， 能完成復(fù)雜的各種操作。

CPU 模塊內(nèi)置的兩個(gè)通信接口， 通信接口可以作MPL和DP 站，有光隔離。 作MPL 接口時(shí)，可以與編程器和OP 通信，可以做路由器。 S7 標(biāo)準(zhǔn)通信每個(gè)作業(yè)的用戶數(shù)據(jù)最大為64KB，S5 兼容通信每個(gè)作業(yè)的用戶數(shù)據(jù)最大為8KB， 通過CP 和可裝載的FC 可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)通信。 內(nèi)置的各通信接口最大傳輸速率為12Mbit/S。 作DP 主站時(shí)，可以與編程器和OP通信，支持內(nèi)部節(jié)點(diǎn)通信，有等時(shí)線和SYNC/FREEZE 功能，除S7-412 外，有全局?jǐn)?shù)據(jù)通信、S7 基本通信和S7 基本功能。最多32 個(gè)DP 從站，可以作路由器，插槽數(shù)最多512 個(gè)。最大地址區(qū)為2KB。 每個(gè)DP 從站的最大可用數(shù)據(jù)為244B 輸入/244B 輸出。

5 爐子控制系統(tǒng)主要功能

圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)圖

根據(jù)熔化爐實(shí)際運(yùn)行需要，自動(dòng)適應(yīng)溫度環(huán)境和上料重量的電能爐子，通過爐子的重量和分段加熱時(shí)間來理論計(jì)算熔化耗能。 本系統(tǒng)主要以PLC 為控制中心,變頻器是調(diào)節(jié)輸出頻率來控制輸出功率。其作用是通過爐料的重量信號(hào)反饋,來調(diào)節(jié)變頻器的輸出。 見圖（1）。 從而達(dá)到節(jié)能的作用。 提高工作效率。 主系統(tǒng)功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熔化爐運(yùn)行參數(shù)的采集、顯示和上傳。

一條閉合的二次水冷卻回路，用于爐子和開關(guān)設(shè)備。 回路的設(shè)計(jì)帶有熱交換器和獨(dú)立的水泵。 熱交換器和水泵均位于爐子和開關(guān)附近。 每個(gè)冷卻管道都裝有電磁閥來監(jiān)視冷卻水的溫度和流量。 操作站HML 對(duì)不同時(shí)間段的生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄、出錯(cuò)報(bào)警顯示與儲(chǔ)存（包括發(fā)生的時(shí)間和日期）。 報(bào)警分類，按照時(shí)間和發(fā)生的頻率，數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，由工藝控制系統(tǒng)監(jiān)控。 操作臺(tái)上用于控制爐子的開、關(guān)動(dòng)作的開關(guān)靠近爐子一側(cè)。 帶有顯示功能的操作員面板，可以對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)置，并且顯示出實(shí)際溫度。 除此之外，在操作員面板上還可顯示出錯(cuò)報(bào)警，并帶有相關(guān)的電路圖，以便于發(fā)現(xiàn)和排除警報(bào)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，無芯爐保留了傳統(tǒng)的工藝流程基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的控制裝置，實(shí)現(xiàn)無芯爐各組成單元的控制和保護(hù)，使能控制更容易更自動(dòng)化。

無芯爐生產(chǎn)采用PLC 控制，充分運(yùn)用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，將PLC 與操作站，PLC，分布式I/O 站有機(jī)地連接起來，實(shí)現(xiàn)了快速，準(zhǔn)確的控制，閉合回路調(diào)節(jié)，報(bào)警，趨勢(shì)記錄等一系列功能，提高了作業(yè)率，工作效率，降低能耗，減少了故障停機(jī)率，同時(shí)也改善了工作環(huán)境，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。 完全可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速、準(zhǔn)確，平穩(wěn)可靠運(yùn)行，節(jié)約能源的目的。

相信隨著我國(guó)金屬工業(yè)的發(fā)展，由PLC 控制變頻器在加熱爐中的運(yùn)用將得到更加廣泛的運(yùn)用。

［1］王慧.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000，7.

［2］邊春元，任雙艷，滿永奎，等.S7-300/400 PLC[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006，10.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.