重力熱管自動(dòng)退火除氣線及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊曉東，廖正貴，王成君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

在新能源利用中，太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛，熱管式真空集熱管是一種先進(jìn)的太陽(yáng)能集熱裝置。熱管是一種利用工質(zhì)變相進(jìn)行熱量傳遞的高效傳熱器件，擁有很大的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的溫度均勻性。重力熱管屬于熱管的一種，是太陽(yáng)能熱水器中最常應(yīng)用的熱管，一般以銅為殼體材料。

銅殼熱管在制造工藝過程中，為提高其韌性以便于后續(xù)的檢測(cè)工序，需要進(jìn)行真空退火除氣處理，目前太陽(yáng)能熱管主流的退火工藝在單室真空爐中完成，采用手工送料、取料的方式，銅管進(jìn)入真空爐后，需要在爐內(nèi)完成抽真空、升溫、保溫、降溫的過程，存在效率低、易污染、能耗高等問題。也有用單機(jī)組、雙真空室交替工作的真空爐，雖然在工作效率上有所提升，但依然存在加熱室直接暴露在空氣中的情況，導(dǎo)致加熱室抽真空速度變慢，而且每次加熱完成需要冷卻至常溫取料，加熱帶由于不斷的冷熱很容易變形，縮短加熱帶壽命。

圖1 退火線示意圖

本文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)連續(xù)式退火線采用臥式、三室連續(xù)、步進(jìn)結(jié)構(gòu)，速度可調(diào)。其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)包含6 個(gè)工件位置（由左至右）：送料車、進(jìn)料車、預(yù)備室、加熱室、冷卻室、出料車，三室的配合使用保證了加熱室一直處于高溫、高真空狀態(tài)下，避免外界污染，同時(shí)節(jié)約了抽真空時(shí)間和冷卻時(shí)間，最大程度的提高了生產(chǎn)效率，保證了批量生產(chǎn)的需要。

1 工藝過程

人工通過傳動(dòng)車將工件框送至進(jìn)料車，工件框進(jìn)入預(yù)備室，開始抽真空至0.4 Pa 以下，加熱室空出后，工件進(jìn)入加熱室升溫至450 ℃后保溫1 h，維持真空度不低于0.005 Pa，冷卻室空出后送入冷卻室，冷卻室充入純氮循環(huán)冷卻45 min，使工件表面溫度達(dá)到80 ℃以下，開門出料抽真空至0.4 Pa 以下，等待加熱室的來料，人工下料，開始下一個(gè)循環(huán)。

在第一個(gè)工件框送入預(yù)備室后，人工將第二工件框送至進(jìn)料車，預(yù)備室空出后，第二工件框進(jìn)入預(yù)備室，第三工件框送至進(jìn)料車，每個(gè)工件框經(jīng)過熱室加熱后進(jìn)入冷卻室冷卻，冷卻完成并出料，如此循環(huán)送料、循環(huán)出料，直到所有工件框都處理完，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

2 控制系統(tǒng)功能

根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和工藝需要，控制系統(tǒng)主要包括溫度控制、真空控制、傳動(dòng)控制、冷卻控制和安全保護(hù)，以下就設(shè)備應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

2.1 溫度控制

為滿足退火工藝，對(duì)設(shè)備的溫度性能提出要求：最高溫度500 ℃，均溫區(qū)尺寸2270 mm×600 mm×600 mm，爐溫均勻性±5 ℃（450 ℃）。

根據(jù)溫度指標(biāo)，加熱室為方形結(jié)構(gòu)，采用Cr20Ni80 帶為加熱元件，多層金屬反射屏的布置提高設(shè)備的熱效率，減少熱量的對(duì)外輻射。加熱室根據(jù)爐膛形式和熱能需要分八區(qū)加熱，八點(diǎn)控溫，上下左右均勻分布，以保證溫度的均勻性。

在控溫上，采用低電壓、大電流加熱模式，每個(gè)加熱回路均由PID 調(diào)節(jié)器、功率控制器、變壓器、K 型熱電偶組成閉環(huán)系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件的合理布置是溫度性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，要完全滿足要求，還需要在調(diào)試過程中，根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)PID 參數(shù)，選擇各溫區(qū)最佳溫度補(bǔ)償值。

2.2 真空控制

真空系統(tǒng)共分三套真空系統(tǒng)，其中預(yù)備室、冷卻室采用雙級(jí)泵機(jī)組，極限真空度0.2 Pa，熱室采用以油擴(kuò)散泵為主泵的三級(jí)泵機(jī)組，極限真空度0.001 Pa。3 個(gè)真空室使用閘閥門隔離，配備獨(dú)立的真空測(cè)量?jī)x器。

