鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)的研制

萬(wàn)喜新，鄧 斌，王學(xué)仕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙410111）

目前，國(guó)內(nèi)制作觸摸屏的工藝和生產(chǎn)水平不足，在生產(chǎn)過(guò)程中，制作觸摸屏的原材料玻璃易碎，報(bào)廢頗多，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。提高玻璃韌性，可解決玻璃易碎問(wèn)題。將玻璃進(jìn)行退火處理可提高其韌性。鏈?zhǔn)酵嘶馉t主要用于玻璃的一次退火與再加工后二次去應(yīng)力退火，能夠提高玻璃的韌性[2]。

為保證產(chǎn)品退火處理的一致性，要求爐膛內(nèi)溫度均勻性高[3]，研制了一種鏈?zhǔn)酵嘶馉t的電氣系統(tǒng)，配合獨(dú)特的爐膛設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)酵嘶馉t溫度精準(zhǔn)控制，從而研制出滿足玻璃退火要求的鏈?zhǔn)酵嘶馉t。

1 鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際工藝需求，鏈?zhǔn)酵嘶馉t的溫度曲線如圖1所示。此外，玻璃退火工藝對(duì)鏈?zhǔn)酵嘶馉t電氣系統(tǒng)提出了以下要求：

圖1 工藝曲線

（1）加熱方式：電加熱；

（2）電熱元件：電阻絲；

（3）控溫方式：PID智能控溫，SCR可控硅模塊控制、線性比例輸出，控溫精度±1℃，爐膛上下都要使用獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)，保溫區(qū)爐膛內(nèi)溫度均勻性±5℃；

（4）網(wǎng)速控制：采用變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)1～20 m/h可調(diào)。

2 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫區(qū)設(shè)計(jì)及分布

根據(jù)溫度工藝曲線設(shè)計(jì)24個(gè)溫區(qū)，溫區(qū)上下采用獨(dú)立控溫系統(tǒng)，因此實(shí)際上是48路溫控。根據(jù)爐膛大小和溫度要求，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出24個(gè)溫區(qū)功率分布，如表1所示。

表1 功率分配

2.2 加熱電路設(shè)計(jì)

根據(jù)溫區(qū)設(shè)計(jì)，可算出鏈?zhǔn)酵嘶馉t總功率達(dá)1 032 kW，主要消耗在加熱部分。還包括清洗系統(tǒng)供電，抽風(fēng)系統(tǒng)供電，傳輸系統(tǒng)供電。

由于溫區(qū)多，加熱功率大，因此電流也就大；為長(zhǎng)期穩(wěn)定工作考慮，有必要考慮降低電流，但又不能降低功率，因此只能提高電壓。在不設(shè)置變壓器的情況下，常用的交流加熱電源是220 V或者380 V。選擇交流380 V加熱電源，據(jù)此設(shè)計(jì)電阻絲加熱器，選擇380 V規(guī)格的單相晶閘管調(diào)壓器控制加熱，在三相功率分布上盡可能考慮三相平衡，以減少對(duì)電網(wǎng)的影響。

設(shè)備分為三大溫區(qū)，即：升溫區(qū)、保溫區(qū)、降溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)設(shè)計(jì)上做到三相平衡，以升溫區(qū)為例，配電原理和三相加熱分配如圖2所示。

圖2 加熱電路

保溫區(qū)與降溫區(qū)采用同樣的配置，能做到理論上的三相平衡。

3 抗干擾設(shè)計(jì)

鏈?zhǔn)酵嘶馉t是大功率設(shè)備，設(shè)備總長(zhǎng)40 m，總體上考慮設(shè)計(jì)安裝，采用單獨(dú)的電控柜。其采用的移相觸發(fā)式的單相晶閘管調(diào)壓器和變頻器都是干擾源，會(huì)產(chǎn)生諧波干擾[4]。因此，如何避免干擾，是設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到的問(wèn)題。

抽風(fēng)系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)均通過(guò)控制變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，變頻器作為干擾源會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，因此在每個(gè)變頻器的輸入端加一個(gè)進(jìn)線電抗器，用于降低由變頻器產(chǎn)生的諧波，同時(shí)也可用于增加電源阻抗，并幫助吸收附近單相晶閘管調(diào)壓器投入工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰。進(jìn)線電抗器串接在電源和變頻器功率輸入端之間。

寄生電容Cp存在于電機(jī)電纜和電機(jī)內(nèi)部，因此變頻器的PWM輸出電壓波形的開(kāi)關(guān)翼部通過(guò)寄生電容產(chǎn)生一個(gè)高頻脈沖噪聲電流Is，使變頻器成為一個(gè)噪聲源[5]。由于噪聲電流Is的源是變頻器，因此它一定要流回變頻器。

噪聲信號(hào)回路如圖3所示。圖3中Ze為大地阻抗，Zn為動(dòng)力電纜與地之間的阻抗。噪聲電流流過(guò)此2個(gè)阻抗所造成的電壓降將影響到同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備造成干擾。此外，變頻器的整流部分也會(huì)產(chǎn)生低頻諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變。對(duì)于高頻干擾，如果高頻噪聲電流Is有一條正確的通道，則高頻噪聲是可以得到抑制的。如果使用非屏蔽電機(jī)電纜，則高頻噪聲電流Is以一個(gè)不確定的路線流回變頻器，并在此回路中產(chǎn)生高頻分量壓降，影響其它設(shè)備。為使高頻噪聲電流Is能沿確定路線流回變頻器，需要采用屏蔽電機(jī)電纜。電纜屏蔽層必須連接到變頻器外殼和電機(jī)外殼上。當(dāng)高頻噪聲電流Is必須流回變頻器時(shí)，屏蔽層形成一條最有效的通道。

