電子束熔煉爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈慶功，王 瓏，馬 樂

（西安聚能裝備技術(shù)有限公司，陜西西安 710018）

0 引言

隨著各種新型技術(shù)的不斷創(chuàng)新研發(fā)，逐漸提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的材料技術(shù)要求，傳統(tǒng)材料已經(jīng)無法滿足當(dāng)今技術(shù)需要。目前，難熔材料廣泛應(yīng)用于航天航空、電子能源、國防、核工業(yè)、冶金及防化等領(lǐng)域，作用重大，世界各國對(duì)難熔材料的需求量日益提高[1]。電子束熔煉爐作為生產(chǎn)難熔材料的專用設(shè)備，運(yùn)行中往往要求真空、冷卻、機(jī)械、電子槍等各大系統(tǒng)之間能夠充分協(xié)調(diào)配合工作[2]，對(duì)于人工控制，工作強(qiáng)度要求較大。因此，設(shè)計(jì)電子束熔煉爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)尤為必要。

1 真空系統(tǒng)拉單晶配置工藝流程

以20 kW 電子束熔煉爐為例，真空系統(tǒng)主要包括機(jī)械泵和擴(kuò)散泵，如圖1 所示[3]。拉單晶時(shí)首先需要與冷卻水和壓縮空氣接通，之后打開電源，成功啟動(dòng)爐體機(jī)械泵，打開擴(kuò)散泵后5 min，然后打開主抽閥門。夾料棒在爐體放氣閥門打開后進(jìn)行裝料，之后封爐，關(guān)閉主抽閥門，打開預(yù)抽閥。達(dá)到3.8×10-2Pa 真空環(huán)境下，關(guān)閉預(yù)抽閥后打開主抽閥和大閥，持續(xù)抽真空至3×102Pa。與陰極相連接后加入主高壓電源，進(jìn)行金屬熔煉并調(diào)整燈絲電流至10 A。與激磁成功接通后中斷高壓，直至最終溫度冷卻將大閥門關(guān)閉，并打開爐體放氣閥門[4]。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

首先明確電子束熔煉爐在實(shí)際運(yùn)行工作中，想要保障安全自動(dòng)化生產(chǎn)，需要控制的主要工藝指標(biāo)包括真空度、熔煉速度和功率，高壓電壓及電流值，以及托頂桿直線速度等。本次設(shè)計(jì)的真空自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案如圖2 所示，真空計(jì)輸出4～20 mA電流，采用PLC 輸出交流變頻信號(hào)控制器，能夠始終保證機(jī)械泵提供的交流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。同時(shí)交流變頻器還具備過流保護(hù)和缺相保護(hù)功能。

2.2 真空度PID 算法控制

真空室內(nèi)要控制真空度，就需要解決真空度具備的較強(qiáng)時(shí)變性、非線性與多類型干擾。僅僅運(yùn)用傳統(tǒng)精確數(shù)學(xué)控制模型，往往無法獲取滿意的動(dòng)靜態(tài)控制成效。為確保獲得準(zhǔn)確真實(shí)的真空度控制效果，本次設(shè)計(jì)選用PID 控制，公式如下：

圖1 20 kW 電子束熔煉爐真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)方案

式中 u（t）——輸出函數(shù)

Kp——比例系數(shù)

T1——積分時(shí)間常數(shù)

TD——微分時(shí)間常數(shù)

e（t）——定量及輸出量之間存在的偏差

通過離散化處理式（1）后，即可獲得增量PID 控制計(jì)算公式。

在本次自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電子束熔煉爐的爐體作為被控制對(duì)象，抽真空的機(jī)械泵運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制量，既定3.8×10-2Pa 真空系數(shù)。單極性信號(hào)根據(jù)真空計(jì)完成檢測(cè)并成功轉(zhuǎn)換至4～20 mA 電流后送至PLC 組件。對(duì)變頻器的輸出頻率控制及機(jī)械泵電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)節(jié)，經(jīng)PLC 組件成功實(shí)現(xiàn)PID 控制指令，最終經(jīng)D/A 送出單極信號(hào)。對(duì)輸出值進(jìn)行調(diào)整，確保最終獲得零誤差，獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)控制運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩級(jí)控制模式，上級(jí)生產(chǎn)管理級(jí)，能夠通過上位機(jī)有效控制管理下位機(jī)的生產(chǎn)操作，以操作人員作為主要對(duì)象。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測(cè)控，能夠采集熔煉爐生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息并控制生產(chǎn)過程。選用Win 7 上位機(jī)操作系統(tǒng)，S7-200 下位機(jī)可編程控制儀器，包括電流電壓變送器、微機(jī)電力真空機(jī)?？紤]到系統(tǒng)控制通信速度需要匹配生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際布線距離，配置RS232/485 進(jìn)行上位機(jī)串行口與下位機(jī)PLC 之間的通信控制。

2.4 功能設(shè)計(jì)

（1）該自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)選擇性控制，也可單獨(dú)控制熔煉爐的各生產(chǎn)組成系統(tǒng)，方便生產(chǎn)過程中的故障快速檢修。半自動(dòng)控制下能夠自動(dòng)熔煉單根棒料，選用自動(dòng)化控制方式。按下啟動(dòng)按鈕后，PLC 控制程序能夠完成原熔煉棒料生產(chǎn)工藝流程，之后快速按停停爐按鈕。

（2）可以控制調(diào)整上述提出的熔煉工藝參數(shù)，確保能夠順利完成熔煉生產(chǎn)。在調(diào)整過程中只需旋轉(zhuǎn)操作旋轉(zhuǎn)臺(tái)中的按鈕即可。

