真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

黨曉圓 陳龍燦 陳小軍 馬冬梅

(1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院；2.重慶千能實(shí)業(yè)有限公司)

真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

黨曉圓1陳龍燦1陳小軍2馬冬梅1

(1.重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院；2.重慶千能實(shí)業(yè)有限公司)

介紹了真空氫氣燒結(jié)爐的性能和電氣控制系統(tǒng)在燒結(jié)爐中起到的作用，改造了真空氫氣燒結(jié)爐的電氣控制系統(tǒng)。選用歐姆龍PLC為核心控制器進(jìn)行過程自動(dòng)控制，詳細(xì)闡述了電氣控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。實(shí)踐應(yīng)用情況表明，改進(jìn)的真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)是可行的。

真空爐 氫氣燒結(jié)爐 電氣控制系統(tǒng) PLC

隨著真空熱處理技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)上真空氫氣燒結(jié)爐的制造技術(shù)和裝備水平不斷提高，真空度也逐漸達(dá)到了國(guó)際水平，但是在自動(dòng)化控制和器件的精細(xì)加工方面與國(guó)外還有一定的差距，尤其是在超高真空爐性能的穩(wěn)定上有待精密器件制備水平的提高。筆者介紹的真空氫氣燒結(jié)爐是具有加壓(絕對(duì)壓力0.2MPa)氣冷功能的單室臥式真空(氫氣)熱處理設(shè)備。它適用于小型高速鋼、高合金鋼模具等材料的氣淬、退火及釬焊等多種真空熱處理工藝，其電氣控制系統(tǒng)能滿足復(fù)雜工藝所要求的各種工作方式，自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定可靠，并具有故障自診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

1 真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全自動(dòng)化控制和生產(chǎn)管理自動(dòng)化，本系統(tǒng)采用工控機(jī)作為上位監(jiān)控和管理計(jì)算機(jī)。為了使操作人員便于操作，配有觸摸屏顯示各泵、閥門及冷卻風(fēng)扇等的運(yùn)行狀態(tài)[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空系統(tǒng)、脫蠟系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和溫度系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控(圖1)。單室真空氫氣燒結(jié)爐電控系統(tǒng)采用CPM2A-OMRON可編程序控制器控制，從工件進(jìn)爐到氣冷結(jié)束全部為自動(dòng)操作(也可采用手動(dòng)操作)，且熱處理工藝所要求的充氣、水壓、真空系統(tǒng)的各閥門動(dòng)作控制全部由PLC來完成。為了使用可靠、維修方便，基本上不使用其他電子線路和裝置。從工藝方面考慮溫控的重要性，本系統(tǒng)選用了英國(guó)歐陸公司生產(chǎn)的2704高精度控溫儀確保高精度控溫，其控溫精度可達(dá)到±0.1%。各升溫、保溫曲線通過軟件設(shè)定可適應(yīng)不同分度號(hào)的熱電偶，20條控溫曲線，6組PID可通過自調(diào)諧功能自動(dòng)演算，因此熱態(tài)調(diào)整極為方便，并具有超溫保護(hù)設(shè)定，當(dāng)超溫、斷水時(shí)，自動(dòng)切斷加熱系統(tǒng)電源。

圖1 真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

真空爐主體構(gòu)成如圖2所示。其中真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵組成的抽氣系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，由CPI電源、真空閥、預(yù)抽閥、擴(kuò)散泵閥、水溫、超溫警報(bào)、壓力節(jié)點(diǎn)、真空表節(jié)點(diǎn)及壓阻表節(jié)點(diǎn)等組成的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)控。

圖2 真空爐主體構(gòu)成

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)硬件電路由CPM2A型主機(jī)輸入輸出電路、爐內(nèi)加熱主電路、溫度控制電路、電源控制電路及指示燈控制電路等組成。