圖3 噪聲信號(hào)回路

遵循產(chǎn)品類(lèi)型和操作識(shí)別方便以及強(qiáng)弱電分開(kāi)的原則進(jìn)行電氣布局，電控柜布局如圖4所示。

圖4 電氣布局

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目總體要求，需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。

（1）溫度控制部分

退火爐有24個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)分為上下兩部分單獨(dú)控溫，有利于調(diào)整溫度均勻性，這就要求能設(shè)置48個(gè)溫度數(shù)據(jù)，在24個(gè)溫區(qū)之后還有4個(gè)自然冷卻區(qū)，每個(gè)區(qū)有一根測(cè)溫?zé)崤?，自然冷卻區(qū)不加熱，不需要設(shè)置溫度，但需要監(jiān)控溫度，因此溫度顯示要求能顯示52個(gè)溫度數(shù)據(jù)。在手動(dòng)狀態(tài)下能調(diào)節(jié)48個(gè)加熱區(qū)的PID參數(shù)。

（2）傳輸、抽風(fēng)控制部分

傳輸、抽風(fēng)部分所采用的電機(jī)均是變頻器控制，底層控制變頻器采用RS485通訊方式實(shí)現(xiàn)，界面設(shè)置和顯示變頻器的頻率（傳輸部分設(shè)置和顯示速度）。

（3）IO狀態(tài)

界面顯示3個(gè)設(shè)備狀態(tài)，運(yùn)行、停止、緊急停止；人工操作啟動(dòng)或停止升溫區(qū)、保溫區(qū)、降溫區(qū)3個(gè)大區(qū)的加熱，啟動(dòng)后有IO狀態(tài)反饋顯示，同樣傳輸、抽風(fēng)部分也需人工啟動(dòng)和停止。48個(gè)單相調(diào)壓器報(bào)警復(fù)位IO信號(hào)和變頻器的報(bào)警復(fù)位信號(hào)需從界面發(fā)出。監(jiān)控水流量，嚴(yán)重錯(cuò)誤報(bào)警時(shí)伴有蜂鳴聲音，能夠消除蜂鳴聲。

（4）報(bào)警信息

顯示報(bào)警內(nèi)容（提示解決辦法），有48個(gè)單相調(diào)壓器和15個(gè)變頻器，水流量監(jiān)控，超溫報(bào)警（48）、升溫延時(shí)（斷偶52根）。

即硬件上有138個(gè)IO點(diǎn)，100組模擬量信號(hào)需處理。

4.1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

鏈?zhǔn)酵嘶馉t控制系統(tǒng)采用總線控制系統(tǒng)和溫度控制庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，總線控制系統(tǒng)方便應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)接線，模塊化組合，可靠性高[6]。工控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)構(gòu)成

觸摸屏作為人機(jī)交換，設(shè)置和顯示工藝參數(shù)，工業(yè)PC作為處理核心，運(yùn)行主控程序，耦合器和各種模塊組成一個(gè)單獨(dú)的站點(diǎn)采集和發(fā)送信號(hào)，各站點(diǎn)通過(guò)總線與工業(yè)PC相連，主控程序通過(guò)總線接受各站點(diǎn)信號(hào)和給各站點(diǎn)發(fā)送命令。

4.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制是玻璃退火工藝控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，也是鏈?zhǔn)酵嘶馉t核心部分，工件加熱要求空間內(nèi)溫度均勻恒定，保證立體空間內(nèi)的溫度對(duì)各工件都能起到充分加熱的作用，因此控制效果的好壞直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量。要保證溫度均勻性，首先控溫的精度要保證，那么要求保證溫度的檢測(cè)精度，其次要有相應(yīng)的靈活方便的控制算法。16位高精度的溫度測(cè)量模塊分辨率0.01℃。TwinCAT中的溫度控制庫(kù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)溫度PID控制，多段PID，以及串級(jí)溫度控制，模糊溫度控制算法，因此能滿足項(xiàng)目控溫精度±1℃的要求，從而為滿足溫度均勻性要求奠定基礎(chǔ)。

基于PC的控制方式，可以靈活應(yīng)用多種PID溫度控制算法實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)控制快速穩(wěn)定，只需要增加模塊，沒(méi)有通道數(shù)限制。溫度控制算法輸出可以有模擬量輸出、脈沖量、PWM輸出等多種方式，并且能夠根據(jù)一路輸入信號(hào)產(chǎn)生多路與之相關(guān)的控制信號(hào)輸出，而不需要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器隔離放大。在鏈?zhǔn)酵嘶馉t中，爐膛上下設(shè)有獨(dú)立的加熱控制區(qū)，可采用一路輸入兩路輸出（成比例關(guān)系）易于改動(dòng)。

在鏈?zhǔn)酵嘶馉t中，溫區(qū)數(shù)量龐大，可通過(guò)調(diào)用TwinCAT溫度控制模塊進(jìn)行軟件控溫，實(shí)現(xiàn)了多溫區(qū)的溫度控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

鏈?zhǔn)酵嘶馉t最重要的部分莫過(guò)于溫度控制和均勻性要求，也是最難實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，±5℃的均勻性要求使大多數(shù)的設(shè)備廠商望而卻步，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、裝調(diào)，使鏈?zhǔn)酵嘶馉t完全滿足了指標(biāo)要求。

通過(guò)在爐膛左、中、右、上四個(gè)方位放置4根測(cè)溫?zé)崤迹又翜囟葴y(cè)試儀上，生成測(cè)試曲線，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果來(lái)看，關(guān)鍵工藝溫區(qū)-保溫區(qū)的溫度均勻性完全能夠滿足指標(biāo)要求，達(dá)到了±2℃，滿足玻璃退火的工藝要求。