（3）能夠動(dòng)態(tài)化實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確顯示生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)化參數(shù)，保證操作人員實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，可以將結(jié)果展示在人機(jī)操作界面。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生成報(bào)表及隨時(shí)打印，包括了操作的負(fù)責(zé)人員、控制運(yùn)行方式、打印的時(shí)間和日期等。

（5）緊急停爐功能，在系統(tǒng)控制產(chǎn)生一定故障問題時(shí)，可以點(diǎn)擊緊急停爐這一功能按鈕，便可以控制熔煉爐的系統(tǒng)全部暫停運(yùn)行，確保熔煉爐安全可靠生產(chǎn)。

（6）設(shè)計(jì)多處聯(lián)鎖功能，例如，擴(kuò)散泵的前置泵為機(jī)械泵，在機(jī)械泵抽真空之前不能啟動(dòng)擴(kuò)散泵。熔煉過程中也不可以打開任何爐門，避免漏氣。這就要求電子束爐能夠做到聯(lián)鎖控制不同系統(tǒng)。

（7）具有故障警報(bào)功能，運(yùn)用優(yōu)質(zhì)元器件，可以實(shí)現(xiàn)小型自動(dòng)化節(jié)能控制。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件配置

（1）真空計(jì)選用ZJ-10 系列的中真空計(jì)儀器型號(hào)，運(yùn)用專門控制系統(tǒng)，完成真空輔助測(cè)控。

（2）選用ACS600 系列變頻器，通過運(yùn)用DTC 技術(shù)可以控制轉(zhuǎn)矩。與先進(jìn)生產(chǎn)工藝共同推行運(yùn)用的高性能變頻器結(jié)合運(yùn)用，可以擁有較高的器件工藝范圍，保證良好的控制速度及轉(zhuǎn)矩。還能夠保證系統(tǒng)較好的保護(hù)功能完整性，以及擁有較好的靈活性編程。

（3）選用S7-200 西門子整體式PLC，擁有緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，占地面積小、低成本、性價(jià)比較高，方便安裝操作。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)可以基于PLC 實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)、手動(dòng)操作，在輸入端能夠與手動(dòng)操作、開關(guān)信號(hào)連接。經(jīng)PLC 控制程序運(yùn)行，能夠通過輸出端與接觸器、電磁閥、繼電器與信號(hào)燈直接控制，可以有效控制傳動(dòng)、真空、報(bào)警和水路等系統(tǒng)。根據(jù)需要，電子束熔煉爐在生產(chǎn)中面對(duì)較復(fù)雜的控制對(duì)象和較大的軟件控制編程。如果運(yùn)用梯形圖對(duì)語言編程控制難度較大，因此本次設(shè)計(jì)的PLC 控制編程，能夠基于繼承順序控制這一思路前提下，引入模塊化編程，結(jié)合PLC 設(shè)計(jì)編程梯形圖。結(jié)合上文所述的拉單晶整個(gè)工藝操作流程，能夠分配整個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并標(biāo)記中間變量。對(duì)于不同運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)移以及次序關(guān)系，包括明確控制不同輸入量和輸入量，最終成功轉(zhuǎn)變PLC 控制輸入、輸出信號(hào)邏輯關(guān)系，獲得梯形圖。

3.2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本次自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算機(jī)控制組態(tài)軟件所支持的全部熔煉爐控制系統(tǒng)硬件設(shè)備。因此需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的適應(yīng)運(yùn)行軟件環(huán)境，最終選定組態(tài)王6.2。能夠運(yùn)用該軟件技術(shù)的強(qiáng)大功能，高效集成化控制熔煉爐的所有控制硬件設(shè)施。組態(tài)控制包括數(shù)據(jù)采集、處理兩大功能模塊，在運(yùn)行過程中以頁眉、監(jiān)控中心、拉單晶車間、主菜單以及監(jiān)控中心作為4 個(gè)監(jiān)控界面，能夠顯示在組態(tài)王系統(tǒng)上，獲得歷史趨勢(shì)變動(dòng)曲線，以及警報(bào)窗口。實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)卷動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)時(shí)間變化確定變量。當(dāng)所監(jiān)視變量不在正常范圍值情況下，則會(huì)在警報(bào)窗口中為操作用戶顯示變量名、越限時(shí)間、超出界限數(shù)值和目前的最新值。系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)后會(huì)在顯示界面滾動(dòng)警報(bào)窗口，并及時(shí)更新顯示最新的警報(bào)事件。基于組態(tài)王實(shí)現(xiàn)的軟件功能，還能夠?qū)Ω黜?xiàng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)顏色（紅色為高度警報(bào)，黃色為低度警報(bào)，藍(lán)色為正常運(yùn)行參數(shù)），還能夠動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)控制設(shè)備各運(yùn)行參數(shù)的不同程度限位。

4 結(jié)語

通過引入PLC 控制，提出基于PLC 及組態(tài)軟件的自動(dòng)化控制，成功提升了熔煉爐生產(chǎn)工藝設(shè)備的控制效率和整體質(zhì)量，轉(zhuǎn)變?cè)瓉淼闹悄芑刂茷楣芾韮?yōu)化設(shè)備。結(jié)合真空度PID 控制算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能軟件設(shè)計(jì)，擁有高精度、快速響應(yīng)及運(yùn)行安全穩(wěn)定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠簡單操作可靠運(yùn)行，獲得預(yù)期的難熔材料熔煉效果。