大型真空退火爐電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張凱 鄧寧嘉

【摘要】真空退火爐利用稀有金屬材料，如：鈦、鋯等，真空退火。真空退火爐具有容積大、溫控精度高、溫度差異小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)。真空退火爐根據(jù)工藝流程利用工業(yè)人機(jī)交換界面的電氣控制的設(shè)計(jì)方法，主要以PLC為核心，來(lái)實(shí)現(xiàn)爐體的恒溫控制。還利用上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工況。從而該控制系統(tǒng)達(dá)到了工業(yè)的工藝流程和控制要求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

真空退火爐主要是由電氣控制系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)和外圍系統(tǒng)構(gòu)成。高真空系統(tǒng)主要由高真空機(jī)組組成，主要用于抽空爐體和維持真空。其優(yōu)點(diǎn)如下：第一，退火改變了晶體的結(jié)構(gòu)，消除了內(nèi)應(yīng)力以及軟化材料。第二，防止了氧化脫碳脫脂，從而提高了表面的光亮度以及力學(xué)性能。第三，爐體容積大，溫度控制精度高，溫區(qū)溫差小，系統(tǒng)穩(wěn)定。第四，爐溫控制系統(tǒng)復(fù)雜，該數(shù)據(jù)具有時(shí)變性、非線性以及滯后性的特點(diǎn)。所以隨著加熱時(shí)間增加、加熱溫度的升高和真空度的增大，將產(chǎn)生不同的退火效果。第五，可編程控制器（PLC）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、通用性好，可以很好的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，從而提高生產(chǎn)效益。本設(shè)計(jì)中采用以PLC為核心，閉環(huán)控制PID功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，達(dá)到爐溫控制。利用PLC編程軟件中的梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行編程，來(lái)控制整個(gè)過(guò)程。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括工況監(jiān)控中的真空和溫度畫(huà)面的監(jiān)控，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)反映和控制。

1、真空退火爐的總體設(shè)計(jì)

1.1 真空退火爐的構(gòu)成

真空退火爐是利用外循環(huán)式、單室內(nèi)加熱的方式，是一種快速冷卻臥式的電阻爐。真空退火爐由爐體系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。

1） 爐體系統(tǒng)：爐體系統(tǒng)是由爐門(mén)、爐體外殼、加熱室和電阻帶。爐門(mén)的開(kāi)關(guān)為自動(dòng)控制，是利用緊壓缸傳動(dòng)裝置來(lái)控制的。爐體外殼是采用了圓筒形的結(jié)構(gòu)，不銹鋼材料。爐體有多個(gè)加熱溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)有電阻帶加熱。

2） 傳動(dòng)系統(tǒng)：傳動(dòng)裝置是指料架、平板車(chē)和電動(dòng)機(jī)的控制。將工件放在料架上，并且將工件的料車(chē)都放在平板車(chē)上。將其放入爐門(mén)口，由電機(jī)控制傳送。送到爐口時(shí)，限位開(kāi)關(guān)關(guān)閉，再將其托送到爐內(nèi)加熱區(qū)，也是由電機(jī)控制裝置驅(qū)動(dòng)。

3） 高真空系統(tǒng)：由真空機(jī)組組成，都位在爐體的一側(cè)，每套真空機(jī)組的組成是擴(kuò)散泵、羅茨泵、維持泵、斷路器、接觸器和相應(yīng)的管道，主要作用是控制驅(qū)動(dòng)泵的啟停以及電磁閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。真空系統(tǒng)的控制程序是機(jī)組的順序控制，其順序?yàn)椋旱谝?，?duì)的擴(kuò) 散 泵 預(yù) 熱的控制。第二，對(duì)爐體的粗抽閥門(mén)和高真空閥門(mén)的控制。

