基于PLC釹鐵硼氫氣粉碎工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫方剛，紀(jì)志堅(jiān)

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

基于PLC釹鐵硼氫氣粉碎工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫方剛，紀(jì)志堅(jiān)

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

氫粉碎工藝是生產(chǎn)高磁性釹鐵硼永磁材料的重要手段。為優(yōu)化釹鐵硼氫粉碎的控制過(guò)程，本文提出了通過(guò)對(duì)釹鐵硼合金吸氫飽和度值的判斷，主要是對(duì)反應(yīng)爐的溫度和壓力在不同的過(guò)程進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了基于 PLC釹鐵硼氫粉碎的過(guò)程控制系統(tǒng)。運(yùn)用西門(mén)子S7-200PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)釹鐵硼氫粉碎過(guò)程中對(duì)反應(yīng)爐的溫度和壓力的控制，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和固態(tài)繼電器具體地控制壓力和溫度，比較理想的實(shí)現(xiàn)了釹鐵硼氫粉碎。

釹鐵硼；氫粉碎；S7-200PLC；固態(tài)繼電器

0 引言

隨著現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全球市場(chǎng)對(duì)高磁性的永磁材料需求量越來(lái)越大，而通過(guò)傳統(tǒng)的球磨工藝控制方法生產(chǎn)的釹鐵硼[1]材料已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前實(shí)際市場(chǎng)的需要。因此本文研究釹鐵硼氫粉碎工藝[2-3]過(guò)程中吸氫速率與脫氫速率對(duì)與釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)的影響，充分利用現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的分析并及時(shí)的發(fā)出控制指令進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的控制。針對(duì)氫粉碎過(guò)程的原理和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了利用 S7-200PLC[4]實(shí)現(xiàn)對(duì)釹鐵硼氫粉碎的工藝控制系統(tǒng)，完成了對(duì)釹鐵硼合金的粉碎，從獲得了磁性較高的釹鐵硼材料。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方式

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 有著廣泛的應(yīng)用[5-6]，本設(shè)計(jì)通過(guò)西門(mén)子S7-200對(duì)反應(yīng)爐[7]溫度，壓力等數(shù)據(jù)的采集，上位機(jī)起到監(jiān)控的作用，通過(guò)在編寫(xiě)梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)吸氫過(guò)程的壓力控制，在完成正壓和真空檢查后，打開(kāi)氫氣閥門(mén)，進(jìn)行吸氫過(guò)程，由壓力傳感器檢測(cè)的數(shù)值輸出來(lái)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)的壓力，通過(guò)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)改變氫氣的流量速率，進(jìn)而控制爐內(nèi)的壓力的大小；同時(shí)，需要在脫氫過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制，在置換控制結(jié)束后對(duì)反應(yīng)爐進(jìn)行真空控制，然后在真空狀態(tài)下進(jìn)行加熱使釹鐵硼脫氫[8]，在加熱過(guò)程中，由溫度傳感器[9]檢測(cè)的輸出數(shù)值來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)的溫度變化，并將其數(shù)據(jù)傳輸給PLC，再通過(guò)PLC控制器發(fā)出的指令來(lái)控制反應(yīng)爐內(nèi)的溫度大小。

1.2 系統(tǒng)PLC硬件選型

本系統(tǒng)主要控制溫度和壓力模擬量以及閥門(mén)的開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)的啟停等數(shù)字量。實(shí)際上，溫度和壓力這兩個(gè)模擬量并不是同時(shí)控制的，壓力控制是在吸氫[10]的過(guò)程中進(jìn)行的，吸氫時(shí)是放熱反應(yīng)，不需要加熱，只要控制充入氫氣的壓力保持在 195～200 KPa，時(shí)間大約在2～4個(gè)小時(shí)即可，具體時(shí)間還得看實(shí)際的反應(yīng)情況。而PLC控制移相觸發(fā)器[11]，通過(guò)固態(tài)繼電器[12-14]控制溫度是在脫氫的過(guò)程中進(jìn)行的，脫氫時(shí)，只要求一定的溫度和時(shí)間，即溫度保持在 600℃，大約需要二十個(gè)小時(shí)左右。在整個(gè)釹鐵硼氫粉碎工藝過(guò)程中，需要控制的輸入量有二十八個(gè)，其中模擬量輸入為四個(gè)，數(shù)字量輸入二十四個(gè)；在整個(gè)控制過(guò)程中需要控制的輸出量有十六個(gè)，其中有兩個(gè)輸出模擬量與十六個(gè)數(shù)字輸出量。基于以上控制策略，本系統(tǒng)S7-200硬件選型如下：CPU模塊：CPU226[15]；模擬量模塊：EM231模擬量輸入，4個(gè)輸入，輸入范圍：0～10 V或0～5 V的電壓信號(hào)或 0～20 mA的電流信號(hào)；精度：12位；EM232模擬量輸出，2個(gè)輸出，輸出范圍：電壓-10 V～+10 V；電流：0～20 mA；精度：11位。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.3 控制系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計(jì)