主機(jī)輸入電路以可編程序控制器CPM2A主機(jī)為控制核心，控制的對(duì)象主體主要是加熱系統(tǒng)、快速冷卻系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及各類電磁閥的通斷。加熱系統(tǒng)分為爐體內(nèi)工作均溫區(qū)加熱和擴(kuò)散泵電爐加熱。均溫區(qū)加熱是由磁條、鉬片發(fā)熱體等組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，由晶閘管調(diào)整器、2704歐陸溫控表、測(cè)溫?zé)犭娕?、無紙記錄儀及電爐油溫節(jié)點(diǎn)等組成的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)控?？焖倮鋮s系統(tǒng)是由冷卻風(fēng)扇、熱交換器和充氣蝶閥組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)快速冷卻。實(shí)現(xiàn)上述功能的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)CPM2A型主機(jī)輸出電路如圖4所示，放氣閥按鈕燈顯示放氣閥的工作狀態(tài)，燈亮?xí)r表示放氣閥處于放氣狀態(tài)；擴(kuò)散泵按鈕燈顯示擴(kuò)散泵閥的工作狀態(tài)，燈亮?xí)r表示擴(kuò)散泵閥處于開啟狀態(tài)；真空閥按鈕燈顯示真空閥的工作狀態(tài)，燈亮?xí)r表示真空閥處于開啟狀態(tài)；脈沖閥按鈕燈顯示脈沖閥的工作狀態(tài)，燈亮?xí)r表示脈沖閥處于開啟狀態(tài)；微沖閥按鈕燈顯示微沖閥的工作狀態(tài)，燈亮?xí)r表示微沖閥處于開啟狀態(tài)；報(bào)警燈報(bào)警時(shí)處于閃爍狀態(tài)，說明有異常情況發(fā)生，應(yīng)停止工作，檢修設(shè)備。

圖3 主機(jī)輸入電路

圖4 主機(jī)輸出電路

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 真空爐電控系統(tǒng)控制流程

真空氫氣燒結(jié)爐控制系統(tǒng)采用CPM2A-OMRON PLC和上位機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)程監(jiān)控。CPM2A-OMRON PLC的通信功能很強(qiáng)，通過上位鏈接通信方式，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。本系統(tǒng)下位機(jī)PLC和上位機(jī)觸摸屏之間通過HOST Link通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[2]。下位機(jī)PLC控制真空氫氣燒結(jié)爐的真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等邏輯關(guān)系，報(bào)警信號(hào)的采集，燒結(jié)爐過流、短路、超溫、聯(lián)鎖及互鎖等完善的自動(dòng)保護(hù)措施，啟動(dòng)加熱后，若出現(xiàn)重要故障立即發(fā)出聲光報(bào)警，切斷加熱電源，并將報(bào)警信息饋送到下位機(jī)進(jìn)行處理。若無故障發(fā)生，加熱溫度到規(guī)定溫度時(shí)，啟動(dòng)氬/氮?dú)饪炖浒粹o，等冷卻后執(zhí)行洗罐操作。上位機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)真空、氣路及溫度等系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。真空爐電控系統(tǒng)控制流程如圖5所示。

圖5 真空爐電控系統(tǒng)控制流程

3.2 真空爐電控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

真空爐控制系統(tǒng)部分程序如圖6所示。

爐內(nèi)加熱系統(tǒng)將需要熱處理的工件在爐內(nèi)裝填完畢后，關(guān)好爐門，啟動(dòng)電源，待氣壓達(dá)到所需壓力后，再開啟機(jī)械泵按鈕開關(guān)k2(圖3)控制真空泵的開啟，然后打開真空閥k9，此時(shí)設(shè)備開始粗抽真空，關(guān)閉時(shí)需要先關(guān)閉真空閥再關(guān)閉機(jī)械泵開關(guān)，否則除切斷電源外將無法關(guān)閉真空泵。羅茨泵按鈕開關(guān)k3控制羅茨泵的開啟與關(guān)閉，只有在系統(tǒng)真空度低于500Pa時(shí)，才能啟動(dòng)羅茨泵，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)過程中，如出現(xiàn)真空度高于500Pa，羅茨泵開關(guān)將自動(dòng)關(guān)閉，待真空度低于500Pa時(shí)，羅茨泵開關(guān)將自動(dòng)啟動(dòng)。

擴(kuò)散泵電爐按鈕開關(guān)k4控制擴(kuò)散泵加熱電爐的開啟與關(guān)閉，在需要開啟擴(kuò)散泵的前一小時(shí)，先通過按鈕k10開啟預(yù)抽閥，再開啟擴(kuò)散泵加熱電爐預(yù)熱升溫，達(dá)到預(yù)定時(shí)間和溫度時(shí)關(guān)閉真空閥，通過k11打開擴(kuò)散泵閥，此時(shí)爐內(nèi)將很快進(jìn)入高真空狀態(tài)，若真空度高于2Pa，應(yīng)暫停加熱升溫，待真空度低于2Pa時(shí)再繼續(xù)升溫，當(dāng)需要停止使用擴(kuò)散泵時(shí)，先關(guān)閉擴(kuò)散泵電爐開關(guān)，再關(guān)閉擴(kuò)散泵閥，然后開啟真空泵閥，待擴(kuò)散泵底部溫度降到室溫時(shí)，關(guān)閉預(yù)抽閥。

加熱按鈕k5是爐內(nèi)發(fā)熱體的電源開關(guān)，當(dāng)達(dá)到升溫條件時(shí)，先開啟電源開關(guān)，再啟動(dòng)加熱升溫程序，當(dāng)溫度程序結(jié)束開始降溫時(shí)，按下加熱按鈕切斷爐內(nèi)發(fā)熱體的電源開關(guān)。