2.3 傳動(dòng)控制

爐內(nèi)輸送車包括預(yù)備室傳送車、熱室輸送車、冷室輸送車，均采用動(dòng)力滾筒傳輸工件料框，通過鏈傳動(dòng)將減速電機(jī)的動(dòng)力傳輸至每一支滾筒，3臺(tái)電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)。

變頻器通過485 總線與三菱PLC 通訊模塊連接，利用PLC 的無協(xié)議通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取采用輪詢的方式，即根據(jù)變頻器地址的不同，間隔1 s 更改一次通訊地址，實(shí)現(xiàn)讀取對(duì)應(yīng)變頻器參數(shù)的目的。當(dāng)需要修改設(shè)定參數(shù)時(shí)，中斷參數(shù)讀取，直到參數(shù)寫入完成。

該控制方法在設(shè)計(jì)上靈活應(yīng)用了三菱PLC的無協(xié)議通訊，同時(shí)利用PLC 穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，保證傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效解決了變頻器參數(shù)控制的技術(shù)要求。具體程序編寫步驟為：

（1）數(shù)據(jù)格式定義

LD M8000 (M8000：p_on)

SET M8161 (M8161：設(shè)置8 位運(yùn)算模式)

MOV H0C88 D8120 (M8120：通訊格式7，n，2)

（2）通訊參數(shù)設(shè)置

將參數(shù)轉(zhuǎn)化為ASCII 碼后，寫入D10-D26，參數(shù)定義如表1。

表1 通訊參數(shù)設(shè)置

（3）通訊命令

將表1 設(shè)置的ASCII 碼指令（D10-D26）發(fā)送至變頻器，變頻器作出響應(yīng)，并返回?cái)?shù)據(jù)代碼至以D50 為首地址的19 個(gè)寄存器中，命令程序如下：

LD M8000 （M8000：p_on）

RS D10 K17 D50 K19

(D10：起始符STX，D50：接收回應(yīng))

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送、接收

通訊的實(shí)現(xiàn)需要置位M8122(發(fā)送請(qǐng)求)來觸發(fā)，發(fā)送結(jié)束時(shí)M8122 自動(dòng)復(fù)位。

從變頻器的設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，M8123(接收結(jié)束標(biāo)志位)置位，將D50 為首地址的19 個(gè)字移動(dòng)到其他的保存區(qū)域中進(jìn)行解碼，然后將M8123 復(fù)位。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)通過硬件和軟件的配置來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

3.1 硬件組成

系統(tǒng)以三菱FX3U 系列可編程控制器為控制核心，通過編程口與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化操作，上位機(jī)采用MCGS 嵌入版組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái)。

設(shè)備的硬件系統(tǒng)連接如圖2 所示，所有外圍設(shè)備通過總線與上位機(jī)通訊，建立起一個(gè)小型的集散系統(tǒng)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件由上位機(jī)組態(tài)軟件和PLC 編程兩部分構(gòu)成。

（1）組態(tài)設(shè)計(jì)

圖2 硬件連接系統(tǒng)示意圖

組態(tài)設(shè)計(jì)以北京昆侖通態(tài)嵌入版組態(tài)軟件為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，通過上位機(jī)可以設(shè)置工藝參數(shù)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)或分步操作，觀察系統(tǒng)實(shí)時(shí)真空度、溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。設(shè)備擁有故障自檢功能，為設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供保障。同時(shí)，軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢，工藝過程參數(shù)以列表的方式存儲(chǔ)保存，便于工藝分析及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)故障追溯。圖3 為設(shè)備操作主界面。

（2）PLC 控制系統(tǒng)圖

PLC 編程以工藝流程為指導(dǎo)思想，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，采用分系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法，利用子程序的調(diào)用最大程度的簡(jiǎn)化PLC 程序，增加程序的可靠性、可讀性。

本程序中應(yīng)用了11 個(gè)獨(dú)立的子程序，利用CALL 指令調(diào)用，圖4 為設(shè)備自動(dòng)程序概略圖。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，本程序最大程度的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，在自動(dòng)執(zhí)行過程中，操作人員所要手動(dòng)完成的工序只是將工件車放置在進(jìn)料車上，以及移走已經(jīng)處理完并傳送至出料車的工件，其余動(dòng)作均無需人為干預(yù)。

圖3 操作界面

圖4 自動(dòng)程序概略圖

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能重力熱管自動(dòng)退火線是2010年由皇明太陽(yáng)能集團(tuán)有限公司提出要求，由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所研發(fā)生產(chǎn)的項(xiàng)目，本項(xiàng)目根據(jù)專用的技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，于2011年3月交付用戶使用。經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)，無維修記錄，足以證明其控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足工藝要求。

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