根據(jù)整個(gè)氫粉碎過(guò)程控制系統(tǒng)控制目標(biāo)和要求，根據(jù)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，由此可知，整個(gè)控制系統(tǒng)的主回路包含了三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)其中真空泵電機(jī)主要是為了完成整個(gè)控制系統(tǒng)的抽真空過(guò)程目的，而滾筒電機(jī)是為了完成氫粉碎過(guò)程中的加熱移動(dòng)過(guò)程，最后，冷卻風(fēng)扇電機(jī)主要是為了在整個(gè)控制過(guò)程完成后的冷卻的作用。這三個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)都是由PLC控制器直接控制的，特別地，在抽真空與冷卻過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)只需要進(jìn)行單方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以用KM3和KM4兩個(gè)接觸器進(jìn)行控制；但是在加熱時(shí)，就需要讓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制，用KM1和KM2兩個(gè)接觸器實(shí)現(xiàn)控制目的。主回路電路如上圖2所示。

圖2 主回路電路圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求，設(shè)計(jì)控制回路，回路中有手、自動(dòng)的切換，及手、自動(dòng)時(shí)的部分具體回路設(shè)計(jì)，如下圖3所示。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

釹鐵硼合金氫粉碎的工藝控制過(guò)程包括五個(gè)階段性過(guò)程，分別是壓檢、吸氫、置換、脫氫與冷卻。根據(jù)實(shí)際的工藝過(guò)程的控制需求，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)氫粉碎工藝的計(jì)算機(jī)控制，具體過(guò)程控制的思路如下：

圖3 控制回路統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

（1）壓檢：壓檢包括正壓檢測(cè)和真空檢測(cè)，需要做的工作包括各閥門(mén)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)、反應(yīng)爐門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、羅茨泵的啟動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)，其目的是為了檢測(cè)爐子是否漏氣。程序流程如上圖圖4和圖5所示。

圖4 正壓檢測(cè)

圖5 真空檢測(cè)

（2）吸氫：在吸氫過(guò)程中，我們需要打開(kāi)充氫氣閥、讀壓力值、控制吸氫壓力。具體流程圖如下圖6所示：

圖6 吸氫

（3）置換：置換的目的就是將吸氫后的殘余氫氣用氬氣置換走，以降低氫氣的濃度，防止發(fā)生氫氣爆炸事件。具體置換流程圖如下圖7所示：

圖7 置換

（4）脫氫：在脫氫過(guò)程中，控制系統(tǒng)需要控制真空泵和真空閥，及時(shí)地通過(guò)PLC上面的PID控制器來(lái)及時(shí)地控制脫氫的溫度，實(shí)現(xiàn)釹鐵硼合金脫氫的目的。其流程圖如上圖8所示。

圖8 脫氫

（5）冷卻：脫氫結(jié)束后，打開(kāi)風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻。具體流程圖如上圖9所示。

圖9 冷卻

3 程序設(shè)計(jì)調(diào)試與仿真

在 S7-200的仿真軟件中進(jìn)行程序的調(diào)試和仿真中，先一步一步對(duì)正壓檢測(cè)程序、真空檢測(cè)程序、吸氫程序、置換程序、脫氫程序、冷卻程序，進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)。部分程序的調(diào)試和仿真如下圖10所示。

圖10 系統(tǒng)調(diào)試和仿真圖

4 結(jié)論

本文控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)控制，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)反應(yīng)爐的溫度、壓力的控制，從而改善和優(yōu)化了釹鐵硼合金的氫粉碎工藝過(guò)程控制。由此可知，控制溫度和壓力的大小在整個(gè)氫粉碎的控制過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。氫粉碎工藝達(dá)到了預(yù)期的期望，在一定程度上符合氫粉碎工藝的要求，但是如何進(jìn)一步生產(chǎn)更高磁性的釹鐵硼料還需要更多的探索和實(shí)踐。

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NdFeB Hydrogen Pulverization Process Control System Design Based on PLC

SUN Fang-gang, JI Zhi-jian
(College of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University, Qingdao 26607l, China)

The hydrogen pulverization process is one of the essential means of preparing high-performance NdFeB magnet material.In order further to optimize the control process of NdFeB hydrogen this paper designs a control system of NdFeB hydrogen smash, based on PLC, by the judgement of NdFeB alloy absorption saturation of hydrogen and the control of the temperature and pressure of the process reaction.By using S7-200PLC, it can achieve the control of the temperature and pressure of the reacting furnace of process of NdFeB hydrogen pulverization, which are fulfilled specificly by the motorized valve and solid-state relays(SSR).It completes the hydrogen pulverization process in a way.

NdFeB; Hydrogen pulverization; S7-200PLC; SSR

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.03.024

孫方剛(1990-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制計(jì)算機(jī)、切換多智能體系統(tǒng)控制。

紀(jì)志堅(jiān)(1973-)，男，博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)控制、多智能體系統(tǒng)控制分析與控制。

本文著錄格式：孫方剛，紀(jì)志堅(jiān).基于PLC釹鐵硼氫氣粉碎工藝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2017，38（3）：118-121