冷卻風(fēng)扇開關(guān)k6控制快速冷卻風(fēng)扇的開啟與關(guān)閉，當(dāng)升溫程序結(jié)束后，若需要快速冷卻工件時(shí)，應(yīng)先開啟微沖閥k14沖入高純氮?dú)饣驓鍤?，?dāng)爐內(nèi)壓力高于60kPa時(shí)，方可開啟快冷風(fēng)扇k6，爐內(nèi)溫度低于80℃時(shí)即可停止快冷，同時(shí)切斷水源。洗罐按鈕控制爐內(nèi)與儲(chǔ)氣罐管路聯(lián)通電磁閥的接通與斷開，當(dāng)需要洗爐時(shí)，應(yīng)先抽取爐內(nèi)氣體，真空度達(dá)到0.01Pa時(shí)，關(guān)閉真空閥開啟洗罐開關(guān)，真空度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，關(guān)閉洗罐開關(guān)，開啟真空閥抽真空，反復(fù)3～4次，即可將爐內(nèi)空氣洗凈。

圖6 真空爐控制系統(tǒng)部分梯形圖

真空閥k9是機(jī)械泵、羅茨泵與爐體連通管路的通斷閥；預(yù)抽閥k10是機(jī)械泵與擴(kuò)散泵聯(lián)通管路的通斷閥；擴(kuò)散泵閥k11是機(jī)械泵、擴(kuò)散泵與爐體連接管路的通斷閥；冷卻充氣閥k13是儲(chǔ)氣罐與爐體連通管路的通斷閥，微量充氣閥k14是聯(lián)通儲(chǔ)氣罐與爐體管路的通斷閥，可實(shí)現(xiàn)微量充氣，調(diào)節(jié)氣壓；放氣閥k16、k17是控制爐體內(nèi)與大氣聯(lián)通的通斷閥；爐門氣缸開閥k19是控制爐門氣缸關(guān)閉與開啟的閥門。

4 結(jié)束語

將真空氫氣燒結(jié)爐電氣控制系統(tǒng)在工廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)是可行的、成功的，它能夠良好地實(shí)現(xiàn)真空爐的控制要求，且能得到較好的工件熱處理效果，易于操作、性能可靠、維修簡(jiǎn)便。

[1] 崔紅娟,李俏，王京暉，等.WZST系列三室真空高溫低壓滲碳爐的研制和應(yīng)用[J].金屬熱處理,2012，37(12):128～133.

[2] 陳東亮.基于PLC和組態(tài)王的熱媒爐控制系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(5):587～589.

(Continued from Page 863)

AbstractWith view to making the secondary pipe network supply each heating network user with the water relatively uniform and stable, a fuzzy neural network controller was designed and having the control theory of fuzzy neural network based to formulate rules for heating network pressure and flow control was implemented. Simulation result shows that, the system output has fast response, small overshoot and high stability.

Keywordsfuzzy neural network, heating network remote monitoring system, fuzzification

(Continued from Page 867)

thermocouple and customized MAX6675 A/D conversion chip was adopted free of cold junction compensation; through employing Carman vortex air flow sensor, measuring feed gas flow was implemented, including having the digital barometer which consisted by PY209 used to measure the differential pressure in the reactor. Simulation with Proteus software proves the feasibility of this design.

Keywordsauto-control system, fluidized bed reactor, circuit design

ReformandDesignofElectricalControlSystemforVacuumHydrogenSinteringFurnace

DANG Xiao-yuan1, CHEN Long-can1, CHEN Xiao-jun2, MA Dong-mei1
(1.CollegeofMobileTelecommunication,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications; 2.ChongqingG-energyIndustrialCo.,Ltd.)

The vacuum hydrogen sintering furnace’s performance and its electric control system’s effect were introduced and the sintering furnace’s electrical control system was renovated where Omron PLC was adopted as the core controller of auto-control process. The hardware circuit design, including the software design of electrical control system was elaborated in detail. Practical application shows that the vacuum hydrogen sintering furnace’s electrical control system improved is feasible and successful.

vacuum furnace, hydrogen sintering furnace, electrical control system, PLC

TH865

B

1000-3932(2017)09-0868-05

2017-04-13，

2017-07-10)

重慶市2015年本科高校三特行動(dòng)計(jì)劃電氣工程及其自動(dòng)化特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(渝教高[2015]69號(hào))。

黨曉圓(1983-)，講師，從事工業(yè)電氣自動(dòng)化技術(shù)的研究，dxy831110@126.com。