4） 加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)的加熱方式是電加熱，是利用電阻帶進(jìn)行加熱。爐內(nèi)分布著不同的溫區(qū)，也設(shè)置了相應(yīng)的控溫設(shè)備。爐體加熱程序是對(duì)加熱器的控制，根據(jù)爐內(nèi)的溫度曲線進(jìn)行控制。當(dāng)爐內(nèi)的真空度小于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)行加熱。

5） 冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)的降溫方式是利用水冷卻的方式，使?fàn)t內(nèi)以及真空泵降溫。爐體利用在外殼夾層中進(jìn)行水循環(huán)，外殼纏繞著水管。真空泵也布置了水管。

1.2真空退火爐的工藝過(guò)程

真空退火爐的工藝過(guò)程為：送料、抽真空、加熱、冷卻、真空釋放、工件出爐。其中鈦材料的送料和工件出爐是控制系統(tǒng)的次要部分，主要部分是真空控制和溫度控制。上位機(jī)的啟動(dòng)和監(jiān)控、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、料車(chē)的控制緊壓缸裝置的控制、真空泵的控制以及冷熱系統(tǒng)的控制都其中的控制部分。上位機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制料車(chē)送料，送入爐內(nèi)，爐門(mén)關(guān)閉，真空泵開(kāi)啟，進(jìn)行抽真空。抽真空完畢后，關(guān)閉真空泵，進(jìn)行加熱和冷卻。最后，開(kāi)啟爐門(mén)，真空釋放，工件出爐。

1.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

西門(mén)子PLC能控制多種功能和指令，能滿足真空退火爐的工藝要求和控制要求。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件由工控機(jī)控制，控制系統(tǒng)采用分布式的I/O控制方式，系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、工業(yè)觸摸屏組成。工控機(jī)主要用于系統(tǒng)的監(jiān)控，對(duì)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，還有參數(shù)的設(shè)定和修改的功能。PLC控制系統(tǒng)主要用于接受一些實(shí)時(shí)的信號(hào)和數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而控制整個(gè)系統(tǒng)。包括熱電偶的參數(shù)采集和設(shè)定，各個(gè)行程開(kāi)關(guān)的信號(hào)采集與處理，料車(chē)的速度與位置的數(shù)據(jù)處理，還有真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制。上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC-610H系列，下位機(jī)采用西門(mén)子中的PLC S7-300系列，進(jìn)行對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的處理，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的控制，包括邏輯控制、恒溫控制，以及故障報(bào)警的控制。將真空退火爐的工作狀態(tài)傳送到上位機(jī)中。PLC系統(tǒng)與上位機(jī)通訊，獲取真空退火爐的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)此設(shè)計(jì)的要求選取PLC的擴(kuò)展模塊，選取數(shù)字量輸入模塊作為接受主要電氣、檢測(cè)開(kāi)關(guān)等的輸入信號(hào)，還要選取數(shù)字量輸出模塊作為控制閥門(mén)和真空泵的執(zhí)行元件。CPU模塊作為核心模塊，功能如下：第一，實(shí)時(shí)反映溫度、壓力等參數(shù)給上位機(jī)。第二，實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)擴(kuò)展模塊的數(shù)量和程序的復(fù)雜程度選擇

2、結(jié)論

1）針對(duì)真空退火爐的工藝要求，西門(mén)子PLC滿足了多溫區(qū)的恒溫性和高真空的精度，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的PID 控制，充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，滿足了工業(yè)企業(yè)的要求，降低了成本，提高了工作效益。

2）工控機(jī)IPC、西門(mén)子PLC S7-300系列以及工業(yè)觸摸屏等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，達(dá)到了方便化，自動(dòng)化的時(shí)代要求。還實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)監(jiān)控以及下位機(jī)控制的功能。

3）通過(guò)實(shí)踐表明，真空退火爐抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的控溫精度、調(diào)整時(shí)間短、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)以往的數(shù)據(jù)表明，真空退火爐的設(shè)計(jì)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電氣故障，操作安全，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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